Статические характеристики блоков РБМК.

Для блоков с реакторами типа РБМК используется статическая характеристика с поддержанием постоянного давления пара в баках-сепараторах. Это обусловлено тем, что быстрые отклонения давления при наличии положительного парового коэффициента реактивности могут влиять на безопасность и во всяком случае создают серьезные проблемы регулирования нейтронной мощности, усугубляющиеся к тому же склонностью реакторов этого типа к нестабильности пространственного распределения энерговыделения.

Для кипящего реактора, каким является РБМК, характеристика Р = const обеспечивает постоянство температуры пароводяной смеси на выходе из активной зоны (284,5°С при р ≈ 7 МПА).

Отсепарированная вода на выходе из барабанов – сепараторов смешивается с подаваемой в них питательной водой (температура 165°С) и поступает во всасывающий коллектор ГЦН. Температура после смещения (270°С) и геодезический подпор обеспечивают необходимый запас до кавитации.

При мощности выше 10-12% от номинальной подача каждого работающего ГЦН постоянна и равна 8000 м³/ч, при этом на мощности выше 60% в работе должны находится не менее трех ГЦН в каждой половине контура КМПЦ, а до 50-60% могут работать и два ГЦН. Поэтому температура воды, подаваемой во всасывающий коллектор, зависит от мощности (паропроизводительности) реакторной установки. Со снижением паропроизводительности температура несколько возрастает за счет менюящегося соотношения количеств воды, забираемой из барабанов-сепараторов с температурой 284°С и питательной воды с температурой 165°С. При снижении мощности до 10-20% расход по контуру КМПЦ регулируется дроссельно-регулирующими клапанами таким образом, что уровень температуры на всасе ГЦН обеспечивает необходимый запас до кавитации. В пределе при отсуствии мощности необходимый запас до кавитации обеспечивается за счет геодезического подпора (~23м) при условии снижения расхода теплоносителя через каждый ГЦН до 6000-7000 м³/час.

Как и в случае блоков ВВЭР, применение программы регулирования блока с реактором РБМК со скользящим давлением пара повышает тепловую экономичность турбоустановки при частичных нагрузках. Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным на Ленинградской АЭС, при применении скользящего давления удельный расход тепла снижается на величину до 1,5%, а с учетом отключения второй ступени СПП – до 3,5%. Но по указанным выше причинам такая статическая характеристика не используется.

Для реакторов типа ВВЭР могут использоваться следующие виды статических характеристик регулирования:

1) с постоянной средней температурой теплоносителя в I кон­туре;

2) с постоянным давлением в парогенераторе (во 2 контуре);

3) компромиссная - с умеренным изменением средней температуры теплоносителя и давления во II контуре;

4) комбинированная - с поддержанием постоянного давления при малых нагрузках и постоянной средней температуры теплоноси­теля при больших;

5) со скользящими параметрами пара II контура (понижающи­мися при понижении мощности блока) и неизменным положением ре­гулирующих клапанов турбин.

Ниже все эти характеристики рассматриваются для случая примене­ния на блоке барабанных парогенераторов насыщенного пара.

Для первых блоков ВВЭР была принята характеристика Т_ср = const: она дает наиболее благоприятные режим­ные условия для реактора и I контура, т.е. тех элементов, кото­рые являлись принципиально новыми, подлежащими практической проверке и отработке. Характеристика обладает сле­дующими достоинствами:

