CC BY
10
DOI 10.36622/VSTU.2023.19.2.003 УДК 681.5.017
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕШТАТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ЕЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА БАЗЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ANY LOGIC
Р.С. Дударев1,2, М.И. Чижов1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Нововоронежская АЭС-2, г. Нововоронеж, Россия
Аннотация: рассматривается исследование нестабильной работы энергоблока атомной электрической станции, заключающейся в возникновении явления резонанса ввиду некорректно работающей программы управления электромагнитными клапанами системы автоматизированного управления турбоагрегата, которые при штатной эксплуатации обязаны корректно изменять электрическую и тепловую нагрузку, a также корректно регулировать и моделировать выработку энергии при отказе одного из регуляторов подачи пара на турбину. Проведенное исследование системы регулирования выявило отклонение характеристик сервомоторов по электрической части, вследствие чего рекомендуется для точного определения причины повышенной нечувствительности по давлению на золотнике выполнить ревизию сервомоторов, а также модернизировать программу управления данной системой. Невыполнение указанных действий может повлечь за собой аварийный сброс нагрузки, вследствие чего система не удержит машину на частоте вращения ниже уставки срабатывания автомата безопасности, что может привести к разрушению турбоагрегата. Система управления турбиной - это закольцованная система. В случае, если турбоагрегат применяется для приведения ротора в движение с постоянной скоростью, кoнтpoллер показывает скoрoсть вaлa, сравнивает фактическую скорость с назначенной уставкой. В том случае, когда есть разница между фактической скоростью и желаемой скоростью, контроллер направляет сигнал приводу, управляющему паровым клапаном, который будет изменять параметры до тех пор, шка orn снова ж будут синхронизированы
Ключевые слова: атомная электростанция, энергоблок, реактор, турбина, система управления, моделирование, оптимизация, генератор, регулирующий клапан
Введение
Система автоматического регулирования турбины, используемая на атомных электрических станциях, должна устойчиво выдерживать заданную электрическую и тепловую нагрузку, а также обеспечивать возможность их плавного регулирования. Установка регулирования турбины непременно должна подходить по всем высоким стандартам безопасности при эксплуатации атомных электрических станций [1]. В зависимости от условий эксплуатации, турбо-установка вынуждена работать в далее идущих режимах - как одновременно, так и отдельно с многими потребителями по электрической и тепловой нагрузке. Еще одной важной задачей системы управления имеется возможность плавного поднятия или плавного снижения электрической и тепловой нагрузки.
Главной проблемой этих систем является большая нечувствительность механической части, вследствие чего приводит систему к значительным изменениям нагрузки и некорректной работе энергоблока в общем [2]. Но также к неплавным колебаниям нагрузки приводят дефекты, такие как закусывание штоков, подви-
© Дударев Р.С., Чижов М.И., 2023
сание клапанов, сервомоторов, а также избыточной вибрации трубоной системы.
Немаловажной частью системы регулирования паровой турбины является программа управления электромеханическими клапанами [3]. В данной статье рассматривается такая проблема, как вхождение системы в резонанс, а именно - нестабильная работа системы регулирования паровой турбины на Нововоронежской АЭС-2, энергоблок номер 2.
Устройство и принцип работы системы
Автоматизированная система регулирования и защиты в целом предназначена для:
• автоматического поддержания частоты вращения ротора турбоагрегата в соответствии с требованиями при нагрузки турбины, работе на холостом ходу, работа генератора с сетью и работа на изолированную от сети нагрузку;
• изменения электрической нагрузки при работе генератора в сети в соответствии с заданием, получаемым от пользователя и из системы автоматического управления АЭС;
• участия в специальном первичном регулировании частоты сети, согласно требованиям специальных документов эксплуатации энергосистемы;
• задание уставки определенного давления пара перед регулирующими клапанами высокого давления;
• предупреждение критического повышения частоты вращения ротора турбины при полном или частичном сбросах нагрузки;
• обеспечения работоспособности турбины в режиме нагрузки собственных нужд и холостого хода;
• защиты турбоагрегата путем прекращения подачи в него пара в случае возникновения недопустимых режимов работы;
• предотвращения недопустимого понижения давления свежего пара;
• стремительной ограниченной по времени разгрузки турбоагрегата и долгосрочного ограничения мощности по сигналам автоматики энергосистемы [4].
Система маслоснабжения регулирования необходима для [5,6]:
• подачи некоторого количества огнестойкой жидкости к гидравлической части системы при настройке блока к пуску и при нормальной работе машины;
• подачи огнестойкой жидкости к гидравлической части системы от грузовых аккумуляторов в случае кратковременного отсутствия параметров собственных нужд или перехода агрегатов регулирования;
• поддержания температуры масла в определенных пределах;
• осуществление механического очищения огнестойкой жидкости, удаление растворенного в масле воздуха, удаления воды с поверхности масла в специальной емкости системы;
• минимизация прорывания масляных выделений в цех.
