Система автоматического управления Митенков Ф.М., Чирков В.А

где - расход воды между реактором и компенсатором объема; - эффективное (среднее) теплосодержание воды в I контуре;

- давление в компенсаторе объема; - гидравлическое сопротивление участка КО - реактор, отнесенное к сечению ;

- символ, определяющий направление расхода в зависимости от знака перепада давления .

Рис. 10.1. Схема реактора с газовым объемом.

Рис. 10.2. Схема компенсации объема с вынесенным газовым объемом.

140

Для решения данной системы необходимо использовать ЭВМ. Необходимость выделения всего или части газового объема в самостоя-

тельный корпус встречается в большинстве интересных случаев. При такой схеме компенсации необходим тщательный анализ не только статических, но и всех динамических режимов, чтобы правильно выбрать проходное сечение коммуникаций, соединяющих эти объемы. Без этого становится реальной опасность недопустимо больших отклонений давления в ту или иную сторону в переходных режимах.

Схема компенсации с вынесенным газовым объемом принята для установки атомного ледокола "Ленин" (см. рис. 10.2.).

При ее использовании удается обходиться без каких-либо управляющих (регулирующих) воздействий во всем рабочем диапазоне мощностей (включая установившиеся и переходные режимы). Только в режимах разогрева, т. е. в режимах вывода установки на рабочие параметры, могут потребоваться простейшие управляющие воздействия (типа подключения или отключения отдельных групп газовых баллонов), которые обычно обеспечиваются дистанционно с пульта оператора.

Паровая система компенсации. Известны два вида паровой компенсации: с электронагревом и с ядерным нагревом.

Рассмотрим схему с электронагревом (рис. 10.3). В специальном объеме (компенсаторе объема), оборудованном электронагревателем, залитая вода доводится до кипения так, что над ее уровнем образуется насыщенное паровое пространство (объем которого выбирается с учетом объема I контура в целом). При изменении температурного состояния теплоносителя в реакторе количество воды в компенсаторе либо увеличивается (вытеснением из контура при увеличении средней температуры в нем), либо уменьшается (вытекая яз компенсатора при уменьшении средней температуры в контуре)

Впервом случае насыщенный пар частично конденсируется при сжатии. Если необходимо, конденсация форсируется впрыском в паровой объем охлаждающей воды. Во втором случае при увеличении мощности электронагревателей обеспечивается дополнительное вскипание (испарение) находящейся на линии насыщения жидкости в компенсаторе.

С точки зрения управления необходимо согласовать управляющие воздействия (включение охлаждения, изменение мощности электронагревателя) с сигналами отклонения давления от заданного.

Вслучае паровой системы компенсации с электронагревом конструктивно важно правильно выбрать проходное сечение коммуникаций, соединяющих реактор с компенсатором объема, чтобы исключить недопустимые отклонения (перерегулирование) давления в переходных режимах. В случае ядерной паровой системы компенсации пар образуется в каналах активной зоны (во всех или специальных). Вместо душирующего устройства предусматривается специальный

141

конденсатор с теми же функциями.

С точки зрения управляющих воздействий в отличие от предыдущего вместо воздействия на мощность электронагревателя необходимо производить воздействие на мощность реактора и конденсатора. При этом воздействие на мощность реактора производится в том случае, если воздействие на конденсатор было недостаточно (рис. 10.4). Закладываемый алгоритм управления должен учитывать двойное воздействие на реактивность реактора: по сигналу рассогласования мощности и сигналу рассогласования давления.

Рис. 10.3. Паровая система компенсации с электронагревом.

Рис. 10.4. Паровая система компенсации с ядерным нагревом.

В принципе возможна и другая схема, при которой воздействие производится на величину расхода теплоносителя через активную зону (или только специальные каналы). Для этого предусматривается переменная (регулируемая) циркуляция в контуре или отдельных (кипящих) каналах.

142

ГЛАВА XI

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ (ПГ)

Для обеспечения стабильной работы реактора и ППУ в целом, а также планового изменения режима ее работы регулирующего воздействия на реактор оказывается недостаточно. Необходимо воздействовать на условия теплообмена в парогенераторах (в двух-, трехконтурных ЯЭУ). Следовательно, в общем случае в ППУ имеется два регулятора: автоматический регулятор реактора и автоматический регулятор теплообмена в ПГ.

§11-1. Особенности теплообмена в ПГ различных типов.

Теплообмен в парогенераторе любого типа независимо от конструктивной схемы в установившихся режимах можно приближенно описать соотношением

где - количество тепла, передаваемое в единицу времени от теплоносителя I контура к теплоносителю II (в установившихся режимах практически совпадает

степловой мощностью реактора;

-эффективный коэффициент теплопередачи;

-поверхность теплообмена;

,- соответственно некоторые средние эффективные температуры в парогенераторе теплоносителей I и II контуров.

Таким образом, изменение достигается при изменении любого параметра или их совокупного варьирования.