Во-первых, в максимальной степени используется свойство саморегулируемости реактора, уменьшается необходимость использования регулятора нейтронной мощности и снижаются требо­вания к его эффективности. Саморегулирование мощности определя­ется отрицательным температурным эффектом реактивности, кото­рый способен компенсировать возмущения мощности без вмешатель­ства органов регулирования. Для пояснения рассмотрим сначала протекание процессов в реакторе после возмущения по нагрузке без учета влияния мощностного эффекта реактивности. С увеличе­нием нагрузки турбогенераторов при неизменной мощности реактора расход пара на турбины увеличивается, а давление пара в паро­генераторах соответственно уменьшается. Снижение давления пара и, следовательно, температуры насыщения увеличивает температур­ный напор в парогенераторах, т.е. отвод тепла от 1-го контура. Это в свою очередь снижает среднюю температуру теплоносителя в активной зоне. Высвобождаемая при снижении температуры реак­тивность вызывает увеличение мощности реактора. После окон­чания переходного процесса средняя температура теплоносителя в активной зоне возвращается к первоначальному значению, а мощ­ность реактора приводится в соответствие с повышенным отбором тепла из парогенераторов. Процесс саморегулирования носит ха­рактер затухающих колебаний, амплитуда и период которых зависят от масштаба изменения нагрузки и величины отрицательного темпе­ратурного эффекта.

Отрицательный мощностной эффект реактивности, проявляющий­ся при повышении мощности, до некоторой степени компенсирует влияние температурного эффекта, поэтому фактически стабилизация параметров реакторной установки за счет саморегулирования проис­ходит при средней температуре теплоносителя меньшей, чем до пе­реходного процесса и при мощности, соответствующей количеству тепла, отбираемого из парогенераторов. Таким образом, необходи­мая эффективность стержней-регуляторов определяется разностью температурного и мощностного эффектов реактивности.

Во-вторых, преимуществом статической характеристики Т_ср = const является то, что при ней обеспечиваются наиболее стабильные температурные условия для оборудования первого кон­тура. Действительно, при подогреве воды в реакторе I блока НВ АЭС 19,1°С, максимальное изменение температуры составляет меньше 10°С. При использовании характеристики P_II = const, эта величина возросла бы до 35°С.

В-третьих, поскольку объем теплоносителя в I контуре почти постоянен, облегчаются требования к системе компенсации объема и поддержания рабочего давления в I контуре, сами компенсаторы могут быть выполнены меньшего объема.

Недостатком характеристики Т_ср = const является то, что при уменьшении нагрузки возрастает давление пара. Для I блока НВ АЭС при снижении нагрузки со 100% до 0 рост составляет 1,6 МПа (с 3,2 до 4,8 МПа). Это заставляет изготавливать паро­генераторы на давление существенно превышающее номинальное и равное давлению насыщения при средней температуре в I контуре.

При этом термический КПД цикла остается низким на всех уровнях мощности, так как на номинальной мощности давление пара, посту­пающего на турбину, ниже допустимого по условиям работы второго контура, а на пониженной мощности, когда давление пара в паро­генераторах возрастает, КПД низок из-за значительного перепада давления на регулирующих клапанах турбин. Большой перепад, кроме того, увеличивает износ клапанов.

На дальнейшую трансформацию программы регулирования блоков с реакторами ВВЭР решающее влияние оказала возможность создания парогенераторов увеличенной паропроизводительности на повышенное давление пара. При разработке такого парогенератора возникли трудности увеличения расчетного давления, необходимого при ре­гулировании по средней температуре. В последующем на блоках ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 поэтому была принята характеристика с постоянным давлением пара во втором контуре. Недостат­ки и достоинства этого решения в принципе обратны тем, которые имеют место при Т_ср = const. Использование статической характеристики Р_II = const приводит к существенному изменению температуры на выходе из ре­актора при колебаниях нагрузки (приблизительно в 4 раза больше­му, чем в случае T_ср = const), что ограничивает маневренные воз­можности блока. Требуется большая эффективность стержней регули­рования реактора для компенсации реактивности, высвобождающейся не только из-за мощностного, но и температурного эффектов. Повы­шаются требования к системам регулирования компенсатора объема, так как при изменении нагрузки объем теплоносителя в первом контуре сильно меняется. С другой стороны, при одном и том же расчетном давлении в парогенераторе использование характеристики P_II = const позволяет повысить давление пара в номинальном режиме и, следовательно, термический КПД блока (с 27,6 до приб­лизительно 32%). Поскольку давление и температура во втором контуре постоянны, оборудование этого контура практически не накладывает ограничений на скорость изменения мощности. Система регулирования блока при Р_II = const проще и надежнее, а более быстрое изменение давления пара при изменении нагрузки в сети по сравнению с тем­пературой теплоносителя первого контура положительно сказывается на процессе регулирования.

