Bibliografická citace práce: PROKOP, O. Role elektrárny Dukovany v elektrizační soustavě ČR. Bakalářská práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2014, 52 stran.
Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. ……………………………
Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Karlu Katovskému, Ph.D. za metodickou a pedagogickou pomoc při zpracování této práce. Zároveň bych rád poděkoval svému konzultantovi Ing. Liboru Fejtovi za vedení a odborné rady při řešení této problematiky. V Brně dne …………………….….
Podpis autora …………………….….
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky
Bakalářská práce
Role elektrárny Dukovany v elektrizační soustavě ČR Ondřej Prokop
Vedoucí: Ing. Karel Katovský, Ph.D. Konzultant: Ing. Libor Fejta Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2014
Brno
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering
Bachelor’s Thesis
Nuclear power plant Dukovany tasks within an electricity grid of the Czech Republic by
Ondřej Prokop
Supervisor: Ing. Karel Katovský, Ph.D. Co-supervisor: Ing. Libor Fejta Brno University of Technology, 2014
Brno
Abstrakt
5
ABSTRAKT Cílem bakalářské práce je popsat roli elektrárny Dukovany (EDU) v elektrizační soustavě ČR. Zvýšením výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů, dochází v elektrizační soustavě častěji k nedodržování kritéria N-1 a tím i ke snížení spolehlivost celé soustavy. Zvyšuje se tak riziko blackoutu soustavy, který by měl za následek velké hospodářské škody a ohrožení lidských životů. Proto spolehlivé, dobře regulovatelné a bezpečné zdroje elektrické energie jsou velmi důležité. Úvodní část práce popisuje úlohu EDU při regulaci základních elektrických parametrů v normálním provozu elektrizační soustavy. Druhá část práce se zabývá stavy a funkcí EDU při úplném nebo částečném rozpadu elektrizační soustavy. V závěrečné části je analyzován význam EDU v elektrizační soustavě ČR a budoucí vývoj s možnou výstavbou nových jaderných bloků po ukončení životnosti v roce 2035. Elektrárna Dukovany je důležitým regulátorem jalového výkonu, protože v jihovýchodní části ČR není jiná elektrárna, která by mohla jalový výkon významně regulovat. Výkon poskytovaný EDU na podpůrné služby regulace činného výkonu a frekvence v posledních letech výrazně roste. To je dáno vlivem zvýšené výroby z obnovitelných zdrojů. Při částečném rozpadu elektrizační soustavy přechází bloky do ostrovního provozu. Pokud frekvence přesáhne dovolené meze, EDU zreguluje na vlastní spotřebu. V tomto stavu může být provozována bez časového omezení. Následně se může na pokyn dispečinku podílet na obnově soustavy. Pokud blok nezreguluje na vlastní spotřebu a nejsou dostupné rezervní zdroje napájení ani nouzové dieselgenerátory, musí být co nejrychleji obnoveno napájení. Pro obnovu napájení se využívá šest na sobě nezávislých možností. Další možností obnovy napájení bude AAC síť po dokončení v roce 2014. Ta bude odolná extrémním klimatickým vlivům a bude umístěna v areálu elektrárny, čímž bude EDU více nezávislá na vnější síti.
KLÍČOVÁ SLOVA:
Blackout; Elektrizační soustava; Jaderná bezpečnost; Jaderná elektrárna Dukovany; Obnova napájení; Ostrovní provoz; Podpůrné služby; Regulace
Abstract
6
ABSTRACT The aim of the Bachelor’s thesis is to describe the role of The Nuclear Power Plant Dukovany (Dukovany NPP) in the Czech electricity grid. Increasing of the production of electricity from renewable energy sources in the electricity grid causes more frequently compliance of N-1 criterion and it decrease the reliability of the electricity grid. The risk of Blackout increases, which would cause large economic losses and danger to the life of human beings. Therefore, reliable, good controllable and safety sources of electricity are very important. The first part of the thesis describes the role of Dukovany NPP in the process of regulation of basic electrical parameters during the normal operation of electricity grid. The second part of the thesis deals with states and the function of Dukovany NPP after full or partial disintegration of the electricity grid. Final part analyzes the importance of Dukovany NPP in Czech electricity grid and future development Dukovany NPP with possibility of the construction of new nuclear units after the end of the operation in 2035. The Dukovany NPP is an important regulator of the reactive power. There isn’t other power plant in the southeastern part of the Czech Republic, which could significantly control reactive power. The power from Dukovany NPP, which is provided on ancillary services controlling the real power and frequency has been increasing in recent years. This is due to the increasing production of renewable sources. Units switch to island operation after partial disintegration of electricity grid. If frequency exceeds the limit, the units will switch to it is own consumption. In this stage of operation at own consumption can Dukovany NPP operated without the time limit. Dukovany NPP may participate in restoring the electricity grid, based on dispatch control instruct. If switching to own consumption is not successful and back up sources and emergency’s dieselgenerator are unavailable, the power supply has to be restored as soon as possible. There are six independent solutions to restore the power supply. Next option of restore power supply will be the AAC network after the completion of construction in 2014. The AAC network will be resistant to the extreme weather and will be place it in the area of the power station, thereby Dukovany NPP will be more independent on external network.
