Эксплуатация электрических систем - Надежность электроснабжения собственных нужд электростанций

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
8.1. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД — ОСНОВА НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Известно, что технологический процесс на ТЭС связан с работой большого числа механизмов, к которым относятся механизмы, обеспечивающие: подачу топлива в топки, воды в котлы, холодной воды в конденсаторы турбин; смазку и охлаждение подшипников многочисленного оборудования, а также генераторов и др. Весь комплекс оборудования, обеспечивающего технологический процесс, называется собственными нуждами. Рассмотрим основные проблемы, связанные с эксплуатацией собственных нужд ТЭС и АЭС.
Надежность работы электростанций зависит главным образом от надежности работы механизмов собственных нужд. Наиболее экономичный и простой привод для агрегатов собственных нужд — это электродвигатель. Асинхронные электродвигатели выполняют на мощность до 10 МВт. Для более мощных механизмов используется паровой привод, обеспечивающий регулирование частоты вращения в широких пределах. Можно применять и синхронные двигатели, выполнение которых по мощности не ограничено.
Мощность, потребляемая механизмами собственных нужд, зависит от типа электростанций. Наибольшая мощность потребляется на электростанциях, работающих на твердом топливе, что обусловлено его подачей и переработкой. Меньшая мощность требуется для собственных нужд электростанций, работающих на жидком и газообразном топливе.
Надежность работы собственных нужд на ТЭС. Мощность, потребляемая собственными нуждами, достигает 7—8% от мощности, вырабатываемой ТЭС.
Для запуска электростанции нужно обеспечить питание собственных нужд от других источников и только после начала их работы включать котлы и турбины.
Обесточение собственных нужд обычно приводит к остановке работы электростанции, что является крупной аварией. Поэтому основные потребители собственных нужд — самые ответственные потребители ЭЭС по значимости более важные, чем потребители первой категории.
Основным источником питания являются генераторы, к выводам которых в большинстве присоединяются трансформаторы собственных нужд (рис. 8.1). От этих трансформаторов питается РУ собственных нужд, выполненное в виде секционированной системы шин. От этих секций через понижающие трансформаторы питаются секции шин более низких напряжений (380 и 220 В). Распределение механизмов между секциями предусматривается таким образом, чтобы при КЗ на одной секции основное оборудование электростанции могло продолжать функционирование благодаря работе механизмов, питающихся от смежных секций. Для автоматического пуска этих механизмов в случаях, когда они в целях экономии электроэнергии находятся в резерве, используются технологические АВР, например, по признаку снижения давления или другому технологическому параметру.
При ожесточении собственных нужд, питающихся от основного источника, предусматривается их перевод на резервный источник. Резервный трансформатор питается от одного из напряжений, например 110 кВ главного РУ электростанции. Резервная система шин связана с основными секциями шин собственных нужд выключателями, находящимися в нормальном режиме в разомкнутом состоянии. Эти выключатели при исчезновении напряжения автоматически включаются от АВР, обеспечивая питание собственных нужд от резервного трансформатора.
Элементы схемы нужно выбирать исходя из необходимости обеспечения самозапуска основных механизмов собственных нужд для наиболее неблагоприятного варианта схемы, например при питании от резервного трансформатора.
Надежность функционирования собственных нужд в определенной мере обусловлена характеристиками производительности механизмов в функции параметров электроэнергии. Наиболее ответственными механизмами собственных нужд являются насосы.

Рис. 8.1. Схема питания собственных нужд электростанции:
СН — собственные нужды; Тр — трансформатор резервного питания
Относительная производительность насосов в функции частоты равна:
для механизмов, не работающих на противодавление,  для механизмов, работающих на противодавление,

где

Здесь лр — номинальная частота вращения; пкл, η — относительная частота вращения, соответствующая открытию обратного клапана и текущая частота вращения; Л1кл — относительный момент при открытии обратного клапана, зависящий от доли противодавления в общем напоре при известном типе рабочего колеса насоса.
Так, например, для конкретного питательного насоса пКл=0,812 и Мкл = 0,35.

Рис. 8.3. Зависимость мощности двигателя питательных насосов от мощности блока
Показатель степени ρ обычно меньше единицы и для упомянутого питательного насоса /7 = 0,247. В связи с этим характеристика производительности в функции частоты вращения имеет выпуклость вверх.

