9. FİKERINGTETİ SZIVATTYÚ KIESÉS TANULMÁNYOZÁSA
9.1. BEVEZETİ, A GYAKORLAT CÉLJA
A PC2 primerköri szimulációs program lehetıséget nyújt különbözı üzemzavari szituációk tanulmányozására is. Ezek közül az egyik legfontosabb a fıkeringtetı szivattyúk kiesése utáni tranziens folyamatok nyomon követése. A gyakorlat elvégzése során feltételezzük, hogy a szimulációs program kezelıi már rendelkeznek bizonyos alapvetı ismeretekkel. Így elsısorban az 1. sz. (kezelés és a modell terjedelme), a 7. sz. (a teljesítményszabályozó rendszer vizsgálata) és a 8. sz. (normál üzemviteli szituációk tanulmányozása) gyakorlatokra gondolunk. Amennyiben ezeket nem ismerik, kérjük, hogy a gyakorlat megkezdése elıtt tanulmányozzák át. A gyakorlat során különbözı számú fıkeringtetı szivattyú kiesésének üzemvitelre gyakorolt hatását vizsgáljuk a szabályozó rendszerek és az üzemzavari védelmi rendszerek különbözı üzemállapotaiban. Így a gyakorlatot végzık megismerhetik a fıkeringtetı szivattyúk kiesése utáni üzemzavari szituációk során kialakuló reaktorfizikai és erımő-üzemviteli folyamatokat, valamint gyakorolhatják a szükséges beavatkozásokat, és megtapasztalhatják azok hatásait is.
9.2. ELMÉLETI ALAPOK Az atomerımő üzemzavari állapotán a normál üzemi berendezések, valamint a védelmi és lokalizációs berendezések olyan meghibásodását vagy sérülését értjük, amelyek bekövetkezésekor a biztonságos üzemvitelre jellemzı határértékek túllépése áll elı. A statisztikai adatok azt bizonyítják, hogy az üzemzavari állapotok és az üzemzavari védelem mőködésbe lépése az esetek 10 - 50 %-ában a kezelıszemélyzet téves beavatkozásából adódnak. Ezért különösen fontos az üzemzavari szituációk tanulmányozása. Az atomerımővi üzemzavarokat jellegüknél fogva általában a következı két csoportba szokás sorolni: 1. azok az üzemzavarok, amelyeknek bekövetkezése után a reaktort azonnal le kell állítani (részleállás - ÜV-1 fokozat); 2. azok az üzemzavarok, amelyeknél valamilyen beavatkozás szükséges, de a reaktort nem kell leállítani; Az 1. csoportba sorolt üzemzavarok közül a legfontosabbak a következık: • kritikussági baleset illetve nukleáris megfutás • primerköri hőtıközeg-vezeték törése
1
• több primerköri fıkeringtetı szivattyúk kiesése (vagyis a hőtıközeg forgalmának veszélyes csökkenése). A fıkeringtetı szivattyúk kiesésénél veszélyes üzemzavari állapottal kell számolni. Ilyen esetben az ÜV-1 biztonságvédelem mőködésbe lépésének elkerülése érdekében csökkentetni kell a reaktor hıteljesítményét. A Paksi Atomerımő VVER-440 típusú reaktora esetén 6 párhuzamos hőtıkör üzemel hat fıkeringtetı szivattyúval. Háromnál kevesebb mőködı hurokkal a kezelési utasítás elıírásai szerint a reaktort le kell állítani. Ha az üzemelı hőtıkörök száma 3 és 5 között van, akkor a reaktor teljesítménye nem haladhatja meg az alábbi értéket: P=
n FKSZ ⋅ 1,03 ⋅ Pné vl 6
[%] ,
(9.1)
ahol nFKSZ = 3; 4; 5 - az üzemelı fıkeringtetı szivattyúk száma; Pnévl
a névleges reaktor teljesítmény [100%].
Fentiekhez hasonlóan a kezelési utasításban elıírásokat találunk a különbözı paraméterek megengedett értékeire az üzemelı hurkok (fıkeringtetı szivattyúk) számának függvényében. Ezt az ún. üzemmód táblázatot a 9.1. táblázatban foglaltuk össze.