KEY WORDS:
Blackout; Electricity grid; Nuclear safety; Nuclear power plant Dukovany; Restore power supply; Island operation; Ancillary services; Control,
Obsah
7
OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ..................................................................................................................................9 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................10 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .......................................................................................................11 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................13 2 ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA ČESKÉ REPUBLIKY ......................................................................14 2.1 PŘENOSOVÁ SOUSTAVA ČESKÉ REPUBLIKY ...................................................................................14 2.1.1 SYSTÉMOVÉ SLUŽBY ...............................................................................................................15 2.2 PODMÍNKY PRO PROVOZ ELEKTRÁRENSKÝCH BLOKŮ .................................................................16 3 ELEKTRICKÁ ČÁST ELEKTRÁRNY EDU......................................................................................17 3.1 VÝROBA A VYVEDENÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE DO ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY .............................17 3.1.1 ROZVODNA SLAVĚTICE ..........................................................................................................18 3.2 NAPÁJENÍ VLASTNÍ SPOTŘEBY EDU ...............................................................................................19 3.2.1 PRACOVNÍ NAPÁJENÍ VLASTNÍ SPOTŘEBY ..............................................................................19 3.2.2 REZERVNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉHO NAPÁJENÍ VLASTNÍ SPOTŘEBY ........................................19 3.2.3 HAVARIJNÍ ZDROJE NAPÁJENÍ .................................................................................................19 4 REGULACE ČINNÉHO VÝKONU A FREKVENCE........................................................................20 4.1 PRIMÁRNÍ REGULACE FREKVENCE .................................................................................................20 4.2 SEKUNDÁRNÍ REGULACE ČINNÉHO VÝKONU A FREKVENCE .........................................................21 4.3 TERCIÁLNÍ REGULACE ČINNÉHO VÝKONU .....................................................................................21 4.4 ZAŘAZENÍ EDU DO REGULACE ČINNÉHO VÝKONU A FREKVENCE ..............................................21 5 REGULACE NAPĚTÍ A JALOVÉHO VÝKONU ..............................................................................23 5.1 ZÁSADY REGULACE NAPĚTÍ A JALOVÉHO VÝKONU .......................................................................24 5.1.1 PRIMÁRNÍ REGULACE ..............................................................................................................24 5.1.2 SEKUNDÁRNÍ REGULACE ........................................................................................................24 5.1.3 TERCIÁLNÍ REGULACE NAPĚTÍ ................................................................................................25 5.2 REGULACE NAPĚTÍ V PILOTNÍM UZLU SLAVĚTICE ........................................................................25 6 OSTROVNÍ PROVOZ ...........................................................................................................................27 6.1 EDU V OSTROVNÍM REŽIMU............................................................................................................27 7 ZREGULOVÁNÍ BLOKU EDU NA VLASTNÍ SPOTŘEBU ............................................................29 8 ÚPLNÁ ZTRÁTA NAPÁJENÍ BLOKŮ EDU .....................................................................................30 8.1 MOŽNOSTI OBNOVY NAPÁJENÍ VLASTNÍ SPOTŘEBY ......................................................................30 8.1.1 OBNOVA NAPÁJENÍ ZE Z VNĚJŠÍ SÍTĚ 400 KV A 110 KV .........................................................30 8.1.2 OBNOVA Z BLOKU EDU, KTERÝ ZREGULOVAL NA VLASTNÍ SPOTŘEBU ................................31 8.1.3 PODÁNÍM NAPĚTÍ Z EDA ........................................................................................................31 8.1.4 PODÁNÍM NAPĚTÍ Z ELEKTRÁRNY VRANOV ...........................................................................31 8.1.5 OBNOVA NAPÁJENÍ Z DIESELGENERÁTORU JINÉHO REAKTOROVÉHO BLOKU ........................31 8.1.6 AAC SÍŤ ..................................................................................................................................32 8.2 RIZIKA SPOJENÁ S BLACKOUTEM REAKTOROVÉHO BLOKU .........................................................33
Obsah
8
8.3 CVIČENÍ BLACKOUT EDU 2014 ......................................................................................................34 9 OBNOVA SOUSTAVY S ÚČASTÍ EDU ..............................................................................................35 9.1 MOŽNÉ SCÉNÁŘE OBNOVY SOUSTAVY S ÚČASTÍ EDU...................................................................36 9.1.1 SCÉNÁŘ 1 ................................................................................................................................36 9.1.2 SCÉNÁŘ 2 ................................................................................................................................37 9.1.3 SCÉNÁŘ 3 ................................................................................................................................38 10 ANALÝZA ROLE EDU V ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVĚ .............................................................39 10.1 NORMÁLNÍ PROVOZ ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY ..........................................................................39 10.2 STAVY A FUNKCE EDU PO ROZPADU ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY ...............................................41 10.3 VÝSTAVBA NOVÝCH BLOKŮ EDU .................................................................................................43 11 ZÁVĚR ...................................................................................................................................................45 11.1 SOUČASNÝ STAV .............................................................................................................................45 11.2 ZÁVĚRY PRÁCE A JEJÍ PŘÍNOS.......................................................................................................46 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................48 PŘÍLOHY ...................................................................................................................................................51
Seznam obrázků
9
SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 – Schéma elektrizační soustavy ČR [2] ........................................................................ 14 Obrázek 2 – Vyvedení výkonu 1. reaktorového bloku EDU [8] ..................................................... 17 Obrázek 3 – Zapojení uzlu EDU do PS ČR [11] ............................................................................ 18 Obrázek 4 – Denní přeshraniční toky elektrické energie (příklad ze dne 18. 4. 2014) [22] .......... 20 Obrázek 5 – Změna výkonu bloku EDU při poskytování MZ15 [6] ............................................... 22 Obrázek 6 – Ideové schéma regulace napětí a jalového výkonu [27] ............................................ 24 Obrázek 7 – Rozdělení napěťových zón z hlediska regulace [31] .................................................. 25 Obrázek 8 – PQ diagram 300 MVA generátoru [27] .................................................................... 26 Obrázek 9 – Realizace AAC sítě do stávajícího schématu EDU (zeleně) [19] .............................. 32 Obrázek 10 – Selhání dna tlakové nádoby reaktoru VVER440 - teplota v aktivní zóně [19] ........ 33 Obrázek 11 – Fotografie ze cvičení blackout 2014 ze dne 13. 3. 2014 .......................................... 34 Obrázek 12 – Obnova ES s účastí EDU při zajištění rezervního napájení z EDA [39] ................ 36 Obrázek 13 – Obnova ES s účastí EDU, při zajištění nezávislého napájení z vnější sítě [39] ...... 37 Obrázek 14 – Obnova ES s účastí EDU při zajištění nezávislého napájení z jiného bloku[39] .... 38 Obrázek 15 – Diagram zatížení [45] .............................................................................................. 39 Obrázek 16 – Odpadlá výroba EDU v rámci PpS v letech 2008 – 2013 [6] ................................. 40 Obrázek 17 – Odpadlá výroba EDU podle jednotlivých typů podpůrných služeb [46] ................. 40 Obrázek 18 – Toky elektrického výkonu při velkých dodávkách z větrných elektráren [47] ......... 41 Obrázek 19 – Garantovaná cena silové elektřiny ETE po dostavbě (model ČEZ) [49] ................ 44 Obrázek 20 – Struktura bakalářské práce ...................................................................................... 46
Seznam tabulek
10
SEZNAM TABULEK Tabulka 1 – Přehled systémových služeb a odpovídajících podpůrných služeb [1] ...................... 15 Tabulka 2 – Specifikace turbogenerátoru EDU [9] ....................................................................... 17 Tabulka 3 – Nabízené regulační rozsahy a trendy změn výkonu při regulaci na telefon [26] ...... 22 Tabulka 4 – Toleranční pásma napětí a jalového výkonu v PS [28] ............................................. 23 Tabulka 5 – Energetická vlastní spotřeba jednoho bloku [9] ........................................................ 30 Tabulka 6 – Významné poruchy v elektročásti EDU [11] .............................................................. 43
Seznam symbolů a zkratek
11
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK 9BT01
Odbočkový transformátor pro napájení společné vlastní spotřeby
AAC
Alternative alternate current (Diverzní zdroj střídavého napájení)
ASRU
Automatická sekundární regulace napětí
BA, BB, BC, BD
Rozvodny 6,3 kV nezajištěného napájení
BL, BM
Rezervní přípojnice 6,3 kV
BT01, BT02
Odbočkové transformátory pro napájení blokové vlastní spotřeby
BV, BW, BX
Systémové rozvodny 6,3 kV zajištěného napájení II. kategorie
ČEPS, a.s.