Рис. 8.2. Характеристики производительности насосов, не работающих на противодавление (ЦН) и работающих на противодавление (ПЭН)
Из рис. 8.2 следует, что при уменьшении частоты вращения на 10% производительность насосов, работающих на противодавление, резко снижается, стремясь к нулю. Это приводит к отключению котлов и аварийной остановке электростанций. Следовательно, в случаях, когда приводом питательных насосов являются электродвигатели, имеющие мощность до 10 МВт, для сохранения технологического процесса на ТЭС важно в аварийных условиях поддерживать частоту на безопасном уровне. Требования к частоте вращения в аварийных условиях на электростанциях с блоками мощностью более 200 МВт, питательные насосы которых имеют турбопривод (рис. 8.3) столь же высоки из-за большой мощности. Тем более, что резервные питательные насосы меньшей мощности оснащены электроприводом.
Для ликвидации опасных дефицитов активной мощности и связанных с ними больших снижений частоты в аварийных условиях используется автоматическая частотная разгрузка (АЧР), отключающая на некоторое время часть потребительских линий. Однако возможны аварии, тяжесть которых оказывается непредвиденной и для них объем АЧР мал. В подобных случаях приходится прибегать к крайним мерам по сохранению работы собственных нужд. В этом случае от ЭЭС отделяют один-два генератора и переключают на них питание собственных нужд. Отделение генератора производится выключателем блока или междушинным выключателем автоматически с помощью устройства частотного деления, имеющего уставку по частоте и времени (например, 46,5 Гц и 2 с).
Для того чтобы частота на выделенных генераторах восстановилась, необходимо, чтобы переключенная на них нагрузка была меньше, чем располагаемая мощность генераторов, но не ниже минимальной нагрузки котлов, работающих на выделенные агрегаты. В тех случаях, когда мощность собственных нужд ниже этой величины, к ним приходится добавлять нагрузку прилегающего участка сети. С этой целью отделение выполняется с помощью выключателей не только на электростанции, но и на соседних энергетических объектах. Алгоритмы действия делительной автоматики при этом усложняются, так как в устройства приходится включать органы, контролирующие потоки мощности в доаварийных режимах и выбирающие в зависимости от них место деления.
Для сохранения работы котлов при нагрузке, которая ниже минимальной, используется автоматика, обеспечивающая подачу необходимого количества пара в конденсатор через редукционно-охладительную установку до последующей нормализации обстановки.
Переключение на выделяемые генераторы всех собственных нужд электростанции в ряде случаев тоже оказывается непростой задачей. Это связано с тем, что собственные нужды каждого блока питаются от своего генератора, а секции шин собственных нужд часто не имеют секционных выключателей.
В зависимости от конкретных условий используются различные методы выделения. Можно выделить генераторы на систему шин одного из высших напряжений электростанции, например 110 кВ, питающих резервный трансформатор, и переключить собственные нужды на питание от него. Для этого нужно предварительно подготовить схему, присоединенную к выделяемой системе шин. Можно производить переключение через резервную систему шин собственных нужд. При ее отсутствии перевод можно осуществить через магнитно-связанные расщепленные обмотки резервных трансформаторов и т. д.
Все варианты отделения питания собственных нужд от системы в аварийных условиях необходимо подготовить заранее, включая средства автоматического выделения.
Несмотря на меры, принимаемые для надежного питания собственных нужд, необходимо считаться с вероятностью их обесточения. В этом случае нужно сохранить возможность останова оборудования без повреждений, например обеспечить смазку подшипников турбогенераторов при сниженной частоте вращения и давления на масляных уплотнениях генераторов. Для этого используется аварийный масляный насос, питаемый от аккумуляторной батареи.
В случае обесточения собственных нужд и аварийного останова электростанций необходимо подготовить технические решения для подачи питания на собственные нужды от системы с целью обеспечения начала их действия с последующим пуском отключившихся агрегатов электростанции.
Надежность работы собственных нужд на АЭС. На атомных электростанциях нужно учитывать несколько основных ситуаций, влияющих на эксплуатацию .
Изменение мощности, развиваемой реактором, сопровождается изменением температуры в активной зоне, вызывающим возникновение температурных напряжений в материалах элементов. Наиболее существенны температурные напряжения в оболочках тепловых элементов (ТВЭЛов), выполненных из циркониевых сплавов, обусловливающие возникновение микротрещин. Это сопровождается повышением выхода газообразных осколков деления, вредно сказывающихся на работе реактора. Во избежание этого изменение мощности производят со скоростью, не превышающей допустимую. В ряде случаев ограничивают работу АЭС в переменном режиме, хотя известен опыт изменения мощности АЭС и в широких пределах (30—100%).
Отключения турбогенераторов, происходящие из-за аварий как на АЭС, так и в ЭЭС, сопровождаются подрывом предохранительных клапанов с потерей теплоносителя в контуре и возможным выбросом радиоактивных веществ в атмосферу. При этом также возникают значительные термические напряжения.
Обесточение собственных нужд, происходящее из-за аварийных процессов на АЭС и ЭЭС. При этом проявляется главная особенность АЭС—остаточное тепловыделение в активной зоне ядерного реактора даже после его останова при срабатывании аварийной защиты. Оно обусловлено наличием запаздывающих нейтронов; радиоактивным распадом осколков деления, накопившихся за время работы реактора; и энергией, аккумулированной в его материалах. Из рис. 8.4 следует, что даже через 40 мин после отключения реактора ВВР-440 остаточное тепловыделение сохраняется на уровне 25 МВт и в дальнейшем уменьшается очень медленно. Поэтому важнейшей задачей является отвод этой теплоты и работа
теплообменных устройств даже в условиях обесточения основных источников питания собственных нужд.
В исходном нормальном режиме циркуляция теплоносителя, в качестве которого в реакторах на тепловых нейтронах используется вода, обеспечивается главными циркуляционными насосами, имеющими мощность около 5—8 МВт. Эти насосы оснащаются маховиками, выбираемыми с таким расчетом, чтобы при обесточении на 10 с производительность снижалась не более чем в 2,7 раза.
Процесс безопасного останова реактора, при котором остаточное тепловыделение доводится до уровня, допускающего естественную циркуляцию в контурах охлаждения, называется расхолаживанием. Это связано с выполнением требований, относящихся к организации работы собственных нужд.
4. Разрывы трубопроводов, приводящие к разгерметизации радиоактивных контуров, требуют осуществления аварийного расхолаживания. В результате действия защиты оно должно быть успешно проведено как в условиях нормального питания собственных нужд, так и при обесточении основных источников их питания. Ситуации, связанные с разрывами трубопроводов, предусмотрены и называются максимальными проектными авариями. Первые две ситуации решаются применением общесистемных мер, остальные две — технических решений, осуществляемых на АЭС.
Главным является организация питания собственных нужд, упрощенная схема которых приведена на рис. 8.5. Секции шин ВН собственных нужд разделяются на две части. Шины нормальной эксплуатации питаются от основного источника, в качестве которого, как и на ТЭС, используются выводы работающих генераторов. Резервным источником питания этих шин является трансформатор, питающийся от одного из напряжений РУ (например, 110 кВ) и работающий на шины или цепи резервного питания. Могут использоваться две схемы резервного питания.

