В энергоблоке, работающем на электрическую сеть, происходит преобразование тепловой энергии, вырабатываемой в ядерном реакторе, в механическую энергию вала турбины и затем в электрическую энергию в генераторе. Основная задача регулирования паросиловой установки -поддержание равенства между количеством производимой и потребляемой энергии. Несоответствие между вырабатываемой энергией в реакторе и потребляемой в турбине проявляется (для двухконтурной АЭС) в изменении давления и температуры теплоносителя в 1-м контуре и давления (температуры) насыщенного пара во 2-м контуре. Указанное несоответствие должно устраняться регулятором мощности реактора (РМР), который оказывает управляющее воздействие либо на реактор, либо на в зависимости от режима работы энергоблока.
Схема преобразования энергии и регулирования энергоблока АЭС
Мощность энергоблока является заданной величиной, при этом она может быть постоянной при работе энергоблока в базовом режиме или переменной при работе в регулирующем режиме
Энергоблоки работают на энергосистему с большим количеством потребителей электроэнергии. Динамические процессы в генераторе практически безынерционны, поэтому электрическая мощность, отдаваемая в энергосистему (за исключением потерь энергии в генераторе), равна механической энергии на роторе турбины. Основная задача регулирования энергосистемы состоит в том, чтобы производить выработку электроэнергии в точном соответствии с непрерывно меняющимся потреблением. По существу единственным источником информации о величине несоответствия выработки электроэнергии ее потреблению является отклонение частоты в энергосистеме от ее номинального значения.
Отклонение частоты от номинального значения (50 Гц) допускается в узких пределах ±0,5 Гц. Даже в аварийных режимах энергосистемы возможна лишь кратковременная работа с частотами: от 51 до 50,5 Гц — 60 с в году, но не более 10 с одноразово; от 49 до 48 Гц — 12 мин в году, но не более 2-х мин одноразово; от 48 до 47 Гц — 6 мин в году, но не более 1 мин одноразово; от 47 до 46 Гц — 60 с в году, но не более 10 с одноразово.
Задачу регулирования частоты и мощности в энергосистеме решают регуляторы частоты и мощности турбины (АСУТ) и регулятор мощности энергосистемы (РМЭ).
Структура системы управления мощностью энергоблока в значительной мере определяется графиком электрической нагрузки энергосистемы и энергоблока. Однако этот график дает усредненное значение нагрузки, в то время как действительное энергопотребление может в определенных пределах изменяться, что требует (как уже указывалось) постоянного регулирования частоты. Для этого необходимы небольшие (до 5 %), но достаточно быстрые (до 10 % в мин) изменения мощности в соответствии с реальным потреблением электроэнергии.
Особенностью работы турбогенератора энергоблока на большую электрическую сеть является то, что скорость вращения турбогенератора определяется частотой сети, иначе говоря, все турбогенераторы энергосистемы вращаются с одной и той же частотой. Турбогенераторы оснащаются регуляторами частоты вращения с пропорциональным законом управления, для которого характерна неравномерность регулирования при изменении нагрузки Таким образом, при неизмененной частоте сети мощность турбины вполне определенная, и для ее изменения необходимо изменять задание регулятору частоты вращения. С этой целью турбины оснащены так называемым механизмом управления турбиной (МУТ).
Из сказанного выше следует, что система автоматического управления мощностью энергоблока (САУМ) должна обязательно включать перечисленные выше регуляторы давления пара, частоты и мощности реактора и турбины. Конкретный вид САУМ определяется типом реактора, турбогенератора, тепловой схемы энергоблока и режимом работы в энергосистеме.
На АЭС наибольшее распространение получили двухконтурные энергоблоки. Для таких энергоблоков важным является характер изменения параметров рабочих сред по контурам (давление, температура, расход) при изменении мощности в статических режимах работы (так называемая программа регулирования). Выбор статической программы регулирования зависит от многих физических, конструктивных, технико-экономических особенностей энергоблока и режима использования его в энергосистеме.
Эта задача существенно усложняется при сложной технологической схеме энергоблока. Выбранная программа регулирования реализуется с помощью системы управления энергоблоком. При этом статическая программа регулирования поддерживается только в стационарных режимах работы энергоблока и лишь приближенно реализуется в многочисленных переходных процессах. Наибольшее распространение получили двухконтурные энергоблоки с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР). Для таких реакторов тепловая мощность, которая снимается однофазным теплоносителем — водой с активной зоны реактора,
N = GCp(tвых -tвх) = GCpΔt,
где G — расход теплоносителя;
Ср — средняя удельная теплоемкость теплоносителя;
tвх, tвых -температура теплоносителя на входе и выходе реактора соответственно.
Для реакторов ВВЭР расход теплоносителя 1-го контура постоянен и не зависит от мощности. Можно также считать, что Cp=const. В этом случае мощность реактора линейно зависит от разности температур теплоносителя, т е. N = kΔt.
При свободно выбранном законе изменения tBX однозначно определяется закон изменения tвых (и наоборот).
При выборе статических программ регулирования учитывают технико-экономические показатели, а также длительность работы энергоблока на сниженных уровнях мощности. Наибольшее распространение получили программы с постоянным давлением пара перед турбиной и постоянной средней температурой теплоносителя в 1-м контуре.
Нормальное функционирование энергоблока требует также поддержания в определенных пределах целого ряда других теплотехнических и физических параметров, что осуществляется соответствующими дополнительными регуляторами (на энергоблоке мощностью 1000 МВт имеется около 120 локальных регуляторов).
При разработке САУМ энергоблока учитывают также необходимость разгрузки энергоблока до определенного уровня при некоторых авариях в технологической схеме установки независимо от требований в энергосистеме (например, при отключении главного циркуляционного насоса или парогенератора одной из петель 1-го контура энергоблока).