Akciová společnost Česká přenosová soustava
ČR
Česká republika
DG
Dieselgenerátor
E.ON
Distributor elektrické energie
EDA
Elektrárna Dalešice
EDU
Elektrárna Dukovany
ENTSO-E
European network of transmission system operators for elektricity (Evropská sít provozovatelů přenosových soustav)
ES
Elektrizační soustava
ETE
Elektrárna Temelín
HDO
Hromadné dálkové ovládání
HG
Hydrogenerátor
HPK
Hlavní parní kolektor
HVB
Hlavní výrobní blok
Hz
Hertz (jednotka frekvence)
KQ
Tvrdost elektrického uzlu
MZ15
Minutová záloha poskytnutá do 15 minut od pokynu dispečinku
N-1
Spolehlivostní kritérium
N-2
Zvýšené spolehlivostní kritérium pro vyvedení výkonu z jaderných elektráren
PpS
Podpůrné služby
PR
Primární regulace frekvence
PS
Přenosová soustava
PSK
Přepouštěcí stanice do kondenzátoru
RR
Regulační rozsah
RRPR
Regulační rozsah primární regulace
RZ
Regulační záloha
Seznam symbolů a zkratek
12
RZPR
Regulační záloha primární regulace
SBO
Station blackout
SR
Sekundární regulace činného výkonu a frekvence
TG
Turbogenerátor
UBO
Unit blackout
V435-438
Označení vedení zvlášť vysokého napětí
VVER
Vodo-vodjanoj energetičeškij reaktor (Tlakovodní reaktor)
f
Frekvence
Hz
I
Elektrický proud
A
P
Činný výkon
W
Q
Jalový výkon
VAr
t
Čas
s
U
Napětí
V
13 1 Úvod
1 ÚVOD Tématem bakalářské práce je role jaderné elektrárny Dukovany v české elektrizační soustavě. Na roli EDU v elektrizační soustavě lze nahlížet ze dvou různých pohledů. Při normálním provozu elektrizační soustavy a po částečném nebo úplném rozpadu elektrizační soustavy. Při normálním provozu elektrizační soustavy se v práci zaměřuji na principy regulace základních elektrických veličin (činný výkon, frekvence, jalový výkon a napětí) v elektrizační soustavě a jakým způsobem se EDU podílí na poskytování podpůrných služeb. Po rozpadu elektrizační soustavy může nastat z pohledu EDU několik odlišných stavů. Při částečném rozpadu elektrizační soustavy přechází EDU do ostrovního provozu. V případě, kdy dojde k vybočení frekvence z tolerančních mezí pro ostrovní provoz, frekvenční ochrana odepne blok od sítě a ten zreguluje na vlastní spotřebu. Jestliže blok na vlastní spotřebu nezreguluje a dojde ke ztrátě všech rezervních zdrojů napájení a k nedodání elektrického napájení z nouzových dieselgenerátorů, je nutné z hlediska jaderné bezpečnosti co nejrychleji obnovit napájení vlastní spotřeby, aby se obnovily všechny důležité systémy a zabránilo se tak tavení aktivní zóny a úniku radioaktivních látek do životního prostředí. Po zajištění vlastní spotřeby se bloky EDU mohou podílet na obnově elektrizační soustavy. Role jaderných elektráren je v současné době velmi aktuální. V roce 2015 EDU končí licence na provoz jaderných bloků a bude se teprve rozhodovat o jejím prodloužení do roku 2025. Dalším aktuálním důvodem je směrování energetické koncepce České republiky. Po zrušeném tendru na dostavbu nových bloků jaderné elektrárny Temelín opět dochází k diskuzi, zda nevystavět nové bloky v Dukovanech, nebo se vydat jiným směrem, než směrem jaderné energetiky, jako například Německo. To po událostech v jaderné elektrárně Fukušima začalo odstavovat své jaderné elektrárny a nahrazovat je obnovitelnými zdroji (hlavně větrné a fotovoltaické elektrárny) a klasickými tepelnými elektrárnami (zejména na hnědé uhlí). V případě prodloužení licence na provoz do roku 2025 by bylo možné licenci prodloužit licenci ještě o 10 let až do roku 2035. Následně by byl provoz ukončen a právě proto nastává otázka, jestli nové bloky nepostavit právě v Dukovanech. Proto cílem mé práce je ukázat důležitost EDU pro českou elektrizační soustavu. Poukázat na její bezpečnost při rozpadu a význam při obnově soustavy a nastínit problematiku ukončení provozu EDU po skončení životnosti z pohledu elektrizační soustavy. Téma své bakalářské práce jsem si vybral pro svůj zájem o jadernou energetiku a přenos elektrické energie. V dnešní době se skloňují témata jako ekonomická návratnost jaderných elektráren (při tendru na dostavbu jaderné elektrárny Temelín) a jaderná bezpečnost (po událostech na jaderné elektrárně Fukušima). O čem se příliš nemluví, je jejich role v elektrizační soustavě. Právě tuto problematiku demonstruji na jaderné elektrárně Dukovany.
14 2 Elektrizační soustava České republiky
2 ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA ČESKÉ REPUBLIKY „Elektrizační soustava je vzájemně propojený soubor zařízení pro výrobu, přenos a distribuci elektrické energie, včetně řídících, informačních a telekomunikačních systémů“[1]. Toky elektrického proudu v ní jsou závislé na fyzikálních zákonech, konstrukci a konfiguraci ostatních propojených soustav ENTSO-E1. Podmínky v takto složitém technologickém komplexu se velmi rychle mění [1]. Podle účelu se elektrizační soustava dělí na [2]: a) Přenosovou soustavu – pro přenos velkých výkonů na velké vzdálenosti. b) Distribuční soustavu – pro přenos elektrické energie z přenosové soustavy ke koncovým spotřebitelům. c) Průmyslové sítě – pro napájení velkých průmyslových podniků.