2
9.1. Táblázat. Üzemmód táblázat.
Üzemelı fıkeringtetı szivattyúk száma
6
5
4
3
100+3
83+3
67+3
50+3
1375+41
1141+23
921+18
688+14
Reaktor vízforgalma [m3/h]
41900
36790
31190
24700
Reaktor vízforgalma [m3/s]
11,6
10,2
8,7
6,9
A hıhordozó maximálisan megengedett átlagos felmelegedése a reaktorban [oC]
29,7+0,5
28,0
26,7
25,5
A hıhordozó megengedett maximális felmelegedése a legjobban terhelt központi kazettákban [oC]
41,0
39,8
38,8
38,0
A hıhordozó megengedett maximális felmelegedése a szélsı kazettában [oC]
30,9
29,9
29,2
28,6
Megengedett maximális hımérséklet a központi kazetták kilépésénél [oC]
308
306,8
305,8
305,0
Megengedett maximális hımérséklet a szélsı kazetták kilépésénél [oC]
297,9
296,9
296,2
295,6
Paraméter Reaktor hıteljesítménye [%] Reaktor hıteljesítménye [MW]
A táblázatban megadott paraméterek túllépése esetén a reaktort le kell állítani. A következıkben tekintsük át, hogy mi játszódik le a reaktor primerkörében bizonyos számú fıkeringtetı szivattyú kiesésének következtében. Tételezzük fel, hogy állandósult üzemben a reaktor teljesítménye P0 [MW], és ezt G0 [m3/h] hőtıvíz forgalom szállította el. A fıkeringtetı szivattyú(k) t = 0 idıpontban történı kiesése következtében a vízforgalom valamilyen ütemben ∆t1 idı alatt G1-re csökken, amint az a 9.1. ábrán látható. A reaktor teljesítménye csak - a teljesítménykorlátozó
3
biztonságvédelmi rendszer jellemzıitıl függı késéssel - ∆to idı múlva kezd esni, és a vízforgalomtól eltérı ütemben csökken.
9.1. ábra
Az ábrán látható, hogy bizonyos ∆t ideig a vízforgalom és a reaktorteljesítmény között nincs meg az eredeti egyensúly, a szükségesnél kevesebb víz áramlik az aktív zónán keresztül, következésképpen nınek a különbözı hımérsékletek a reaktorban és a primerkörben. Az egyensúly felbomlás mértékét, idıtartamát és hatását alapvetıen az befolyásolja, hogy a hőtıvízforgalom milyen sebességgel csökken a szivattyú(k) kiesése után. Ilyen szempontból a 9.1. ábrán szaggatott vonallal jelzett, lassabb csökkenés a kedvezıbb. Ebben az esetben egyrészt csak ∆t′ ideig áramlik a szükségesnél kevesebb víz az aktív zónán keresztül, másrészt a tényleges és a szükséges vízforgalom különbsége is sokkal kevesebb, mint az elızı esetben. A lefutási jelleggörbét alapvetıen a fıkeringtetı szivattyú tehetetlenségi nyomatéka és hidraulikai tulajdonságai határozzák meg. Minél nagyobb a szivattyú tehetetlenségi nyomatéka, annál kedvezıbbek a viszonyok. Emiatt tekintjük a szervezett szivárgású szivattyúkat megfelelıbbnek a tömszelence nélküli szivattyúknál. A tranziens folyamatok ∆t idejét a ∆to késleltetési idı csökkentésével is lerövidíthetjük. Ez alapvetıen a teljesítménykorlátozó “fürgeségének” függvénye.