Для разных типов используемых парогенераторов характер и интервалы варьирования , , , при одинаковых изменениях мощности будут различны. Поэтому используемые парогенераторы можно разделить на два вида: прямоточные и с многократной циркуляцией по II контуру (или с постоянным уровнем).

В прямоточных ПГ (рис. 11.1) поверхность теплообмена перераспределяется в широких пределах между экономайзерной, испарительной и перегревательной частями в зависимости от мощности. Коэффициенты теплопередачи каждого из этих участков существенно различны. Например, для одного из эксплуатирующихся прямоточных парогенераторов соотношение коэффициентов теплопередачи экономайзерного, испарительного и перегревательного участков равно

на номинальном режиме

143

на 10%-ном по паропроизводительности

Рис. 11.1. Схема прямоточного ПГ.

Поэтому приведенный коэффициент теплопередачи в прямоточном ПГ может изменяться в широких пределах. Для ПГ в диапазоне паропроизводительности от 100 до 10% эффективный коэффициент теплопередачи изменяется от

до .

Таким образом, в прямоточном ПГ поверхность теплообмена всегда остается постоянной и изменение передаваемой мощности обеспечивается изменением эффективного коэффициента теплопередачи и температурного перепада

.

В ПГ с многократной циркуляцией коэффициент теплопередачи практически остается неизменным в разных режимах работы или изменяется незначительно, как и поверхность теплопередачи. А изменение передаваемой мощности в этих парогенераторах осуществляется при соответствующем изменении перепада температур .

Зависимость теплотехнических параметров I и II контуров от мощности определяется многими причинами: назначением ЯЭУ, схемными и конструктивными особенностями, технико-экономическими соображениями и т. д.

Наряду с этим она определяется и типом используемых ПГ. В частности, для ПГ с МПЦ предпочтительнее использовать переменную циркуляцию по I контуру и повышение средней температуры теплоносителя в I контуре с ростом мощности. На рис. 11.2, 11.3 приведены характерные зависимости температур теплоносителя I контура, температуры и давления пара II контура от мощности.

Рис. 11.2. Возможные зависимости температур I контура от мощности.

144

Рис. 11.3. Возможности зависимости температуры и давления пара II контура от мощности.

§11-2. Регулирование теплообмена в ПГ прямоточного типа.

В качестве регулируемых параметров в ПГ выступают паропроизводительность, давление и температура пара. ЯЭУ различных типов проектируются из условия выработки

—сухого насыщенного пара (характерно для ВВЭР);

—слабо перегретого пара (характерно для ВВЭР);

—перегретого пара (характерно для БН, ВГГР).

При проектировании требуемый перегрев пара обеспечивается выбором соответствующей величины поверхности перегревателя, расхода и температуры греющей среды. При этом производится учет не только всех установившихся режимов, но и лимитирующих нестационарных (переходных) режимов с целью исключения забросов влаги или влажного пара в перегреватель (если конструкция перегревателя не допускает этого) и недопустимого провала температуры пара.

При правильно выбранных параметрах теплоносителя I контура и конструктивных параметрах ПГ оперативного вмешательства во всех нормальных ситуациях для поддержания температуры перегрева пара не требуется. Возможность такого решения обусловлена тем, что допускается завышение температуры пара по сравнению с проектной и не требуется оперативного вмешательства. Если это завышение чрезмерно, то оно устраняется еще на стадии пусконаладочных испытаний соответствующим снижением заданной температуры теплоносителя I контура на входе в парогенератор.

Вдальнейшем будем считать, что регулируемыми параметрами в ПГ являются паропроизводительность и давление пара. Входными параметрами, через которые оказывается воздействие на теплообмен в парогенераторе, со стороны I контура, являются расход теплоносителя I контура и температура его на входе в ПГ, а со стороны II контура - расход и давление питательной воды.

Впрямоточных ПГ паропроизводительность практически совпадает с расходом питательной воды во всех режимах, в том числе и переходных с точностью до перераспределения водосодержания зон (экономайзерной, испарительной, перегревательной). Поэтому для прямоточных ПГ в качестве регулируемых параметров необходимо рассматривать расход питательной воды и давление пара.

Регулирование расхода питательной воды. Достигается с помощью

145

специального питательного клапана, конструкция которого выполнена так, что обеспечивается линейная характеристика между величиной открытия заслонки и расходом воды при заданном перепаде давления на питательном клапане (рис.

11.4).

Рис. 11.4. Схема управления питательным клапаном (ПК) в случае прямоточного парогенератора.

Регулирование давления пара. В прямоточных парогенераторах регулирование давления пара обеспечивается маневровым устройством, которое при изменении проходного сечения на входе в турбину и степени открытия дрос- сельно-увлажнительного устройства поддерживает необходимое давление пара (рис. 11.5). На случай недопустимого повышения давления иногда предусматривают предохранительный клапан.

Рис. 11.5. Схема регулирования давления.