Obrázek 1 – Schéma elektrizační soustavy ČR [2]
2.1 Přenosová soustava České republiky Pro provoz přenosové soustavy je na území ČR vydána jediná licence, tj. přenosová soustava je přirozeným monopolem. Licenci vlastní ČEPS, a.s., podléhá regulaci Energetického regulačního úřadu a přísným pravidlům soutěžního práva. Dlouhodobé úkoly a strategická rozhodnutí vycházejí z energetické politiky státu [1]. Podle energetického zákona je ČEPS odpovědný za [3]: a) Bezpečný, spolehlivý a hospodárný provoz přenosové soustavy. Rozvoj a její propojení se soustavami okolních států. Za tímto účelem zabezpečuje PpS a dlouhodobou schopnost přenosové soustavy uspokojovat přiměřenou poptávku po přenosu elektrické energie. b) Zajištění přenosu elektrické energie na základě uzavřených smluv. c) Řízení toku elektrické energie propojenými soustavami okolních států. d) Zajištění systémových služeb na úrovni přenosové soustavy.
1
ENTSO-E – Evropská síť provozovatelů elektroenergetických přenosových soustav. Je asociací 41 evropských provozovatelů přenosových soustav z celkem 34 zemí Evropy. K cílům asociace patří fungování vnitřního trhu a přeshraničního obchodu s elektrickou energií a zajištění optimálního řízení a rozvoje evropských přenosových soustav. Jednou z nejdůležitějších aktivit ENTSO-E je tvorba síťových kodexů [1].
15 2 Elektrizační soustava České republiky
2.1.1 Systémové služby „Systémové služby slouží k zajištění bezpečného a spolehlivého provozu přenosové soustavy a k zajištění požadavků pro provoz ES ČR vyplývající z mezinárodní spolupráce ENTSO-E“ [3]. Pravidla poskytování těchto služeb jsou popsány v kodexu přenosové soustavy a schváleny Energetickým regulačním úřadem. Mezi systémové služby patří [1]: a) b) c) d)
udržování kvality elektrické energie, udržování výkonové rovnováhy v reálném čase, obnovení provozu, dispečerské řízení.
2.1.1.1 Podpůrné služby Podpůrné služby jsou prostředky pro zajištění systémových služeb. „Jsou definovány jako činnosti fyzických nebo právnických osob, které zajišťují správný provoz ES a s tím související zajištění kvality a spolehlivosti dodávky elektrické energie“ [4]. Hlavním úkolem PpS je korigovat rozdíly mezi výrobou (změnou výkonu elektrárenských bloků) a spotřebou. Veškeré subjekty připojené do ES mají právo nabízet PpS. Pro jejich zařazení je však nutné splnit technické a obchodní podmínky stanovené kodexem přenosové soustavy [4]. Přehled systémových služeb a odpovídajících podpůrných služeb je znázorněn v následující tabulce. Systémová služba
Udržování kvality elektřiny
Technicko-organizační prostředek
Provozovatelé elektrárenských bloků
Udržování souhrnné výkonové zálohy
Primární regulace f bloku
Sekundární regulace napětí Sekundární regulace U/Q Sekundární regulace faP
Udržování výkonové rovnováhy
Terciální regulace výkonu
Rychle startující 15 minutová záloha Minutová záloha Snížení výkonu
Zajištění dispečerské zálohy Obnovování provozu
Sekundární regulace P bloku
Dispečerská záloha Schopnost startu ze tmy Schopnost ostrovního provozu
Tabulka 1 – Přehled systémových služeb a odpovídajících podpůrných služeb [1] Při poskytování PpS, dochází z důvodu řízení bloku v jeho regulačním rozsahu k dodávce elektrické energie, která může být odlišná od dodávky vycházející ze sjednaných hodnot. Tento rozdíl, jestliže byl vyvolán požadavky dispečinku ČEPS v souvislosti s poskytováním PpS, je označen jako regulační energie. Regulační energie může být kladná, jeli skutečná dodávka bloku vyšší než plánovaná, nebo záporná, je-li nižší [4].
16 2 Elektrizační soustava České republiky Kodex definuje regulační rozsahy jednotlivých PpS vždy v kladné číselné hodnotě a značí jej RR. Dle typu PpS přidává k RR její zkratku (RRPR pro primární regulaci). Dále kodex definuje uvolněnou maximální regulační zálohu PpS značenou RZ. Regulační záloha nabývá buď kladné, nebo záporné hodnoty, tj. značení bude např. RZPR+, RZPR- [4].
2.1.1.2 Dispečerské řízení Základním posláním dispečerského řízení je zajištění spolehlivého a bezpečného provozu ES. K tomu se využívají manipulace v přenosové soustavě, spolupráce s elektrárnami, s dispečinky distribučních soustav a s provozovateli přenosových soustav v uskupení ENTSO-E. Dalším úkolem dispečerského řízení je v každém okamžiku vyrovnávat výkyvy mezi spotřebou a výrobou při respektování N-1 kritéria2. Prostředky operativního řízení jsou [5]: a) Dispečerské pokyny – provozní instrukce a operativní pokyny dispečera. b) Technické prostředky – dispečerský řídicí systém, telekomunikační propojení se všemi řízenými a spolupracujícími objekty, řídicí systémy rozvoden, systémy chránění. c) Obchodní postupy – aktivace PpS, redispečink. Vlivem výstavby obnovitelných zdrojů dochází častěji ke vzniku rozdílu mezi skutečnými a sjednanými toky elektrické energie, tzv. přetoky elektrické energie. Ty mohou vést k následným kruhovým tokům3, které mohou blokovat část přenosové kapacity, a tím přispívat ke snížení obchodního využití přeshraničních kapacit [5]. Z tohoto důvodu se začal ve větší míře využívat redispečink. Pod pojmem redispečink se rozumí přerozdělení výkonu mezi elektrárnami [1]. Dochází k úpravě výkonu některého elektrárenského bloku jednak rámci ČR (interní) nebo v sousedních soustavách (externí) nebo jejich kombinací (mezinárodní) za účelem odstranění přetížení vedení nebo jeho hrozby [6].