4
Bár a vonatkozó gyakorlatok elméleti részében részletesen tárgyaljuk, érdemes ismét sorra vennünk a VVER-440 típusú reaktorral szerelt atomerımő szabályozó rendszerének legfontosabb elemeit. A reaktorba és a hıtechnikai berendezésekbe beépített, az összehangolt mőködést biztosító fı szabályozó rendszerek a következık: • a reaktor automatikus teljesítmény szabályozója (ARM); • a reaktor leterhelı és teljesítmény korlátozó berendezése (ROM); • primerköri nyomásszabályozó (RD1); • a térfogat-kiegyenlítı szintszabályozója (RU1); • a gızfejlesztık szintszabályozója;
normál
üzemmódban
használt
szekunder
oldali
• a gızfejlesztık feszültségkiesés és blokkindítás üzemmódjában használt szekunder oldali szintszabályozója; • a turbina teljesítményszabályozó berendezése (RMT); • a kondenzátorba és az atmoszférába lefúvó gyorsredukáló nyomásszabályozója (BRU-K ill. BRU-A). A fentiek közül az energiaszolgáltató blokk terhelését és üzemmódját megadó két szabályozó a következı: a reaktor teljesítményszabályozója (ARM) és a turbina minden üzemmódban használt teljesítményszabályozója (RMT). A reaktor teljesítményszabályozója két alapvetı üzemmódot biztosít: • az energiaszolgáltató blokk mőködésének szabályozási üzemmódja: ilyenkor a reaktor automatikus teljesítményszabályozója a turbina terhelésének megfelelı teljesítményszinten tartja a reaktort, folyamatosan ellenırizve a fıgızkollektor gıznyomását. A gıznyomás csökkenése esetén növeli, emelkedése esetén csökkenti a reaktor hıteljesítményét a szabályozórudak mozgatásával. A turbina teljesítményszabályozó berendezés nyomás figyelı szabályozója “figyelı” üzemmódban van, és csak a fıgızkollektor nyomásának megadott értékre történı csökkenése esetén lép üzembe. • az energiaszolgáltató blokk mőködésének alapüzemmódja: ez esetben a reaktor neutronfluxusának állandó értéken tartását az ionizációs kamrák árama vezérli, miközben a turbinák elıtti állandó értékő gıznyomást a turbina teljesítményszabályozója biztosítja. A turbinák teljesítményszabályozói biztosítják: • a generátorok teljesítményének - a blokk vezérlı-számítógépe, a teljesítmény automata, vagy a rendszer kézi vezérlése által - megadott értéken tartását, vagy a rendszer frekvenciájának szabályozását megadott tőréssel a megengedett teljesítményváltozások határai között (mindkét esetben az energiaszolgáltató blokk szabályozási üzemmódban van); • a reaktor mőködése közben a gıznyomás értékének tartását a fıgızkollektorban, mind adott neutronteljesítményre stabilizált üzemmódban, mind pedig csökkentett teljesítményő vagy átmeneti üzemmódban.
5
Olyan esetekben, amikor valamilyen okból (egy vagy több fıkeringtetı szivattyú kiesése, üzemzavari jelek, stb.) a megengedett teljesítmény korlátozása szükséges, a reaktor teljesítményszabályozásának struktúrája automatikusan megváltozik. Kikapcsol a reaktor automatikus teljesítményszabályozója, üzembe lép a teljesítménykorlátozó szabályozó, amely a szabályozó rudakat a reaktorra megengedett teljesítményszinteknek megfelelı helyzetbe állítja. A fıgızkollektorban a (szekunderköri) nyomás lecsökken, a turbina teljesítményszabályozó-berendezés nyomásfigyelı szabályozója mőködni kezd, a turbina teljesítményét a szelep zárásával lecsökkenti, és emiatt a fıgızkollektor nyomása újra helyre áll. A turbina leterhelését üresjáratig vagy egy adott teljesítményszintig a turbinavagy a reaktorvédelem mőködésbe lépése esetén a turbina teljesítményszabályozója végzi. 1, 2 vagy 3 db fıkeringtetı szivattyú kiesése esetén a reaktor teljesítménykorlátozó szabályozója azonnal az üzemben maradt szivattyúk számának megfelelı új teljesítmény alapjelet állítja be. Ez az érték az (9.1) egyenlet alapján határozható meg és a 9.1. üzemmód táblázatban szerepel. A teljesítmény-korlátozó beavatkozás az ÜV-3 üzemzavari védelmi rendszeren keresztül történik az éppen mőködı szabályozó kötegcsoport normál, 2 cm/s sebességő lefelé mozgatásával. A beavatkozás mindaddig tart, míg a reaktor teljesítménye a mőködı szivattyúk számának megfelelı értéket el nem éri. A lefelé mozgó szabályozó kötegcsoporttal bevitt negatív reaktivitást az üzemanyag-hımérséklet csökkenése miatt (az üzemanyag-hımérsékleti reaktivitás-együtthatónak megfelelıen) felszabaduló pozitív reaktivitás kompenzálja, a víz átmeneti melegedése azonban a (moderátorhımérsékleti reaktivitás-együtthatónak megfelelıen) a reaktivitás csökkenése irányába hat. A lekötött reaktivitás értéke egy negatív minimum után 0-hoz közelít a moderátor és üzemanyag hımérsékletének csökkenése miatt. Nyilvánvaló, hogy az üzemzavar elsı másodperceiben