Технико-экономические аспекты обоснования применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода на насосах ГЦНА, ПЭН, КЭН и ЦН в новых и перспективных проектах АЭС с ВВЭР с учетом новых требований по маневренным режимам

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБОСНОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА НАСОСАХ ГЦНА, ПЭН, КЭН И ЦН В НОВЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРОЕКТАХ АЭС С ВВЭР С УЧЕТОМ НОВЫХ ТРЕБОВАНИЙ ПО МАНЕВРЕННЫМ РЕЖИМАМ

А.С. Зыков

ОАО «Атомэнергопроект», г. Москва

8-я Международная научно-техническая конференция МНТК-2013

«Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

Энергоемкость ВВП Российской Федерации в 2-3 раза выше, чем в развитых странах мира. Необходим переход устаревших технологий на новые, более эффективные как с точки зрения с точки зрения эффективного энергопотребления, так и с точки зрения качества управления системами энергоёмкого технологического оборудования.

Президентом и Правительством РФ поставлена задача снижения к 2020 году энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40 процентов по сравнению с 2007 годом (Рис.1).

Рис.1 3-я общероссийская конференция «Государственная политика в области энергоэффективности и энергосбережения», 2012 г.

Это, в первую очередь, относится к генерирующим компаниям. Расход потребления электроэнергии на собственные нужды энергоблока на различных АЭС Государственной корпорации «Росатом» по расчетным данным находится в пределах от 4,5 до 8,5% от общей генерации. Данные об объемах потребляемой электроэнергии на собственные нужды АЭС требуют уточнения.

На основании различных источников зарубежной информации расход потребления электроэнергии на аналогичных АЭС в странах Западной Европы и Америки находится в пределах от 4,5 до 5,5% от общей генерации. Разница относительно российских АЭС лежит в пределах от 2 до 3%.

Французская компания EDF за счет реализации энергосберегающих мероприятий на своих энергоблоках смогла повысить их номинальную мощность на 1,5% ещё 2006 г.

С учетом среднегодового КПД энергоблока 34-37% одна единица сокращения потребления электрической энергии (чистого выпускаемого продукта) на собственные нужды энергоблока эквивалентна трем единицам тепловой энергии, поэтому сокращать потребление энергии на собственные нужды необходимо в первую очередь её электрическую часть.

Свыше 90% потребляемой электроэнергии на собственные нужды энергоблока приходится на электропривод (асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором), который является огромным резервом энергосбережения и может обеспечить за счет внедрения инновационных технологий самый большой экономический эффект (Рис.2).

Основными потребителями электроэнергии на собственные нужды являются:

- реакторное отделение (ГЦНА) - 30%;

- турбинное отделение (ПЭН, КЭН) - 27%;

- блочная насосная станция (ЦН) - 31%;

- прочее - 12%;

Рис.2 Распределение потребляемой электроэнергии энергоблока на СН

Потенциал энергосбережения энергоблока АЭС по разным оценкам и расчетам находится на уровне 15-20% от общего расхода электроэнергии на собственные нужды (около 100000 МВт·ч/год). Реализация эффективных энергосберегающих технологий позволит привести к эквивалентному увеличению мощности генерации электроэнергии энергоблока на уровне 1-2% (12,5-25 МВт).

Среди всего многообразия ресурсо- и энергосберегающего оборудования (частотно-регулируемый электропривод - ЧРП, гидромуфты, устройства плавного пуска, энергосберегающие лампы и светильники, компенсаторы реактивной энергии и др.) на настоящий момент времени частотно-регулируемый электропривод занимает лидирующее место.

Мировая и отечественная инженерная практика показала, что наибольший экономический эффект при реализации программ энергосбережения дает переоснащение технологического оборудования устройствами с частотно-регулируемым электроприводом.

Теоретически и практически, снижение скорости вращения ротора электродвигателя насосов и вентиляторов на 10% даёт тридцатипроцентную экономию потребляемой электроэнергии.

Доля атомной генерации в общем энергобалансе России около 17 %, а по прогнозам и планам к 2020 году вырастет до 18%-19%, а к 2030 году - до 22%-23%. Высокое значение доля атомной энергетики имеет в европейской части России и, особенно на северо-западе, где выработка на АЭС достигает свыше 42 %. энергоблок потребляемый электроэнергия экономический

Поэтому для европейской части России в ближайшее десятилетие создаётся объективная ситуация невозможности поддержания АЭС в базовом режиме и, как следствие, эксплуатация их в режимах не полной мощности с большим разнообразием переходных и маневренных режимов, что предполагает другой подход к качеству систем регулирования мощностью реакторной установки (РУ) и энергоемким технологическим оборудованием энергоблока АЭС.