2.2 Podmínky pro provoz elektrárenských bloků Elektrárenský blok musí být schopen trvalého provozu alternátoru ve frekvenčním pásmu od 48,5 Hz do 50,5 Hz s napětím na svorkách alternátoru v rozmezí 95 – 105 % jmenovitého napětí. Blok s parní nebo plynovou turbínou musí být schopen okamžitého a bezpečného přechodu z plného zatížení na provoz vlastní spotřeby a v tomto stavu setrvat minimálně dvě hodiny. V případě vzniku ostrovního provozu musí měnit svůj výkon automaticky nebo na pokyn dispečera tak, aby se podílel na regulaci frekvence ostrova. Musí být odolný proti poruchám v síti (zkraty, přetížení, autooscilace, atd.) [1].
Kritérium N-1 vyjadřuje schopnost přenosové soustavy pracovat spolehlivě i po výpadku jakéhokoliv prvku (vedení, transformátor, elektrárenský blok, ad.) [1]. 3 Kruhový tok, je takový tok výkonu, který je vyvolaný konfigurací zdrojů a sítí v propojených soustavách, uzavírající se sousedními soustavami [1]. 2
17 3 Elektrická část elektrárny EDU
3 ELEKTRICKÁ ČÁST ELEKTRÁRNY EDU 3.1 Výroba a vyvedení elektrické energie do elektrizační soustavy Na elektrárně Dukovany jsou instalovány 4 tlakovodní reaktory typu VVER 440. V původním projektu byl elektrický výkon každého bloku 440 MW, po modernizaci má každý blok elektrický výkon 500 MW. Na každý reaktorový blok připadají dvě turbosoustrojí. Dvojice reaktorových bloků jsou uspořádány do dvou HVB [7]. Každý elektrický blok je složen z [8]: a) Turbogenerátoru – specifikace viz tabulka 2. b) Generátorového vypínače – umožňuje přifázování TG k síti, ve vypnutém stavu umožňuje napájení vlastní spotřeby ze sítě 400 kV a je schopen TG bezpečně odpojit při poruše v síti. c) Zapouzdřenými vodiči s odbočkou na odbočkový transformátor. d) Blokového transformátoru – transformace 15,75 kV / 420 kV. e) Odpojovače. Jmenovitý zdánlivý výkon
300 MVA
Jmenovitý činný výkon
250 MW
Jmenovitý účiník
0,85
Jmenovité napětí statoru (sdružené)
15750 ± 5 % V
Jmenovitý proud statoru (fázový)
10977 A
Tabulka 2 – Specifikace turbogenerátoru EDU [9]
Obrázek 2 – Vyvedení výkonu 1. reaktorového bloku EDU [8]
18 3 Elektrická část elektrárny EDU
3.1.1 Rozvodna Slavětice Výkon z každého reaktorového bloku je vyveden samostatným vedením 400 kV do 3 km vzdálené rozvodny Slavětice. Rozvodna Slavětice je v rámci přenosové soustavy propojena na úrovni 400 kV v podélné větvi jednoduchým vedením V433 s rozvodnou Dasný a dvojitým vedením V435 a V436 s rozvodnou Sokolnice. V příčné větvi je propojena vedením V434 s rozvodnou Čebín a v rámci ENTSO-E propojena dvojitým vedení V437 a V438 s rakouskou rozvodnou Dürnrohr4 [12]. Rozvodna má dvě napěťové hladiny 400 kV a 110 kV. Vyvedení výkonu z rozvodny Slavětice je navrženo podle přísnějšího N-2 kritéria [11]. Schéma připojení rozvodny Slavětice do ES ČR se nachází v Příloze 2 [13]. Do rozvodny Slavětice je vyveden také výkon z elektrárny Dalešice. Její součásti je vyrovnávací nádrž Mohelno, přečerpávací elektrárna Dalešice a průtočná vodní elektrárna Mohelno. Na horní nádrži jsou instalovány 4 reverzibilní5 Francisovy turbíny každá o elektrickém výkonu 112,5 MW. Elektrárna Dalešice byla vybudována v přímé souvislosti s výstavbou EDU [14]. Slouží jednak jako rezervní a nouzové napájení a jednak je z dolní nádrže Mohelno čerpána surová průmyslová voda pro EDU [15]. Na dolní nádrži Mohelno jsou instalovány dvě Kaplanovy turbíny o elektrickém výkonu 1,2 MW, které jsou schopny podat napájení pro rozjezd velkých hydrogenerátorů na Dalešicích, čímž je zajištěna služba start ze tmy (blackstart) pro bloky EDU v případě výpadku napájení (více v kapitole 8.1.3). Při běžném provozu EDA slouží k vykrývání denních špiček [15].
Obrázek 3 – Zapojení uzlu EDU do PS ČR [11]
Dürnrohr leží cca 35 km severozápadně od Vídně, jedná o rozvodnu s uhelnou elektrárnou, která byla postavena namísto nespuštěné jaderné elektrárny Zwentendorf. 5 Reverzibilní turbíny jsou schopny pracovat jednak v turbínovém režimu (v denních špičkách), nebo v čerpadlovém režimu (v noci při doplňování horní nádrže) [3]. 4
19 3 Elektrická část elektrárny EDU
3.2 Napájení vlastní spotřeby EDU 3.2.1 Pracovní napájení vlastní spotřeby Pracovní napájení vlastní spotřeby je napájeno přes dvojici odbočkových transformátorů (BT01, BT02). Odbočkové transformátory mohou být napájeny buď z vnější sítě 400 kV nebo z vlastních TG [8]. Na prvním reaktorovém bloku je navíc instalovaný odbočkový transformátor (9BT01) pro napájení společné vlastní spotřeby celé elektrárny (9BA, 9BB). V případě zachování vazby 400 kV nebo TG, který úspěšně zreguloval na vlastní spotřebu (viz kapitola 7) se tyto zdroje využívají při normálním, abnormálním i havarijním provozu, [11]. Odbočkové transformátory elektricky napájí čtyři rozvodny blokové vlastní spotřeby 6 kV, ze kterých jsou napájeny hlavní pohony primárního a sekundárního okruhu a rozvodny zajištěného napájení6 (BV, BW, BX) [17].
3.2.2 Rezervní zdroje elektrického napájení vlastní spotřeby Rezervní napájení vlastní spotřeby je zajištěno z rozvodné sítě 110 kV z rozvoden Slavětice a Oslavany [8]. Rezervní napájení pro každý HVB zajišťují dva transformátory, které jsou připojeny k blokovým rozvodnám (BA, BB, BC, BD) přes rezervní přípojnice (BL, BM). Pomocí vypínačů je možné propojit oba systémy mezi 1. HVB a 2. HVB. Díky tomu je umožněno vzájemné zálohování zdrojů obou HVB [11].
