1.4 Режимы работы аэс и требования к асутп в этих режимах

Все многообразие режимов работы АЭС может быть сведено к трем группам: нормальные режимы, режимы с ограничениями технологических параметров и аварийные режимы. В зависимости от режима работы АЭС изменяется содержание задач управления и требования к управляющим системам.

К нормальным режимам относятся все стационарные и переходные режимы энергоблока, связанные с основной технологи­ческой задачей - выработкой электроэнергии. В нормальных режимах все технологические параметры, опре­деляющие надежность оборудования, находятся в заданных пределах. В числе нормальных режимов: 1) стояночные, когда реактор остановлен, например, для перегрузки топлива, ремонта; 2) пусковые, при пуски энергоблока из разных исходных состояний; 3) стационарные режимы при любом уровне мощности в пределах регулировочного диапазона; 4) переходные режимы, связанные с изменением мощности; 5) плановые остановы; 6) расхолаживание реактора; 7) перегрузка топлива. При ведении процессов нормальной эксплуатации, АСУТП обеспечивает автоматическое и дистанционное (ручное) управление исполнительными механизмами. При ручном управлении команда на включение/ отключение исполнительного механизма формируется человеком с помощью АРМ оператора или индивидуальных средств управления. Команда оператора, сформированная средствами АРМ, из системы СВБУ поступает на уровень низовой автоматики, который, не выполняя никакой сложной обработки, передает ее на исполнительный механизм и управляет им. При автоматическом управлении, алгоритмы управления реализуются в регуляторах низовой автоматики. В автоматических режимах оператор исключается из непосредственного управления и выступает в роли наблюдателя, что является предпосылкой ошибочных действий оператора в случае отказа автоматики. Для преодоления этих трудностей используется принцип "активного оператора", когда степень автоматизации определяется так, чтобы оператор осуществлял непрерывный контроль за технологическими процессами и часть операций по управлению выполнял самостоятельно. Исходя из принципа "активного оператора", полуавтоматические режимы являются основными в процессах логического управления сложными объектами в режимах нормальной эксплуатации. Программно-логическое управление обеспечивает формирование последовательности управляющих команд в соответствии с технологическими алгоритмами управления исполнительными механизмами. Процесс управления осуществляется путем отработки заданной последовательности шагов, на каждом из которых выдаются команды управления и проверяются условия, определяющие возможность перехода к следующему шагу (рис. 1.20).

Рис. 1.20 Программно-логическое управление сложным объектом управления

Таким образом, в режимах нормальной эксплуатации оператору отводится ключевая позиция в вопросах автоматизации. Оператор рассматривается как центральное звено, выполняющее наиболее ответственные задачи по управлению энергоблоком.

В процессе эксплуатации АЭС возникают нештатные ситуации, связанные с отказом части входящих в состав блока параллельно работающих агрегатов (например, 1-го или 2-х ГЦН). Эту группу режимов называют режимами с ограничениями технологических пара­метров. При нарушении нормальной эксплуатации возрастает доля автоматического управления, что обусловлено работой предупредительных и технологических защит, блокировок и автоматического включения резерва.

Аварийные режимы связаны с угрозой безопасности АЭС, с отказом или поврежде­ниями тех или иных элементов блока и отклонением за допустимые пределы важных технологических параметров. В таких режимах требуется либо немед­ленный останов блока, либо немедленное снижение мощности до тех пределов, при которых восста­новятся допустимые значения технологических параметров. Среди многообразия аварийных режимов особое место занимают режимы, которые могут привести к повреждению ядер­ного топлива или к радиоактивному загрязнению помещений станции. К таким режимам относятся режимы, связанные с незапланированным изменением мощности реактора (неконтролируемое извлечение органов СУЗ, уменьшение концентрации жидкого замедлителя в теплоносителе и т.д.); режимы работы с аварийным сокращением расхода теплоноси­теля через активную зону, а также расхода питательной воды через парогенераторы; режи­мы работы с большими или малыми течами теплоносителя; режимы работы с нарушением герметичности оболочек твэлов; режимы работы с по­вреждением главных паропроводов АЭС и т.д. Среди всех аварий, которые могут возникнуть на АЭС, выделяют проектные и запроектные аварии. Проектная авария - авария, для которой проектом определены исходные события, конечные состояния и предусмотрены системы безопасности, обеспечивающие ограничение ее последствий. Запроектная авария - авария, вызванная не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями или сопровождающаяся дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности.

Концепция управления АЭС предусматривает следующие подходы: в режимах нормальной эксплуатации превалирует дистанционное управление, автоматическое управление предусматривается только для управления отдельными механизмами; при нарушении нормальной эксплуатации возрастает доля автоматического управления, что обусловлено работой различных защит (блокировок), автоматическим вводом резерва, работой регуляторов ограничения мощности; при проектных авариях в течение первых 30 мин после начала аварии предусматривается только автоматическое управление системами безопасности. По истечении 30 мин допускается ручное управление с целью приведения АЭС в конечное состояние; при запроектных авариях предполагается совокупность различных способов управления, в том числе и ручное управление.

Безопасность при возникновении аварий обеспечивается техническими средствами управляющих систем безопасности, предусмотренными для аварийного останова реактора и управления защитными (локализующими) системами безопасности. Данные технические средства обеспечивают надежное прекращение основного технологического процесса, поддержание реактора в подкритическом состоянии, отвод тепла от реактора, обеспечение герметичности барьеров за счет ослабления воздействий на них. Конечной целью управления авариями является достижение долговременного безопасного устойчивого состояния, в котором может быть обеспечен отвод остаточных тепловыделений в течение длительного периода времени. Управляющие системы безопасности должны удовлетворять следующим принципам: резервирование, независимость и разнообразие.