В соответствии с техническим заданием (ТЗ) нового проекта ВВЭР-ТОИ (2011г.), в отличие от предыдущих проектов, появились новые требования по маневренным режимам - обеспечение возможности участия в первичном и вторичном регулировании частоты сети, а также в суточном регулировании мощности по графику (100-50-100)% от N_ном .

Та же французская компания EDF исследованиями маневренных возможностей АЭС с реакторами PWR начала заниматься с 1971 г. и в настоящее время является образцом проектных решений и обладателем большого накопленного опыта в этом направлении.

Все энергоблоки компании EDF эксплуатируются в маневренных режимах, включая участие:

- в первичном регулировании частоты ±2% от N_ном;

- во вторичном регулировании частоты ±5% от N_ном;

- в суточном регулировании мощности (100-25-100)% от N_ном;

- в режиме следования за нагрузкой;

- в режиме продолжительной работы на промежуточной и пониженной мощности.

В качестве примера изменения нагрузки и следования за ней мощности можно привести график работы АЭС «Каттенон» французской компании EDF (Рис.3).

Рис. 3 График работы энергоблока компании EDF при глубоком суточном изменении нагрузки

К энергоемкому технологическому оборудованию энергоблока АЭС можно отнести, прежде всего, мощные насосы с асинхронными электродвигателями по 7,5МВт каждый, такие как:

ГЦНА - главный циркуляционный насосный агрегат;

ПЭН - питательный электронасос;

КЭН - конденсатный электронасос;

ЦН - циркуляционный насос.

Всего, одновременно работающих насосов на номинальной мощности в базовом режиме около 10 шт., суммарная активная мощность которых равна 75,5МВт, что соответствует свыше 6% потребления электроэнергии на собственные нужды от общей генерации энергоблока АЭС с ВВЭР-ТОИ.

При существующих в настоящее время способах регулирования энергоёмким технологическим оборудованием работа энергоблока в режиме суточного маневрирования и следования за нагрузкой (100-50-100)% от N_ном и соответствующем изменении мощности РУ крайне неэффективна как с точки зрения неэффективного потребления электроэнергии на собственные технологические нужды, так и с точки зрения качества систем регулирования и работы всего технологического оборудования I, II контура и контура охлаждающей воды энергоблока.

При изменении мощности на АЭС с ВВЭР используются программы регулирования с постоянным, не зависящим от мощности реактора (N_р), расходом теплоносителя первого контура - G_Iк = const. Постоянный расход теплоносителя I-го контура, при изменении мощности РУ, приводит к существенному перераспределению температур в активной зоне реактора, вызывая дополнительные температурные напряжения в корпусе и других элементах конструкции реактора.

Постоянный расход теплоносителя I-го контура, при изменении мощности энергоблока, приводит к необходимости изменения средней температуры первого контура при поддержании постоянного давления в главном паровом коллекторе, что приводит к дополнительным температурным напряжениям в элементах основного оборудования реакторной установки и необходимости компенсации изменения реактивности активной зоны реактора. Использование программы поддержания постоянной средней температуры теплоносителя первого контура приводит к необходимости существенного изменения давления пара второго контура, что нежелательно как с точки зрения выбора уставок и алгоритма работы паросбросных устройств и аварийной защиты, так и для работы турбины, в особенности регулирующих клапанов на подводе пара в цилиндры высокого давления.

Работа энергоблока в переходных и маневренных режимах в сравнении с эксплуатацией в базовом режиме на постоянном (номинальном) уровне мощности создает дополнительные низко-цикловые термические нагрузки на оборудование, а также приведет к увеличению высоко-цикловых нагрузок, обусловленных повышенной вибрацией оборудования в нестационарных режимах эксплуатации, имеет место резонанс акустических колебаний теплоносителя в активной зоне реактора с собственными колебаниями ТВС

Регулирование расхода теплоносителя I-го контура за счет отключения/включения разного количества ГЦНА (четыре одновременно работающих ГЦНА) имеет деструктивный характер как с точки зрения управления электродвигателем ГЦНА (I_пуск>8,5·I_ном, ограничение количества пусков - не более 1500 за весь срок службы), так и с точки зрения циклических изменений в параметрах I-го контура (изменение расхода теплоносителя порционально 25% от общего расхода 4-х ГЦНА).

Регулирование расхода воды во II-ом контуре энергоблока, подаваемой ПЭН и КЭН, в настоящее время осуществляется посредством изменения гидравлических характеристик напорных трубопроводов (использование регулирующих клапанов) или ступенчатым отключением насосов. Такой подход не является эффективным, поскольку приводит либо к неоправданным потерям потребляемой электроэнергии, либо к неустойчивому регулированию.