3.2.3 Havarijní zdroje napájení Havarijními zdroji napájení jsou na každém bloku 3 automaticky startující dieselgenerátory, každý o elektrickém výkonu 2,8 MW a 3 akumulátorové baterie. Celková zásoba nafty postačuje na provoz jednoho DG po dobu nejméně 6 dní bez nutnosti doplňování paliva [17]. Všechny akumulátorové baterie mají projektem stanovenou vybíjecí dobu 2 hodiny, ale výsledky posledních měření ukázaly minimální výdrž 10 až 12 hodin dle realizace úsporných opatření [19]. Pro napájení bezpečnostních systému jsou na každém bloku k dispozici 3 systémy zajištěného napájení, které jsou na sebe nezávislé a vzájemně oddělené (stavebně, elektricky, požárně, řízením) [11].
6
Zajištěné napájení vlastní spotřeby je soubor technologických prvků, které slouží při výpadku napájení k bezpečnému doběhu elektrárny, aniž by došlo k materiálním škodám a k ohrožení osob [9].
20 4 Regulace činného výkonu a frekvence
4 REGULACE ČINNÉHO VÝKONU A FREKVENCE Jedním ze základních problémů zajištění plynulé dodávky elektrické energie je její neskladnost. Z tohoto důvodu musí být v každém časovém okamžiku v ES udržována rovnováha mezi výrobou a spotřebou [20]. ∑ PG = ∑ PS + ∑ PZ (W)
(4.1)
PG…celkový činný výkon dodávaný generátory (W) PS…celkové činné zatížení ES, včetně vlastní spotřeby elektráren (W) PZ…celkové ztráty v sítích (W) Z dlouhodobého hlediska se zajišťuje rovnováha mezi výrobou a spotřebou na základě organizovaných obchodů na burzovním trhu se silovou elektřinou7 [20]. Jak lze vidět na obr. 3 nasmlouvané toky elektrické energie neodpovídají vždy skutečnému toku elektrické energie (pro ilustraci byl použit denní graf ze dne 18. 4. 2014). Z tohoto důvodu je nutné pro zajištění stability výkon regulovat.
Obrázek 4 – Denní přeshraniční toky elektrické energie (příklad ze dne 18. 4. 2014) [22] Regulace se provádí na straně spotřeby nebo na straně výroby. Základním úkolem není omezovat výrobu, ale pouze ji usměrňovat prostřednictvím technických prostředků (HDO používá se zejména pro řízení elektrotepelných spotřebičů) a ekonomických prostředků (cena elektrické energie je rozdělena do tarifních pásem). Na straně výroby se regulace provádí změnou výkonu elektrárenského bloku (primární, sekundární a terciální regulace) [21].
4.1 Primární regulace frekvence „Primární regulace frekvence je lokální automatická funkce zajišťovaná obvody primární regulace, spočívající v přesně definované změně výkonu elektrárenského bloku v závislosti
7
Silová elektřina je předmětem nabídky a poptávky na energetickém trhu, jedná se o neregulovanou část z celkové ceny elektrické energie. Její cena je určena vývojem na burze [37].
21 4 Regulace činného výkonu a frekvence na odchylce frekvence od zadané hodnoty“ [4]. Cílem PR je zastavení vzrůstu či poklesu odchylky frekvence od nominální hodnoty v řádu několika sekund [1]. Regulační záloha primární regulace je pro celou synchronní soustavu ENTSO-E stanovena tak, aby při odchylce frekvence v ustáleném stavu o -200 mHz byl aktivován celý rozsah PR. Při nárůstu frekvence o 200 mHz se naopak výkon elektrárenských bloků zapojených do PR, snížil o celý regulační rozsah PR [23]. Poskytovatel PR musí zajistit uvolnění požadované regulačního rozsahu do 30 sekund od okamžiku vzniku odchylky frekvence [4]. Primární regulace frekvence je vždy symetrická, tj. musí platit rovnice 4.2 [24]. 1
RZPR= 2 ∙RRPR
(4.2)
Primární regulace frekvence je založena na tzv. principu solidarity. To v praxi znamená, že na obnově výkonové rovnováhy se podílejí všechny zdroje v propojené soustavě zapojené do PR. Pro ES ČR připadá podle pravidel ENTSO-E hodnota regulační zálohy 84 MW [23].
4.2 Sekundární regulace činného výkonu a frekvence „Sekundární regulace je proces změny hodnoty výkonu elektrárenského bloku podle požadavku regulátoru frekvence a salda8 předávaných výkonů na dispečinku ČEPS“ [4]. Sekundární regulace je centrálně koordinována na úrovní ES ČR a jejím cílem je udržovat saldo předávaných výkonů s propojenými soustavami na sjednané hodnotě. Sekundární regulace navazuje na primární regulaci tak, aby postupně nahradila výkon poskytnutý na principu solidarity [23]. Je zajišťována sekundárním regulátorem umístěným na dispečinku ČEPS, na který jsou připojeny terminály elektráren a terminály hraničních rozvoden měřící předávaný výkon. Sekundární regulátor pracuje podle metody síťových charakteristik, které zajišťují tzv. princip neintervence, tj. výkonovou nerovnováhu vyrovnává pouze postižená regulační oblast [1]. Poskytovatel SR musí velikost regulační zálohy poskytnout nejpozději do 15 minut od požadavku dispečinku [4]. Pokud je poskytována na jednom bloku je vždy symetrická, v případě poskytování na více blocích, může být na jednotlivých blocích rozložena nesymetricky, avšak v součtu musí být vždy symetrická [24]. Do SR se počítá jakýkoliv výkon dostupný do 15 minut, např. rychle startující 15 minutová záloha, výpomoc ze zahraniční soustavy, ad. [23].
4.3 Terciální regulace činného výkonu Terciální regulace činného výkonu slouží pro nahrazení vyčerpané sekundární regulační zálohy [1]. Jedná se o výkonový rozsah dosažitelný do 30 minut od požadavku dispečinku [23].
4.4 Zařazení EDU do regulace činného výkonu a frekvence Do podpůrných služeb se bloky EDU zařazují zejména jako operativní náhrada za klasické tepelné elektrárny. Minimální hodnota reaktoru pro provoz v režimu poskytování PpS je certifikátem omezena na 81 % nominálního výkonu reaktoru. Maximální hodnota je omezena na 98,5 % nominálního výkonu reaktoru [25]. Turbosoustrojí reaktorových bloků EDU pracuje se sumární statikou9 9 % a je schopno poskytnout maximální regulační zálohu ±5,5 MW 8 9
Saldo je rozdíl mezi celkovým dovozem a vývozem elektrické energie [37]. Sumární statika říká, o jakou hodnotu se musí změnit regulovaná veličina, aby se regulátor přestavil z nulové do nominální polohy [25].
