Разработка комплекса управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР с использованием системы аккумулирования тепловой энергии Щуклинов Алексей Павлович

Введение к работе

Актуальность диссертационного исследования. В связи с увеличением доли АЭС в общей выработке электроэнергии и большим износом оборудования ТЭС возникает острая необходимость привлечения АЭС к работе в диспетчерском графике нагрузок и к участию в регулировании частоты тока в сети. В настоящее время по Постановлению Правительства РФ №1172 от 27 декабря 2010 г. всё генерирующее оборудование (кроме АЭС с реакторами БН и РБМК) должно участвовать в общем первичном регулировании частоты тока в сети.

На сегодняшний день АЭС работают преимущественно в базовой части графика нагрузок. Это связано с более высокой (по сравнению с ТЭС) капитальной составляющей стоимости генерируемой на АЭС электроэнергии и низкими маневренными характеристиками активных зон ядерных реакторов.

Выполненные АО «ВНИИАЭС», ОАО «НПО ЦКТИ» и другими организациями исследования показывают эффективность использования на АЭС с ВВЭР системы аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) при участии энергоблока в диспетчерском графике нагрузок. Применение САТЭ позволяет изменять мощность турбоустановки, не меняя мощности реактора.

В основе проводимых как в России, в основном НИЦ «Курчатовский институт», так и за рубежом исследований возможности привлечения блоков АЭС к участию в регулировании частоты тока сети лежит способ изменения мощности реактора типа ВВЭР за счет температурного эффекта реактивности с участием и без участия регулирующих стержней. Следует отметить, что способ регулирования только за счет температурного эффекта реактивности из-за транспортного запаздывания теплоносителя в главном циркуляционном контуре является инерционным, а частые изменения мощности за счет перемещения стержней влияют на ресурс топлива. Отличительной чертой данного направления является малый диапазон изменения мощности энергоблока АЭС, скорость изменения мощности и количество ее изменений, существенно превышающие аналогичные изменения в диспетчерском графике нагрузок.

Использование на АЭС САТЭ открывает широкие возможности в плане участия АЭС в регулировании частоты тока сети, позволяющие при этом избежать вопросов инерционности теплоносителя и ресурса топлива.

Степень разработанности проблемы. Известна эффективность применения САТЭ на АЭС для работы в диспетчерском графике нагрузок, однако исследований участия АЭС с САТЭ в режиме регулирования частоты тока сети не проводилось.

Цель и задачи исследования. Целью данного исследования является разработка комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ для участия энергоблока в регулировании частоты тока сети без изменения мощности реакторной установки и обоснование соответствия ее характеристик требованиям нормативной документации по регулированию частоты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплексную систему изменения мощности энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ при изменении частоты тока сети без привлечения реакторной установки;

2. Разработать математические модели, алгоритмы работы и методики расчета элементов второго контура энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ;

3. Разработать математическую модель динамики комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР в режимах зарядки и разрядки САТЭ и на ее основе компьютерную программу для численных исследований режимов работы системы; верифицировать программу на известных динамических моделях элементов системы; рассчитать и проанализировать статические характеристики энергоблока АЭС с ВВЭР в режимах зарядки и разрядки САТЭ;

4. На основе численного моделирования обосновать возможность участия энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ без изменения мощности реакторной установки в регулировании частоты тока сети в соответствии с требованиями нормативных документов;

5. Разработать рекомендации по использованию результатов исследований.
В качестве объекта исследования выбран энергоблок проекта «АЭС-2006» с

ВВЭР-1200 с САТЭ.

Предметом исследования являются теплогидравлические процессы, методы и системы изменения мощности энергоблока АЭС с САТЭ.

Методы исследования: математическое моделирование и численный эксперимент. В основу математических моделей положены уравнения сохранения энергии и массы, уравнения состояния теплообменивающихся сред и законы регулирования.

Полученные результаты, обладающие научной новизной:

5. Разработана и обоснована на основе численного моделирования комплексная система управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ без изменения мощности реакторной установки при изменении частоты тока сети;

6. Разработаны математические модели, алгоритмы работы и методики расчета элементов и систем автоматического регулирования второго контура энергоблока АЭС с ВВЭР с САТЭ;

3. Разработана и верифицирована математическая модель динамики
комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР в режимах
зарядки и разрядки САТЭ, и на этой основе создана компьютерная программа,
позволяющая численно исследовать работу системы в широком диапазоне изменения
выходной мощности энергоблока при изменении частоты тока сети.