Основное исследование внезапного возникновения явления резонанса системы регулирования турбоагрегата
В изучения причин нестабильной работы энергоблока НВАЭС была проверена механическая часть системы и электрогидравлических преобразователей-сумматоров, по которой не обнаружено никаких неисправностей. Эксплуатирующим персоналом энергоблока были приняты по нормализации работы системы, данные движения не смогли поспособствовать решению данной проблемы. В ходе детальной проработки был произведен тщательный осмотр всей системы регулирования. Критики по целостности конструкции не нашлось, насосный агрегат выдавал заявленные показатели, техни-
ческая жидкость соответствовала требованиям нормативной документации (после химического анализа).
Рис. 1. График зависимости давления масла на регулирующие клапаны высокого давления от времени
Рис. 2. Зависимость давления масла на один регулирующий клапан высокого давления от времени
Рис. 3. График зависимости силы тока электромагнитных клапанов от времени
Впоследствии стало понятно, что истинная причина возникновения резонанса кроется в некорректно работающей программе управления системой регулирования. После возникновения данной гипотезы были исследованы графики работы сумматоров и клапанов высокого давления. На рис. 1 представлен график отношения давления масла на регулирующие кла-
паны высокого давления от времени. На рис. 2 представлен график отношения давления масла на один регулирующий клапан высокого давления от времени. На рис. 3 представлен график зависимости силы тока электромагнитных клапанов от времени. На рис. 4 представлен график отношения силы тока электромагнитного клапана от времени.
Рис. 4. График зависимости силы тока одного электромагнитного клапана от времени
Как видно из графиков, клапаны работают не плавно, вследствие чего нарушается нормальная эксплуатация энергоблока, что в свою очередь приводит к снижению мощности электрогенератора, долгосрочная эксплуатация блока в данном режиме невозможна ввиду возможности механического разрушения трубопроводов и элементов системы.
Моделирование работы АЭС в Any Logic
Данная модель основана на принципиальной схеме работы АЭС (рис. 5). В неё заложены данные, полученные в ходе непосредственной эксплуатации энергоблоков НВАЭС-2.
В данном модуле (рис. 6) имеется возможность задание мощность энергоблока, дополнение и исключение из системы определённых единиц оборудования. Имеем возможность задавать конкретные параметры для регулирующих клапанов подачи пара на турбину, выводить зависимости положения клапана от электрической нагрузки генератора. Генерировать нештатную эксплуатацию комплекса изменения нагрузки парового турбоагрегата. Проводить теоретические эксперименты, заключающиеся в адаптации оборудования в процессе изменения нагрузки на реакторе.
Рис. 5. Принципиальная схема работы энергоблока АЭС
23
Рис. 6. Панель задачи параметров работы энергоблока в Апу Logic
Рис. 7. Графики зависимостей положения клапанов и мощности генератора от нейтронной мощности реактора
На данных графиках (рис. 7) показаны зависимости выработки энергии генератора от мощности реактора. Как видно из представленных зависимостей, при закрытии одного из клапанов подачи пара на турбину, электрическая нагрузка изменилась несущественно. На основании чего можно сделать вывод, что теоретически данное оборудование может эксплуатироваться на трёх из четырёх клапанов. Основываясь на практическом опыте эксплуатации, можно уверенно заявить, что долгосрочная эксплуатация в данном режиме не возможна. Но для проведения ремонтных работ на клапане кратковременная работа в данном режиме вполне возможна.
Заключение
В результате проведенных исследований была создана модель работы энергоблока АЭС на базе Any Logic. Данная модель описывает работу второго контура НВАЭС2 с некоторыми упрощениями. С помощью данной модели можно визуализировать зависимость выработки электроэнергии от положения регулирующих клапанов. Есть возможность увидеть параметры работы энергоблока при выведенном в ремонт оборудовании, например, ремонт одного из регулирующих клапанов. Так же данная модель позволяет численно показать зависимость конечной выработки от состояния оборудования.
Литература
1. Инструкция по эксплуатации программно-технического комплекса электронной части системы управления турбины энергоблока № 6 НВАЭС-2. Филиал АО "Концерн Росэнергоатом" - Нововоронежская АЭС. 2017. С. 5-30.
2. Опыт проектирования и внедрения системы верхнего блочного уровня АСУ ТП АЭС / М.Е. Бывайков, Е.Ф. Жарко, Н.Э. Менгазетдинов, А.Г. Полетыкин, И.В. Прангишвили // Автоматика и телемеханика. 2006. Вып. 5. С. 65-79.