22 4 Regulace činného výkonu a frekvence do 30 sekund. Primární regulace se však v EDU nevyužívá. Pro sekundární regulaci jsou bloky EDU certifikované na regulační rozsah 80 MW [6]. Další PpS, která je na EDU certifikovaná je tzv. Minutová záloha. Jedná se o zařízení připojená do ES ČR (obvykle elektrárenské bloky), které jsou do t minut (t = 5, 15, 30 minut) od příkazu dispečinku ČEPS schopny poskytnout sjednanou regulační zálohu. Minutová záloha je na EDU certifikovaná ve formě MZ15 v kladné i záporné podobě. To znamená, že bloky EDU jsou schopny do 15 minut snížit či zvýšit výkon dle požadavku dispečinku (obr. 4). Certifikovaný rozsah EDU je 66 MW [6].
Obrázek 5 – Změna výkonu bloku EDU při poskytování MZ15 [6] Další regulační výkon mohou bloky EDU poskytovat při tzv. regulaci činného výkonu na telefon, která spočívá ve změně výkonu bloku na základě telefonického požadavku dispečinku. Při regulaci na telefon je možné využít tyto služby [26]: a) Snížení výkonu o předem sjednanou hodnotu do 30 minut od pokynu dispečinku ČEPS (služba se na EDU necertifikuje). b) Redispečink – zvýšení či snížení výkonu bloků podle pokynu dispečinku ČEPS. c) Možné snížení výkonu – podle technických a obchodních možnosti na pokyn dispečinku. Technické podmínky provozu bloku v režimu regulace činného výkonu jsou znázorněny v následující tabulce [26]. Maximální možnosti regulace [MW/blok] Trend změny výkonu [%Nnom/min] Trend změny výkonu [MW/min]
-250
-120
-90
0,5
0,5
1
2,5
2,5
5
Tabulka 3 – Nabízené regulační rozsahy a trendy změn výkonu při regulaci na telefon [26]
23 5 Regulace napětí a jalového výkonu
5 REGULACE NAPĚTÍ A JALOVÉHO VÝKONU Regulace napětí a jalového výkonu je jedním ze základních faktorů kvality, spolehlivosti a ekonomie provozu ES [27]. Jalový výkon sám o sobě nevytváří žádnou užitečnou práci, ale většina spotřebičů ho ke své funkci potřebuje na vytvoření magnetického pole ve svém obvodu (transformátory, motory, indukční pece), případně k posunu základní harmonické proudu vůči napětí (spínání tyristorů) [2]. Pro zajištění kvality dodávky elektrické energie je nutné dodržet toleranční meze napětí a jalového výkonu (tabulka 4) [24]. Pro využití maximální přeshraniční kapacity mají být jalové výkony po mezistátních vedení ve spolupráci se zahraničními dispečinky minimalizovány. Pro zajištění bezpečného provozu ES musí být zajištěno u všech zařízení, které jsou zdrojem jalového výkonu (synchronní generátory, synchronní kompenzátory), aby se jejich jalové výkony pohybovaly uvnitř regulačního rozsahu, který je dán provozním PQ diagramem [28]. Ekonomického provozu se docílí snížením technických ztrát při přenosu elektrické energie [24]. Ztráty v elektrické síti rostou s kvadrátem proudu a způsobuje je jak činná složka proudu, tak i jalová složka proudu. Činnou složku proudu lze snížit vhodným rozložením napěťových hladin. Ze vztahu 4.3 pro převod transformátoru je patrné, že zvýšením hodnoty napětí se sníží velikost proudu. Z tohoto důvodu se vyšší napěťové hladiny používají pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti. S rostoucími napěťovými hladinami rostou nároky na izolace, tj. zvyšování napětí má své limity. Ztráty způsobené jalovou složkou proudu lze snížit vhodnou optimalizací jalových výkonu v síti [2]. U1 U2
I
= I2 => I1 = 1
U2 U1
∙ I2 (V; A)
(4.3 )
U1…Napětí na vyšší napěťové hladině (V); U2…Napětí na nižší napěťové hladině, tj. U1 > U2 (V) I1…Proud na vyšší napěťové hladině (A); I2…Proud na nižší napěťové hladině (A) Napětí v uzlech PS Síť
Základní režim
Stav N-1
Stav N-2
Jalový výkon po hraničním vedení
Umin [kV]
Umax [kV]
Umin [kV]
Umax [kV]
Umin [kV]
Umax [kV]
Q [MVAr]
400 kV
390
420
380
420
360
420
± 100
220 kV
209
242
198
242
198
242
± 50
Tabulka 4 – Toleranční pásma napětí a jalového výkonu v PS [28] V elektrizační soustavě je velmi silná vazba mezi napětím a jalovým výkonem, tj. na rozdíl od frekvence, která je ve všech místech soustavy stejná. Napětí a jalový výkon mají lokální charakter. V praxi to znamená, že napětí může být v každém uzlu soustavy jiné, proto je možné regulátory napětí a jalového výkonu aplikovat decentralizovaně [24]. Změnu jalového výkonu lze provádět buď na straně spotřeby (kompenzace), nebo na straně dodávky. Hladina napětí v určitém místě ES se mění buď bez změny jalového výkonu (pomocí změny převodu transformátoru) nebo změnou hodnoty jalového výkonu [29]. Tato změna napětí závisí nejen na velikosti změny dodávky jalového výkonu, ale také na konfiguraci daného uzlu. Proto se definuje tzv. elektrická tvrdost uzlu KQ. Ten je definován jako množství jalového výkonu, potřebného ke změně napětí o 1 kV. Velikost tvrdosti uzlu závisí na napěťové hladině a na zatížení uzlu [24].
24 5 Regulace napětí a jalového výkonu
5.1 Zásady regulace napětí a jalového výkonu V ČR se při řízení napětí využívá třístupňová hierarchie. Primární regulace na úrovni jednoho bloku elektrárny, sekundární regulace na úrovni jednoho uzlu soustavy, terciální regulace na úrovni celé regulované soustavy [29]. Ideové schéma regulace napětí a jalového výkonu je na obr. 5.