Теоретическая значимость работы заключается в возможности использования предложенных математических моделей для численного исследования систем управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ, включая отдельные

системы автоматического регулирования основных параметров оборудования второго контура энергоблока АЭС.

Практическая значимость исследования заключается в создании

комплексной системы управления мощности энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ, которая при изменении частоты тока сети позволяет в соответствии с требованиями нормативных документов изменять выходную мощность энергоблока без изменения мощности реакторной установки, что повышает надежность и маневренность энергоблока.

На основе разработанных рекомендаций применение предложенной системы при изменении частоты тока сети позволяет расширить диапазон изменения выходной мощности энергоблока АЭС, приблизив к диапазону энергоблоков ТЭС, что повышает устойчивость работы энергосистемы.

Предложенный метод управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ можно использовать как на действующих АЭС (в рамках модернизации), так и в перспективных проектах АЭС.

Достоверность результатов исследования подтверждается верификацией
разработанных математических моделей динамики элементов и систем

автоматического регулирования путем сопоставления результатов расчетных
исследований статических режимов и известных динамических моделей отдельного
оборудования и систем автоматического регулирования второго контура энергоблока
АЭС. Работоспособность разработанных систем автоматического регулирования и
достоверность настроек регуляторов подтверждается удовлетворительным

согласованием результатов расчетных оценок с показателями типовых регуляторов и их настройками.

Основные положения, выносимые на защиту:

7. Комплексная система изменения мощности энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ без изменения мощности реакторной установки при изменении частоты тока сети;

8. Математические модели, алгоритмы работы и методики расчета элементов и систем автоматического регулирования второго контура энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ;

9. Математическая модель динамики комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР в режимах зарядки и разрядки САТЭ, и созданная на этой основе компьютерная программа, позволяющая численно исследовать работу системы в широком диапазоне изменения мощности;

10. Результаты расчетных оценок, верификации математических моделей и численных исследований;

11. Рекомендации по использованию комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, планировании и организации основных этапов работы. Диссертанту принадлежат: разработка математических моделей, алгоритмов работы и методик расчета элементов

и систем автоматического регулирования второго контура энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ, математической модели динамики комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР в режимах зарядки и разрядки САТЭ; создание и верификация компьютерной программы. Расчетные оценки и численное моделирование, анализ и обобщение полученных результатов, разработка рекомендаций по использованию результатов работы выполнены совместно с сотрудниками ФГАОУ ВО СПбПУ, что отражено в публикациях. Разработка комплексной системы управления мощностью энергоблока АЭС с ВВЭР и САТЭ выполнена совместно с сотрудниками ОАО «НПО ЦКТИ», чье участие отмечено в тексте диссертации. Соавтор в заявке на патент на изобретение «Система автоматического регулирования частоты тока в сети с участием АЭС».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на IV, V, VI и VII научно-технической конференции молодых ученых и
специалистов атомной отрасли – «КОМАНДА-2012», «КОМАНДА-2013»,

«КОМАНДА-2015» и «КОМАНДА-2017» (Санкт-Петербург, 2012, 2013, 2015 и 2017); Всероссийской конференции с международным участием «Современные методы обеспечения эффективности и надежности в энергетике» (Санкт-Петербург, 2012), VIII и IX Международной научно-практической конференции «Безопасность ядерной энергетики» (г. Волгодонск, 2012 и 2013); 63 Международной конференции «ЯДРО 2013» – «Фундаментальные проблемы ядерной физики и атомной энергетики» (Москва, 2013); Европейском молодежном ядерном форуме (Великобритания, г. Манчестер, 2017); XXXIX и XLV научно-практической конференции с международным участием «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010 и 2016).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 13 работ, в том числе три статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 90 источник, и пяти приложений. Работа изложена на 140 страницах основного текста, содержит 23 рисунка и 16 таблиц. Общий объем диссертации – 167 с.

1 ГЛАВА – Обзор литературы; 2 ГЛАВА – Постановка задачи; 3 ГЛАВА –
Определение основных параметров исследуемого варианта САТЭ; 4 ГЛАВА –
Разработка методики расчета элементов энергоблока, участвующих в режиме зарядки
САТЭ; 5 ГЛАВА – Разработка методики расчета элементов энергоблока,

участвующих в режиме разрядки САТЭ; 6 ГЛАВА – Обоснование возможности участия АЭС с САТЭ в регулировании частоты тока сети; Приложения А-В– Теплогидравлические расчеты ТЗ, ТРВД и ТРНД, соответственно; Приложение Г – Теплофизические свойства ТЛВ-330; Приложение Д – Описание программы расчета динамики энергоблока с САТЭ при регулировании частоты тока сети.