Регулирование температуры I контура на входе в ПГ. Регулирование температуры пара достигается без непосредственных воздействий, по отклонению его температуры. При этом обеспечивается необходимый расход теплоносителя I контура и температура на входе в ПГ.

В связи с этим поддержание мощности реактора производится по результатам измерения плотности нейтронов с соответствующей коррекцией тока ИК по той или иной температуре теплоносителя I контура . Следовательно, при таком регулировании любые отклонения по температуре пара не приведут к каким-либо изменениям мощности реактора до тех пор, пока

146

соответствуют заданной мощности реактора.

Только при отклонении от заданной для данной произойдет соответствующее изменение фактической мощности через систему коррекции тока ИК. Во всех нормальных эксплуатационных режимах такие отклонения исключаются, но возможны некоторые аварийные ситуации, связанные с неполадками в оборудовании.

Выбор числа питательных клапанов. Возможны две схемы: с авто-

номным и общим ПК при параллельно включенных парогенераторах (рис. 11.6). Обе схемы в принципе работоспособны. Однако для простоты эксплуа-

тации обслуживания и экономических характеристик первая является неоптимальной. Кроме того, существует взаимное влияние питательных клапанов.

Вторая схема лишена этих недостатков, однако она предполагает достаточную идентичность гидравлических характеристик ПГ, чтобы исключить недопустимую неравномерность распределения расхода питательной воды между ними. Практически необходимо дополнительное шайбование, поскольку при серийном производстве неидентичность гидравлических характеристик ПГ может быть значительной.

Рис. 11.6. Схема выбора числа ПК при параллельно включенных парогенераторах:

а - каждый ПГ ЯЭУ имеет свой питательный клапан; б - питательный клапан один на все ПГ.

§11-3. Регулирование расхода теплообмена в ПГ с МПЦ (ПГ с постоянным уровнем).

В качестве регулируемых параметров в ПГ с МПЦ выступают уровень теплоносителя в сепараторе, давление пара и его температура.

Рассмотрим блок-схему контура циркуляции ПГ с МПЦ (рис. 11.7). Из нее видно, что уровень воды в сепараторе должен оставаться постоянным, если весовой расход пара (паропроизводительность) будет равен расходу питательной

147

ветствующему изменению уровня. Для сохранения уровня необходимо соответствующее изменение расхода питательной воды. Но изменение паропроизводительности предполагает изменение мощности реактора. Например, при увеличении мощности реактора (сопровождаемое увеличением расхода и температуры на входе из реактора) увеличивается паросодержание на выходе из испарителя и соответственно паропроизводительность на выходе сепаратора. В результате уровень в сепараторе понижается. На основании этого можно построить простую схему регулирования паропроизводительности для ПГ с МПЦ, которая сводится к поддержанию уровня (рис. 11.8).

Рис. 11.7. Схема циркуляции II контура в случае ПГ с МПЦ.

Рис. 11.8. Схема регулирования в сепараторе ПГ с МПЦ.

Регулирование (поддержание) температуры пара при данной мощности обеспечивается выбором и поддержанием статической зависимости температуры

гревателя дополнительных регулирующих воздействий с целью обеспечения как в статических, так и в динамических режимах не требуется.

Возможны две схемы подвода тепла к перегревателю со стороны I контура: а - на перегреватель подается только часть расхода температуры I контура;

148

б - весь расход (рис. 11.9). Однако на схеме управления эти различия не проявляются.

Поддержание давления пара обеспечивается маневровым устройством турбины (МУ) аналогично варианту с прямоточным ПГ (см. рис. 11.4).

Алгоритм изменения режима работы в ППУ с прямоточным ПГ и МПЦ. В прямоточном ПГ плановое изменение режима предусматривает одновременное задание мощности реактора и соответствующий расход питательной воды (положение питательного клапана), а также мощность турбины. Окончательное согласование производится за счет мощности реактора по сигналу рассогласования фактической и заданной температур теплоносителя I контура.

В ПГ с МПЦ достаточно изменить мощность реактора в соответствии с новым режимом работы турбины. Вследствие этого изменяется температура и расход теплоносителя I контура. В результате изменяется паросодержание на выходе из испарителя и соответственно изменится уровень в сепараторе, автоматически приводящий к необходимому изменению расхода питательной воды. Поэтому в случае с МПЦ питательный клапан должен быть на каждом ПГ.

Рис. 11.9. Схемы подвода тепла к перегревателю в ПГ с МПЦ:

а - подается часть расхода температуры I контура; б - подается весь расход.

Режим саморегулирования. Наличие отрицательных обратных связей в реакторе дает возможность реализовать режим работы реактора в нормальных рабочих режимах без вмешательства органов управления реактора, так называемый режим саморегулирования. Преимущества его очевидны, если качество поддержания управляемых параметров и характеристики маневрирования сохраняются. Для реализации саморегулирования соблюдаются следующие условия:

— температурный коэффициент реактивности в рабочем диапазоне

149