3. Терехов Д.В., Сидоренко Е.В., Данилов А.Д. Тенденции развития АСУ ТП на Нововоронежской АЭС // Безопасность, надежность и диагностика ЯЭУ. 2017. С. 66-76.
4. Novoselov V.B. Research and optimization of parameters of electrohydraulic steam turbine regulation // Heat power engineering. 2009. Р. 32-37.
5. Modernization of electrohydraulic following drive of steam turbine control system k-1000-60/1500 / T.G. Zatzarin-naya, A.A. Skidan, A.A. Chuklin, K.P. Anikevich, A.N. Melnik // Power plants and technologies. 2015. Р. 11-17.
6. Research and calculation of the parameters of the elements of the turbine rotor speed control system taking into account the parametric uncertainty of the mathematical model / Yu.P. Kornyushin, D.V. Melnikov, N.D. Egupov, P.Yu. Kornyushin // Bulletin of the Moscow State Technical University named after N E Bauman. Series Natural Sciences. 2014. Р. 78-93.
Поступила 12.02.2023; принята к публикации 17.04.2023 Информация об авторах
Дударев Роман Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); инженер 1 категории по эксплуатации гидротехнических сооружений и башенной испарительной градирни, Нововоронежская АЭС-2 (396070, Россия, г. Нововоронеж, промышленная зона Южная, 1), тел. 8-920404-09-70, e-mail: [email protected]
Чижов Михаил Иванович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); e-mail: [email protected]
STUDY OF EMERGENCY OPERATION OF A STEAM TURBINE CONTROL SYSTEM AND ITS SIMULATION BASED ON ANY LOGIC CAPABILITIES
R.S. Dudarev1,2, M.I. Chizhov1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Novovoronezh NPP-2, Novovoronezh, Russia
Abstact: the article discusses the study of the unstable operation of the power unit of a nuclear power plant, which consists in the occurrence of a resonance phenomenon due to an incorrectly operating program for controlling the electromagnetic valves of the automatic control system of the turbine, which, during normal operation, must steadily regulate the given electrical and thermal load, and also provide the possibility of their correct regulation, and simulation of power generation, as well as the failure of one of the steam supply valves to the turbine. The study of the control system revealed a deviation in the characteristics of the servomotors in terms of the electrical part, as a result of which it is recommended to accurately determine the
cause of increased pressure insensitivity on the spool to perform an audit of the servomotors, as well as to modernize the control program for this system. Failure to perform these actions may lead to a load shedding situation, in which the control system
will not keep the turbine at a speed below the safety switch setting, which may lead to the destruction of the turbine set
Key words: nuclear power plant, power unit, reactor, turbine, control system, modeling, optimization, generator, control
valve
References
1. "Operating instructions for the software and hardware complex of the electronic part of the turbine control system of power unit No. 6 NVNPP-2", Branch of Rosenergoatom Concern JSC - Novovoronezh NPP (Filial AO "Kontsern Rosenergoatom" - No-vovoronezhskaya AES), 2017, pp. 5-30.
2. Byvaikov M.E. et al. "Experience in designing and implementing the system of the upper block level of automated process control systems for nuclear power plants", Automation and telemechanics (Avtomatika i telemekhanika), 2006, vol. 5, pp. 65-79.
3. Terekhov D.V., Sidorenko E.V., Danilov A.D. "Trends in the development of automated process control systems at the Novovoronezh NPP", Safety, reliability and diagnostics of nuclear power plants (Bezopasnost', nadezhnost' i diagnostika YAEU), 2017, pp. 66-76.
4. Novoselov V.B. "Research and optimization of parameters of electrohydraulic steam turbine regulation", Heat power engineering (Teploenergetika), 2009, pp. 32-37.
5. Zatzarinnaya T.G. et al. "Modernization of electrohydraulic following drive of steam turbine control system k-1000-60/1500", Power plants and technologies (Energeticheskiye ustanovki i tekhnologii), 2015, pp. 11-17.
6. Kornyushin Yu.P. "Research and calculation of the parameters of the elements of the turbine rotor speed control system taking into account the parametric uncertainty of the mathematical model", Bulletin of the Moscow State Technical University named after N E Bauman. Series Natural Sciences (Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni N. E. Baumana. Seriya Yestestvennyye nauki), 2014, pp. 78-93.
Submitted 12.02.2023; revised 17.04.2023 Information about the authors
Roman S. Dudarev, Post-graduate student, Department of KITP Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), engineer of the 1st category for the operation of hydraulic structures and an evaporative cooling tower, Novovoronezh NPP-2 (1 Yuzhnaya industrialnaya zona, Novovoronezh 396070, Voronezh oblast, Russia), tel. 8-920-404-09-70, e-mail: [email protected]
Mikhail I Chizhov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Department of KITP Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: [email protected]