megbomlik a primer és szekunder kör hıegyensúlya is. A fıkeringtetı szivattyúk kiesése miatt csökken a gızfejlesztıkben átadott hıteljesítmény, miközben a turbinák teljesítménye (gıznyelése) ekkor még változatlan. A továbbiakban a fıgızkollektor nyomásesése következtében (aminek oka a gıztermelés csökkenése) a turbinák szabályozó szelepe is zárni kezd a turbina-teljesítményszabályozó berendezés nyomásfigyelı szabályozójának beavatkozása révén. Ez az ún. turbina elınyomás szabályozó (más néven “követı” szabályozó) akkor avatkozik be, ha a gıznyomás a fıgızkollektorban 43 bar érték alá csökken. A gızfejlesztıkben a vízszint változása attól függ, hogy az adott gızfejlesztı a kiesett, vagy a még üzemben lévı hurokhoz tartozik-e. A kikapcsolt gızfejlesztıkben a vízszint átmeneti ideig jelentısen csökken a primerköri tömegáram és az ebbıl adódó gıztermelés visszaesése miatt. Ezután mőködésbe lépnek a tápvíz szabályozók és visszaállítják a névleges szintet. Az üzemelı gızfejlesztıkben a szint emelkedése várható a nyomáscsökkenésbıl adódó kiforrás miatt. Ilyen esetben a gıztartalom növekedése miatt a nagy fajtérfogatú buborékok képzıdése okozza a szintnövekedést. A primerköri hımérsékletek a hıegyensúly megbomlása miatt a következıképpen változnak:
6
* A kiesett hurok hidegági hımérséklete a gıznyomás csökkenése miatt kezdetben kismértékben növekszik, majd csökken, és egy minimum érték elérése után a hőtıközeg áramának a kiesett hurokban történı visszafordulásával áll be az egyensúlyi állapot. * A hurokok melegági hımérséklete a szivattyú(k) kiesése után kezdetben emelkedik, mert a vízforgalom csökkenése miatt a közeg felmelegedése az aktív zónában nagyobb. Ennek az az oka, hogy az ÜV-3 beavatkozás hatására a reaktor teljesítmény csökkenése kis késleltetéssel következik be. * Az elızı két tendencia alapján a kiesett hurok gızfejlesztıjében a primerköri és a szekunderköri hımérséklet közötti különbség a tranziens kezdetén némileg emelkedik. * A primerköri nyomás a tranziens kezdetén emelkedik, a késıbbiekben az átlaghımérséklet csökkenése miatt esik. Az üzemzavar kezdete után kb. 1 perccel éri el a minimumot, majd a térfogat kiegyenlítı szabályozási rendszere bekapcsolja a főtıtesteket és a nyomás néhány perc múlva közelítıleg visszaáll a névleges értékre.
9.3. MEGOLDANDÓ FELADATOK
9.3.1. 6-BÓL 6 FİKERINGTETİ SZIVATTYÚ EGYIDEJŐ KIESÉSE NÉVLEGES TELJESÍTMÉNYEN Elsıként azt az esetet vizsgáljuk, amikor mind a hat fıkeringtetı szivattyú egyidejőleg kiesik (pl. az erımő feszültségkiesésének következtében) és a reaktor az ÜV-1 hatására leáll. Ilyenkor a szabályozó rudak maximális sebességgel hatolnak az aktív zónába. A hıhordozó forgalmának csökkenésével egyidejőleg a reaktor hıteljesítménye is csökken egészen a remanens hıfejlıdés teljesítményszintjéig. A reaktoron átáramló hőtıvízforgalom a fıkeringtetı szivattyúk hidraulikai jelleggörbéi által meghatározott módon mérséklıdik. Kövessük végig ezeket a folyamatokat a PC2 szimulátor segítségével. Vizsgáljuk meg, mi történik 6 fıkeringtetı szivattyú névleges teljesítményen történı egyidejő kiesése után. Az idıdiagramon kijelzendı függvények közé célszerő a reaktor nukleáris teljesítményét, termikus teljesítményét, a primerköri hőtıközeg reaktorba történı belépési és kilépési hımérsékletét, a primerköri nyomást, a reaktor hőtıközegforgalmát és a szekunderköri frissgız nyomást is felvenni. A kijelzendı függvények kiválasztás után, indítsuk el a szimulációt, majd tegyük láthatóvá a “Primerköri sémá”-t A grafikonok könnyebb leolvashatósága érdekében hagyjuk a szimulátort egy bizonyos ideig (10-20 másodpercig) a 100% névleges stacioner teljesítményen üzemelni. Ekkor gyors egymásutánban ejtsük ki a 6 FKSZ-t. Figyeljük meg az ÜV-3 és ÜV-1 jelzés mőködését. Figyeljük meg az idıdiagramon a kiválasztott paraméterek változását az idı függvényében. Olvassuk le a reaktoron
7
átfolyó hőtıközeg tömegáramának értékeket 10 másodpercenként, készítsünk táblázatot az elsı 100 másodpercre. Határozzuk meg, hogy kb. hány másodperc telt el az FKSZ-ek kiejtésétıl, ami alatt a hőtıvízforgalom az 1/3-ára esik vissza? Ekkor mennyi a reaktor teljesítménye? A kiválasztott paraméterek közül melyek azok, amelyek kezdeti csökkenés után egy minimumot elérve még növekedve nem érték el a stacioner állapotot? Ez a tranziens tulajdonképpen az ÜV-1 mőködését és a szimmetrikus szivattyúkifutás jellegét demonstrálja. A következıkben azt a folyamatot vizsgáljuk, amikor a reaktor tovább üzemeltethetı csökkentett teljesítményen, a mőködı fıkeringtetı szivattyúk számának megfelelıen.