Принцип резервирования - принцип повышения надежности систем безопасности путем применения структурной, функциональной, информационной и временной избыточности по отношению к минимально необходимому для выполнения системой заданных функций объему.

Принцип независимости - принцип повышения надежности систем безопасности путем применения функционального и/или физического разделения каналов (элементов), для которых отказ одного канала (элемента) не приводит к отказу другого канала (элемента).

Принцип разнообразия - принцип повышения надежности систем безопасности путем применения в разных системах (либо в пределах одной системы в разных каналах) различных средств и/или аналогичных средств, основанных на различных принципах действия, для осуществления заданной функции. Разнообразие подразделяется на два типа: 1) функциональное разнообразие, при котором используются различные физические критерии управления, служащие одной цели, например, два различных параметра для выявления конкретного ожидаемого при эксплуатации события или аварийного состояния (инициация останова реактора как по предельной температуре, так и по предельному давлению); 2) разнообразие оборудования, при котором в системе используется аналогичное оборудование, полученное от разных поставщиков, или оборудование, основанное на различных принципах работы. Возможно сочетание функционального разнообразия и разнообразия оборудования. При этом повышение сложности системы безопасности не должно сводить на нет ее надежность, достигнутую за счет принципа разнообразия.

Если рассматривать режимы работы АЭС не с точки зрения обеспечения нормальной эксплуатации и реакции на аварии, а с точки зрения изменения состояний энергоблока, то выделяют стационарные и переходные режимы. К стационарным режимам относятся длительные (постоянные) процессы и состояния энергоблока: холодное состояние; горячее состояние; работа на минимально контролируемом уровне мощности (МКУ); работа на энергетическом уровне мощности; останов для ремонта; останов для перегрузки топлива. Переходные режимы характеризуют переходы от одного стационарного состояния к другому: перегрузка топлива; подготовка к пуску, включая уплотнение оборудования реакторной установки; заполнение рабочей средой; гидравлические испытания 1-го и 2-го контуров на плотность и прочность; опробование пассивной части САОЗ; разогрев реактора из холодного состояния до горячего состояния. Отметим, что требования к управляющим системам в переходных и стационарных режимах зачастую противоречивы. Т.е. один и тот же регулятор не может обеспечить заданное качество-устойчивость и в статике, и в динамике. Для этого разрабатывается несколько регуляторов, каждый из которых включается в работу только при наступлении определенных событий. Например, поддержание уровня воды в компенсаторе давления осуществляется двухрежимным ПИ- регулятором: пусковым и штатным. Пусковой регулятор является стабилизатором уровня в режимах разогрева и набора мощности до 10 %, а также в режиме расхолаживания реакторной установки. Штатный регулятор предназначен для поддержания уровня в период работы реактора на мощности 10-100 %. Целью такого алгоритма является поддержание постоянного объема теплоносителя при изменении его температуры во всех режимах работы станции.

Переходные режимы АЭС представим двумя основными видами:

1. Плановое изменение мощности, при котором имеется априорная информация о конечном состоянии энергоблока. Например, плановое снижение мощности до заданного уровня частичной нагрузки; отключение отдельного оборудования, обесточивание ГЦН, питательных электронасосов, конденсатных электронасосов; переходные режимы, связанные с пуском и остановом блока.

2. Изменение мощности, в процессе которого конечное состояние блока заранее неизвестно и определяется характером переходного процесса. Например, предполагаемое участие блока в первичном регулировании частоты в энергосистеме; часть аварийных режимов - аварии в турбогенераторе, на линии регенеративного подогрева и т.п.

Изменение мощности может происходить с различной скоростью и различным качеством переходных процессов, что полностью определяется режимом функционирования, характером динамики объекта и способом управления. По характеру протекания переходных процессов можно выделить режимы с линейным и ступенчатым изменением мощности, а по технологическому смыслу - с отключением, переключением и отсутствием изменений в режиме работы технологического оборудования. Энергоблок представляет собой нестационарный объект, характеристики которого меняются в зависимости от режима функционирования, что порождает проблемы структурной адаптации и подстройки параметров контуров регулирования. Т.е. в стационарном режиме некоторый регулятор может обеспечивать заданное качество и устойчивость, а в переходном режиме – уже нет. В этом случае, нужно изменять настройки регулятора или же вводить для каждого режима свой отдельный контур регулирования и следить за их переключением. Например, во 2-ом контуре используются пусковые эжекторы, которые создают вакуум в режиме пуска энергоблока, и основные эжекторы, которые откачивают воздух на входе в конденсаторы турбины при работе на мощности и используются совместно с пусковыми эжекторами в режиме пуска. Для каждого из этих эжекторов используется своя управляющая аппаратура.

Таким образом, в зависимости от режима работы АЭС существенно меняется содержание задач управления. Так, при работе в режимах пуска и останова энергоблока, и изменения мощности, задачей АСУТП является проведение переходных режимов с требуемым качеством и в определенных временных интервалах. Основной задачей при этом является обеспечение безопасного управления энергоблоком. При работе в базовом (стационарном) режиме, задачей АСУТП является поддержание требуемого стационарного состояния на неограниченном интервале времени. Основная задача - стабилизация режима и поддержание динамического баланса мощностей в элементах энергоблока. АСУТП АЭС осуществляет контроль и управление непрерывными и дискретными технологическими процессами на энергоблоке во всех режимах работы. Режим функционирования самой АСУТП - автоматический и автоматизированный. Автоматически выполняются информационные функции, управляющие функции по защитам и блокировкам, задачи регулирования основных параметров. Решения по управлению процессом в целом принимает и реализует оператор.