Для преодоления указанных выше недостатков статических характеристик Т_ср = const и Р_II = const разработаны различные компромиссные варианты, использующиеся на зарубежных АЭС. Например, с рос­том мощности средняя температура растет, но меньше, чем в случае Р_II = const, а давление и температура пара снижается, но тоже меньше, чем в случае T_ср = const. В результате условия работы реактора и I контура получаются более легкими, чем при Р_II = const, а II контура, чем при Т_ср = const. Другим примером является так называемая комбинированная характеристика, при использовании которой на малых мощностях блок работает при Р_II = const, а на больших при Т_cр = const. Преимущество этого типа характеристи­ки заключается в том, что вблизи номинальной мощности, в том диапазоне нагрузок, где они изменяются достаточно часто, реак­тор и первый контур работают в оптимальном для них варианте T_ср = const, Точка перелома характеристики или, говоря други­ми словами, мощность, при которой совершается переход с програм­мы Р_II = const на Т_ср = const и обратно, определяется ожидаемым диапазоном частого изменения нагрузок и допустимым давлением в парогенераторах.

Статическая характеристика с изменяющимся (скользящим) давлением пара, вырабатываемого пароге­нераторами. Вообще говоря, снижение нагрузки и расхода пара через турбину при широко используемом в турбинах АЭС дроссель­ном парораспределении неизбежно сопровождается понижением дав­ления за регулирующими клапанами свежего пара. Идея применения скользящего давления пара заключается в том, чтобы избежать потерь давления на клапанах, держа их полностью открытыми, но понижая давление в парогенераторах. Скользящее давление пара нашло широкое применение как метод регулирования мощных энерго­блоков современных ТЭС. Использование этого метода на АЭС также обеспечивает более высокую по сравнению с другими видами стати­ческих характеристик тепловую экономичность при работе блока на частичных режимах. Выигрыш определяется, во-первых, снижени­ем влажности в ЦВД (как перед соплами первой ступени, так и по всему цилиндру), это дает рост КПД и одновременно уменьшает эрозионный износ лопаток.

Во-вторых, выигрыш связан с увеличением массового расхода пара в ЦВД после сепаратора (меньше влажность - меньше сепарата). В-третьих, с некоторым возрастанием располагаемого теплоперепада в ЦВД. Одновременно снижаются давление и температура пара, поступающего в ЦНД после промежуточного перегрева. Суммарное влияние этих факторов не однозначно и определяется многими ре­жимными и конструктивными параметрами. В частности, понижение температуры промперегрева ведет к увеличению влажности на пос­ледних ступенях ЦВД, т.е. к росту потерь. Наконец, дополнительный выигрыш получается за счет уменьшения затрат энергии на привод питательных насосов. Расчетными и экспериментальными исследованиями показано, что в результате использования сколь­зящего давления повышение тепловой экономичности на нагрузках, например, около 80% для блоков ВВЭР-440 может достигать 0,6 -0,8%, а ВВЭР-1000 2%.

Однако использование скользящих параметров пара приводит к значительным изменениям температуры конструкций оборудования как первого, так и второго контуров (что влияет на возможность быстрого изменения мощности блока), повышенным требованиям к эффективности регуляторов реактивности и системы компенсации объема. Поэтому этот тип характеристики находит ограниченное применение.

Все ВВЭР работают сейчас при Р_II = const для повышения КПД

1) с постоянной средней температурой теплоносителя в 1-ом контуре;

2) с постоянным давлением в парогенераторе (во 2-ом контуре);

3) компромиссная – с умеренным изменением средней температуры теплоносителя и давления во 2-ом контуре;

4) комбинированная – с поддержанием постоянного давления при малых нагрузках и постоянной средней температуры теплоносителя при больших;

5) со скользящими параметрами пара 2-го контура (понижающимися при понижении мощности блока) и неизменным положением регулирующих клапанов турбин.