Рис. 8.4. График остаточной тепловой мощности атомного реактора ВВР-440
Помимо шин нормальной эксплуатации используются шины надежного питания, связанные с шинами нормального питания присоединениями с двумя последовательно включенными выключателями, исключающими обесточение при отказе одного из них. Для аварийного питания данных шин предусматриваются дизельгенераторы, мощностью около 5,5 МВт, автоматически запускающиеся и нагружающиеся за 10—15 с.
Кроме того, предусматриваются шины НН бесперебойного питания. Нормальное и резервное их питание производится от шин нормального и надежного питания. При обесточении они могут в течение некоторого времени питаться непосредственно от шин постоянного тока или через инверторы-преобразователи от аккумуляторных батарей. Присоединения, питающиеся от шин бесперебойного питания, защищены обычно двумя последовательно включенными быстродействующими тиристорными выключателями, а перевод шин на питание от аккумуляторных батарей производится практически без перерыва.
При обесточении шин собственных нужд в течение нескольких секунд циркуляция сохраняется за счет выбега циркуляционных насосов с маховиками. При необходимости насосы могут сохраняться присоединенными непосредственно или через частотный преобразователь, обеспечивающий нормальную работу при снижении частоты вращения до 0,7пНОм, к генератору, инерцию вращающейся массы которого можно использовать для продления времени выбега (рис. 8.6), что обеспечивается средствами автоматики. Длительность этого питания зависит от того, в каком режиме работал генератор в момент закрытия стопорного клапана. Наименьшая длительность соответствует случаю, когда стопорный клапан закрывается до отключения выключателя генератора (линия 1). Случаю, когда стопорный клапан закрывается после отключения генератора, соответствует линия 2, а случаю, когда отключению генератора предшествует разрешенный по условиям вентиляционных потерь турбины моторный режим (в течение нескольких минут) — линия 3. Линия 4 соответствует случаю, когда генератор работает в режиме питания собственных нужд.

