Результат интеллектуальной деятельности: Система автоматического регулирования частоты тока в сети с участием АЭС

Предлагаемое изобретение относится к области энергетические системы и комплексы, в состав которых входят атомные электрические станции (АЭС) с реакторами типа ВВЭР и системами аккумулирования тепловой энергии (САТЭ).

Изменение мощности энергоблоков АЭС с ВВЭР, работающих в настоящее время при постоянном расходе теплоносителя, ведет к изменению температуры теплоносителя независимо от программы регулирования (см., например, Шальман М.П, Плютинский В.И. Контроль и управление на атомных электростанциях. - М: Энергия, 1979. - 272 с., стр. 146), что в случае работы с частыми изменениями мощности отрицательно сказывается на ресурсе реактора, особенно его активной зоны.

Известно решение, где изменение мощности энергоблока тепловой электростанции(ТЭС) в случае необходимости резкого ее увеличения выше номинального значения выполняется путем закрытия запорной арматуры на регенеративных отборах турбины к подогревателям высокого давления. Это ведет к увеличению расхода пара через проточную часть турбины и, следовательно, к увеличению мощности турбины (см., например, Иванов В.А. Стационарные и переходные режимы мощных паротурбинных установок. - Л.: Энергия. 1971. - 280 с., стр. 206). Недостатком данного способа является то, что на отборах турбины используется запорная арматура, имеющая всего два положения - открыто и закрыто, не обеспечивая промежуточных значений и, в силу этого, возможности плавного изменения мощности паротурбинной установки.

Прототипом предлагаемого изобретения является вариант изменения мощности энергоблока АЭС с ВВЭР в режиме, когда турбина ведет реактор за счет использования присущего данному типу реакторов температурного эффекта реактивности при изменении температуры теплоносителя в активной зоне реактора. Изменение температуры теплоносителя происходит при изменении давления генерируемого пара в парогенераторе вследствие изменения расхода пара на турбину (см. Патент RU №2291503). Недостатком является то, что данный вариант не удовлетворяет требованиям по скорости изменения мощности энергоблока вследствие присущего конструкции ВВЭР транспортного запаздывания теплоносителя первого контура и, как следствие, приводит к низким маневренным характеристикам реакторных установок.

Техническая проблема - неучастие АЭС в регулировании частоты тока в сети по причине низких маневренных характеристик активных зон ядерных реакторов.

Решение проблемы достигается использованием системы автоматического регулирования частоты тока в сети с участием атомной электростанции с реактором типа ВВЭР, функционально связанной с парогенератором и турбиной, отличающейся тем, что содержит регулирующий клапан, размещенный на одном из отборов пара турбины к регенеративному подогревателю и изменяющий величину расхода пара отбора и тем самым мощность турбины по сигналу требуемого ее изменения, и регулятор температуры питательной воды с датчиком температуры на входе в парогенератор и регулирующим клапаном, размещенным на трубопроводе греющей среды и изменяющий ее расход по сигналу отклонения температуры питательной воды от значения, заданного ее задатчиком.

Увеличение доли АЭС в общем производстве электроэнергии и большой износ оборудования ТЭС, привлекаемых к работе в переменных режимах работы, ставит вопрос о привлечении АЭС к регулированию мощности и частоты тока электросети. В настоящее время АЭС работают в основном в стационарном базовом режиме.

Наличие регулятора изменения мощности турбины и регулятора температуры питательной воды предлагаемых конструкций позволяет исключить участие низкоманевренной реакторной установки и обеспечить участие энергоблока АЭС в регулировании частоты тока сети только за счет работы второго контура с системой аккумулирования тепловой энергии. Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить участие энергоблока АЭС с системой аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) в регулировании частоты тока сети без изменения мощности реакторной установки.

На фигуре 1 представлена функциональная схема системы.

На фигуре 2 представлены графики изменения основных параметров турбины в режиме регулирования частоты тока при мощности энергоблока 115% N_НОМ в режиме разрядки САТЭ.

Функциональная схема предлагаемой системы автоматического регулирования частоты тока сети состоит из следующих элементов:

1- турбина;

2 - групповой регулятор частоты тока в сети;

3 - ПИ-регулятор изменения мощности турбины;

4 - регулирующий клапан мощности турбины;

5 - регенеративный подогреватель низкого давления;

6 - система аккумулирования тепловой энергии;

7 - задатчик температуры питательной воды;

8 - сумматор заданной и текущей температуры питательной воды;

9 - ПИ-регулятор температуры питательной воды;

10 - парогенератор;

11 - деаэратор;

12 - датчик температуры питательной воды;

13 - регулирующий клапан температуры питательной воды;

14 - масляный теплообменник;

15 - стопорно-регулирующий клапан турбины;

16 - текущая мощность турбогенератора, где элементы под номерами:

(3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 16) - являются элементами системы автоматического изменения мощности турбины при регулировании частоты тока сети в режиме разрядки;

(1, 2, 5, 6, 10, 11, 14, 15) - являются элементами рассматриваемого энергоблока АЭС.