9.3.2. 6-BÓL 3 FİKERINGETİ SZIVATTYÚ EGYIDEJŐ KIESÉSE NÉVLEGES TELJESÍTMÉNYEN 9.3.2.1. Az ÜV-3 teljesítménykorlátozó és a turbina elınyomás szabályozó mőködésének tanulmányozása Az elızı pontban megjelenítésre kiválasztott paramétereket használva folytassuk a fıkeringtetı szivattyúk kiesése okozta tranziensek tanulmányozását, most 3 FKSZ egyidejő kiejtésével névleges teljesítményen. Vegyük fel az elsı 5 perc idıdiagramját, és hasonlítsuk össze az elızıvel. Figyeljük meg a primerköri tömegáram csökkenésének görbéjét az elızıhöz viszonyítva. Lényeges különbség, hogy a turbina elınyomás szabályozója a frissgıznyomás 43 bar értékig történı csökkenésekor zárja a turbinaszelepet, majd ezt követıen a reaktor nukleáris teljesítménye is lecsökken a korlátozó által maximálisan megengedett (53%) alá. Így a reaktor kb. 15%-kal alacsonyabb teljesítményen üzemel ennél az értéknél. Figyeljük meg az “FKSZ nyomómagasság karakterisztika és munkapont”grafikonok elıhívásával, hogy a tranziens során hogyan változik a kiesett szivattyúk munkapontja, és mikor következik be a hőtıközeg áramlási irányának megfordulása. Ugyancsak kövessük nyomon a “GF hımérséklet eloszlás” grafikonok segítségével a kiesett hurkok gızfejlesztıiben bekövetkezı hımérsékleteloszlás változásokat. Értelmezzük a látottakat. 9.3.2.2. A reaktor szabályozása kézi üzemmódban 6-ból 3 FKSZ kiesése esetén Az elızı feladat végrehajtása során tapasztaltuk, hogy 3 FKSZ kiesésekor a reaktor teljesítménye az “Üzemmód táblázatban” (9.1. táblázat) megengedett érték alá esik vissza a turbina elınyomás szabályozó mőködése miatt.
8
Próbáljuk meg a 3 FKSZ kiesése után a szekunderköri frissgıznyomás figyelése közben manuális üzemmódban zárni a turbinaszabályozó szelepet olyan mértékben, hogy a nyomás ne essen 43 bar alá. Közben figyeljük az ÜV-3 mőködésbe lépését. Ábrázoljuk az elızı pontban kiválasztott paraméterek idıbeni változását és hasonlítsuk össze most tapasztaltakkal. Értelmezzük az eltéréseket.
9.4. ELLENİRZİ KÉRDÉSEK 9.4.1. Ismertessen néhány, a reaktor leállítását nem igénylı üzemzavart. 9.4.2. Értelmezze (ábra segítségével) az FKSZ kiesésekor a primerköri hőtıvízforgalom és a reaktor teljesítmény között fennálló egyensúly megbomlását. 9.4.3. Írja le röviden, hogyan mőködik a reaktor teljesítményszabályozás és a turbina elınyomás szabályozás rendszere pl. 3 FKSZ kiesése esetén. 9.4.4. Hogyan tudna befolyást gyakorolni a turbina elınyomás szabályozó mőködésbe lépésének elkerülésére 6-ból 3 FKSZ kiesése esetén?
9