Рис. 8.5. Упрощенная схема собственных нужд блока АЭС: РТ — трансформатор резервного питания; А — шины нормальной эксплуатации; Б — шины надежного питания; В и Г — шины постоянного и переменного токов бесперебойного питания; Д — дизель-генератор
При снижении частоты вращения до критического значения производительность главных циркуляционных насосов становится недостаточной для поддержания технологического процесса. Поэтому, промедление с переводом собственных нужд на питание от напряжения с нормальной частотой может привести к их потере. Тогда в течение некоторого времени в ядерный реактор поступает вода из баков аварийного запаса. Тем временем дизельгенераторы автоматически включаются на шины надежного питания, от которых питаются циркуляционные насосы длительного расхолаживания, имеющие мощность на порядок меньшую мощности главных циркуляционных насосов. С их помощью обеспечивается длительная подача теплоносителя от различных источников воды, предусматриваемых на АЭС.
При разрывах трубопроводов и одновременном обесточении собственных нужд кратковременное охлаждение обеспечивается автоматическим открытием быстродействующих клапанов, через которые в контур поступает вода из гидроаккумуляторов или баллонов аварийного расхолаживания под давлением пара или азота, превышающим давление в системе охлаждения. Приводы быстродействующих клапанов питаются от шин бесперебойного питания.
В связи с тем, что реактивность активной зоны при снижении температуры теплоносителя растет, она компенсируется поддержанием нагрева воды в баллонах и содержания в ней бора (поглотителя нейтронов).
После автоматического включения в работу дизель-генераторов реактор переводится в режим длительного расхолаживания. Одновременно подается управляющий импульс на отсечную арматуру, герметизирующую помещения, в которых появляется радиация.
После восстановления питания насосов аварийного расхолаживания с их помощью в циркуляцию поступает вода из приямков помещений, куда она стекает из разрывов.
Электроприемники собственных нужд АЭС делятся на три группы.

Рис. 8.6. Зависимость снижения частоты вращения циркуляционных насосов АЭС от времени
К первой группе относятся электроприемники, не терпящие обесточения на время, превышающее доли секунды. Это электроприемники, связанные с системами аварийного останова реактора — аварийного расхолаживания, контрольно-из- мерительные цепи; защита, автоматика и электропривод быстро-
действующих клапанов и отсечной аппаратуры систем аварийного расхолаживания и локализации аварии; часть аварийного освещения; аварийные масляные насосы, обеспечивающие смазку подшипников и масляные уплотнения вала турбогенератора в процессе останова.
Ко второй группе относятся электроприемники, допускающие перерыв в течение секунд по условиям работы аварийного расхолаживания реактора. Питание этих электроприемников необходимо обеспечить после срабатывания аварийной защиты реактора: к ним относятся главные циркуляционные насосы; специальная вентиляция и аварийное освещение; дозиметрия; оборудование, работа которого необходима при разрывах циркуляционной системы первого контура, и устройства, обеспечивающие аварийный останов турбогенераторов.
Из рассмотренного следует, что в аварийных условиях питание 1-й и 2-й групп электроприемников обеспечивается специальными источниками, не связанными с сетью. Если у главных циркуляционных насосов нет маховиков, то их питание обеспечивается автономными генераторами, находящимися на общем валу с основными.
К третьей группе относятся электроприемники, питание которых не обязательно после срабатывания аварийной защиты реактора. Ими является все остальное оборудование, обеспечивающее технологический процесс. Требования к электроснабжению этой группы потребителей аналогичны требованиям, предъявляемым к первой категории потребителей. Надежность питания этих электроприемников обеспечивается АВР и АПВ.
Резервным источником питания собственных нужд АЭС может быть местная электростанция, присоединенная к шинам, от которых питаются резервные трансформаторы собственных нужд. Для этого лучше всего использовать ГЭС как особо мобильный источник энергии.
Учитывая тяжесть последствий аварий на АЭС, необходимо продолжать совершенствование схемы питания собственных нужд с учетом повышения степени резервирования питания при маловероятных отказах выключателей, электрической и технологической автоматики.