Действие системы осуществляется следующим образом.

Изменение нагрузки сети приводит к изменению частоты тока в энергосистеме. Групповой регулятор сети (2) распределяет требуемые изменения мощности между всеми энергоблоками, участвующими в первичном регулировании частоты тока в энергосистеме, в соответствии с их номинальными мощностями и статическими характеристиками турбин «частота-мощность». Сигнал требуемого изменения мощности (ΔN) для рассматриваемого энергоблока АЭС (далее энергоблока) в режиме разрядки САТЭ (6) подается на ПИ-регулятор изменения мощности турбины (3), изменяющий положение штока регулирующего клапана (4), расположенного на регенеративном отборе пара турбины (1) к выбранному регенеративному подогревателю низкого давления (5). Это приводит к изменению расхода пара в отборе и, соответственно, изменению расхода пара через проточную часть турбины (1), что ведет к изменению мощности турбины (1).Тем самым обеспечивается участие энергоблока в регулировании частоты тока в сети с широким диапазоном значений мощности и требуемой нормативными документами скоростью ее изменения.

В свою очередь изменение расхода пара на регенеративный подогреватель низкого давления (5) приводит к изменению температуры основного конденсата на выходе из него (на входе в деаэратор (11), в котором поддерживается постоянное давление пара). В сумматор заданной и текущей температуры питательной воды (8) подаются значения текущей температуры питательной воды на входе в парогенератор (10) от датчика температуры питательной воды (12) и заданной (номинальной) температуры от задатчика температуры питательной воды (7). Сигнал рассогласования (ΔT) от сумматора (8) подается на ПИ-регулятор температуры питательной воды (9), изменяющий положение штока регулирующего клапана (13) на масляном трубопроводе САТЭ (6), что влечет за собой изменение расхода греющего масла через теплообменник (14) САТЭ (6).Это приводит к изменению температуры питательной воды на выходе из масляного теплообменника (14) (на входе в парогенератор (10)) до номинального значения.

Изменение мощности реактора в связи с температурным эффектом реактивности исключается путем поддержания постоянных значений расхода и давления пара перед турбиной (1). Поддержание постоянного значения давления пара в парогенераторе (10) обеспечивается поддержанием постоянной температуры питательной воды на входе в парогенератор (10) за счет использования аккумулированной тепловой энергии САТЭ (6). Постоянное значение расхода пара в турбину обеспечивает стопорно-регулирующий клапан (15) турбины (1).

Работоспособность предлагаемой системы автоматического изменения мощности турбины при участии энергоблока АЭС в регулировании частоты тока в сети подтверждена расчетами по созданной математической модели динамики паротурбиной установки в режиме разрядки САТЭ, приведенными в статье "Исследование работы АЭС с аккумуляторами тепловой энергии при регулировании мощности турбины в режиме разрядки"// В.В. Бажанов, И.И. Лощаков, А.П. Щуклинов // НТВСПбГПУ: сб. статей. - СПб., 2015. - №4(231). - С.47-58.

На фигуре 2 представлены в качестве примера результаты расчета изменения мощности турбины при регулировании частоты тока сети для начальной мощности турбины 11 5%Nhom, где Nтек - текущая мощность турбины, МВт, Nceти - мощность сети, МВт, w - частота вращения ротора турбины, рад/с, G4отб - расход пара через 4 регенеративный отбор, кг/с. Изменение мощности турбины (как для АЭС, так и для ТЭС) при регулировании частоты тока в любую сторону независимо от величины этого изменения должно по нормативным требованиям (см. ГОСТ 55890-2013 Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования. - М.: Стандартинформ, 2014. - С.42) производиться не более чем за 30 с, причем 50% изменения этой мощности должно производиться за первые 15 с. В качестве возмущения в проведенном расчете принималось скачкообразное изменение частоты тока в сети на величину±0,05 Гц (на графиках представлена эквивалентная частота вращения ротора турбины w [рад/с]). Как следует из представленных графиков, предлагаемая система полностью обеспечивает изменение мощности турбины с требуемой по нормативам скоростью при постоянной мощности реактора во всем диапазоне разрядки САТЭ.

Совокупность регуляторов и их связь с основным оборудованием энергоблока АЭС с САТЭ дают возможность участия АЭС в регулировании частоты тока сети без задействования низкоманевренных реакторных установок.