Регулирование расхода воды в контуре охлаждающей воды энергоблока в настоящее время осуществляется посредством изменения угла поворота лопаток насосных агрегатов. Такое решение неэффективно с точки зрения энергопотребления, технически сложное, снижает надежность работы насосов и требует продолжительного времени на ремонт в случае появления неисправностей.

Реализовать оптимальный режим работы энергоблока АЭС в переходных и маневренных режимах возможно с применением современных систем частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) на насосах ГЦНА, ПЭН, КЭН и ЦН (Рис.4).

Рис. 4 Схема автоматического регулирования энергоёмким технологическим оборудованием в переходных и маневренных режимах на основе комплексного применения ЧРП

Частотно-регулируемый электропривод может плавно и синхронно изменять производительность 4-х ГЦНА по заданному или изменяемому технологическому параметру или любой другой закономерности, сохраняя одинаковый поток теплоносителя во всех петлях РУ.

Внедрение ЧРП в этих системах открывает новые потенциальные возможности по увеличению уровня надежности, качества, оптимизации и эффективности регулирования мощностью РУ и работы энергоблока в манёвренных, динамических и переходных режимах, а также работы всего технологического оборудования.

Перед включением технических решений по ГЦНА в рабочую документацию необходимо проведение комплекса НИОКР по обоснованию применения частотно-регулируемого электропривода на ГЦНА с проведением комплексных натурных испытаний на стендовом оборудовании по разработанной, согласованной и утвержденной программе и НИОКР по моделированию работы энергоблока в переходных и маневренных режимах с применением частотно-регулируемого электропривода на энергоемком технологическом оборудовании I, II и контура охлаждающей воды энергоблока.

Снижение скорости вращения ротора электродвигателя насосов и вентиляторов на 10% даёт тридцатипроцентную экономию потребляемой электроэнергии:

N_потр = N_ном · (G_i /G_ном)³

При работе ГЦНА с ЧРП в маневренном режиме (100-50-100)% от N_ном при суточном изменении нагрузки в зависимости участка этого режима экономия потребляемой электроэнергии может достигать в среднем до 50% от номинальной потребляемой мощности (Рис.5).

Рис. 5 График работы 4-х ГЦНА с ЧРП и без ЧРП

Сроки окупаемости оборудования, в зависимости от режима работы энергоблока, могут составить от 2 до 5 лет эксплуатации.

Частотно-регулируемый электропривод является многофункциональным электротехническим оборудованием и при комплексном внедрении в энергоблоке может одновременно выполнять функции:

• автоматического регулятора технологическими параметрами при базовых и маневренных режимах энергоблока;

• энергосбережения;

• увеличения ресурса и надежности работы технологического оборудования;

• диагностики, контроля и полной электронной защиты электродвигателя насосного агрегата;

• дополнительной автономной системы безопасности при длительном обесточивании энергоблока;

• увеличения номинальной мощности генерации при пиках нагрузки.

В настоящее время в России появились разработчики и производители мощного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода (ВЧРП - до 10МВт, 10кВ) на базе силовых модулей с использованием IGBT транзисторов и средней наработкой на отказ до 100000 часов, которые соответствуют уровню ведущих мировых производителей и требованиям, предъявленным к оборудованию, применяемому на объектах атомной энергетики. Наиболее перспективной схемой построения ВЧРП является схема многоуровневого инвертора напряжения питанием от многообмоточного трансформатора.

Выводы

1. Проектирование современных и перспективных энергоблоков АЭС необходимо осуществлять на базе комплексного применения частотно-регулируемого электропривода с целью обеспечения оптимальных режимов работы РУ и энергоемкого технологического оборудования и требуемого уровня энергоэффективности в режимах глубокого суточного маневрирования и следования за нагрузкой.

2. Частотно-регулируемый электропривод является многофункциональным электротехническим оборудованием, потенциальные возможности которого необходимо использовать в полном объеме, как в перспективных проектах, так и при модернизации действующих АЭС.

3. Решение по включению в рабочую документацию частотно-регулируемого электропривода на энергоемком технологическом оборудовании принимается только после проведения всего комплекса НИОКР по математическому моделированию работы энергоблока в маневренных режимах и натурных испытаний ГЦНА по разработанной, согласованной и утвержденной программе.

Список литературы

1. К.Н. Проскуряков, Ф.Н. Шакирзянов, В.В. Каратаев, К.С. Новиков, И.А. Зотухин «Способ предотвращения резонансных вибраций ТВЭЛ и ТВС ВВЭР-1000», журнал «Вопросы атомной науки и техники», выпуск 23, 2008г.

2. Семинар ЭДФ-РЭА, г. Москва, 2012г.

3. А.С. Зыков «Основные концептуальные решения эффективного применения частотно-регулируемого электропривода в проекте ВВЭР-ТОИ», МНТК-2012 - «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», 2012г.

Размещено на Allbest.ru