Obrázek 6 – Ideové schéma regulace napětí a jalového výkonu [27]
5.1.1 Primární regulace Primární regulace napětí udržuje zadané svorkové napětí generátoru pomocí změny buzení stroje. Působí lokálně prostřednictvím nastavených mezí podbuzení a maximálního proudu ve statoru a rotoru [30]. Vstupem regulačního obvodu svorkového napětí generátoru je žádaná hodnota svorkového napětí. Doba působení této lokální změny je v řádech sekund a má přímý vliv na stabilitu celého systému [27].
5.1.2 Sekundární regulace Sekundární regulace je plně automatická funkce (ASRU – automatická sekundární regulace napětí), která obnovuje rovnováhu spotřeby a výroby jalového výkonu v pilotním uzlu na požadovanou hladinu napětí v regulační oblasti. ASRU se skládá ze čtyř částí [29]: a) Automatický regulátor napětí – vyhodnocuje aktuální regulační odchylku a určí celkovou změnu jalového výkonu potřebnou pro její eliminaci, poté rozesílá povel na jednotlivé skupinové regulátory. b) Skupinový regulátor napětí – podle existující rezervy přeposílá požadavek na jednotlivé sekundární regulátory jalového výkonu. c) Sekundární regulátor jalového výkonu – tyto regulátory generují velikost impulsu podle zadané hodnoty napětí na mechanismus generátoru, který změní velikost jalového výkonu. Tato změna vstupuje přes blokový transformátor zpět do soustavy. d) Regulátor odboček transformátorů mezi přenosovou a distribuční soustavou – jeho úkolem je udržet na sekundární straně zadanou hodnotu napětí. Regulační proces má být aperiodický (přetlumený) nebo s maximálně jedním překmitem, aby regulace proběhla co nejrychleji. Výsledná doba regulace musí být do 2 minut [30].
25 5 Regulace napětí a jalového výkonu
5.1.3 Terciální regulace napětí Automaticky koordinuje zadaná napětí v pilotních uzlech pro bezpečný a ekonomický provoz ES jako celku a v reálném čase zajišťuje funkci celého regulačního systému [1]. Proto při terciální regulaci musí být respektovány tyto podmínky: napětí se musí pohybovat v tolerančních mezích, při regulaci se respektují aktuální rezervy jalového výkonu pro jednotlivé pilotní uzly a jalový výkonu nesmí téct přes hraniční vedení, popřípadě je ho nutné minimalizovat [32].
5.2 Regulace napětí v pilotním uzlu Slavětice Systém ASRU umožňuje udržovat zadané napětí v pilotním uzlu Slavětice dle požadavků dispečinku ČEPS. Zadaná hodnota napětí se v uzlu udržuje pomocí regulace jalového výkonu všech zdrojů pracujících do tohoto uzlu (8 TG EDU a 4 HG EDA) [27]. Systém ASRU může být provozován v těchto provozních stavech [31]: a) Primární regulace, režim „Sledování nebo porucha“ – žádný stroj není zapojen do ASRU. b) Sekundární regulace, režim „Místně“ – alespoň jeden stroj je zapojen v ASRU a operátor EDU nenabízí dálkové zadávání napětí, nebo je aktivován ostrovní provoz. c) Sekundární regulace, režim „Nabídka“ – alespoň jeden stroj je v ASRU a nabízí se dálkové zadávání, ale není potvrzeno dispečinkem. d) Sekundární regulace, režim „Dálkově“ – alespoň jeden stroj je v ASRU a probíhá dálkové zadávání.
Obrázek 7 – Rozdělení napěťových zón z hlediska regulace [31] A…Pásmo necitlivost ASRU – tj. systém nereaguje na změny napětí uvnitř zóny (ε=±0,3 kV). B…Oblast působení ASRU. C…Oblast, kdy je činnost ASRU zablokována – předpokládá se, že napětí v této oblasti se vyskytuje pouze při přechodných jevech a jeho návrat je záležitosti primární regulace. Změna jalového výkonu generátoru se provádí změnou jeho budícího napětí, tj. změnou zadané hodnoty. ASRU má přímou vazbu do buzení zdrojů a dává pokyn budící soustavě pro regulační zásah pouze v pracovních oblastech PQ diagramu. Maximální velikost změny napětí je stanovena na ±2 kV, která vytvoří změnu jalového výkonu o 100 MVAr [27]. Činný a jalový výkon předávaný generátorem není možné zvyšovat nezávisle a donekonečna. Jsou dána omezení, která plynou z konstrukce generátoru, výkonových možností turbíny, z hospodárného a bezpečného provozu TG. Tyto omezení jsou dány [27]: a) Maximálním povoleným oteplením vinutí a oteplením statoru (omezující veličinou je jmenovitý statorový proud při jmenovitém svorkovém napětí). b) Maximálním povoleným oteplením budícího vinutí a oteplením rotoru (omezující veličinou je maximální jmenovitý budící proud). c) Statickou stabilitou10 TG v režimu podbuzení.
10
Statická stabilita TG je schopnost systému nalézt při nekonečně malých a nekonečně pomalých změnách zátěžného úhlu, výkonu turbíny, parametrů přenosu elektrického činného výkonu nebo jiných veličin, které tyto parametry ovlivňují, nový stav s konstantním zátěžným úhlem (synchronní stav) [20].
26 5 Regulace napětí a jalového výkonu Výsledná křivka, která vymezuje mezní zatížení generátoru, se nazývá PQ diagram. Z PQ diagramu vyplývá, že při zvýšeném účiníku lze generátor při induktivní zátěži provozovat i pro vyšší (nižší) činný výkon než jmenovitý, je nutné, ale snížit jalový výkon, respektive zvýšit. V režimu podbuzení (kapacitní zátěž) s ohledem na statickou stabilitu stroje je provoz ve větším rozsahu možný pouze se sníženým činným výkonem. Práce generátoru v podbuzeném stavu je omezena funkcí hlídače meze podbuzení [27].
Obrázek 8 – PQ diagram 300 MVA generátoru [27]
27 6 Ostrovní provoz
6 OSTROVNÍ PROVOZ Ostrovní provoz je schopnost elektrárenského bloku pracovat do vydělené části sítě, tzv. ostrova. Většinou je stavem nouze, který je nutný co nejrychleji vyřešit přifázováním k propojené soustavě [33]. Elektrárenský blok přechází do ostrovního provozu v případě odchylky frekvence o ±200 mHz od nominální hodnoty. Bloky musí být schopny měnit automaticky svůj výkon v závislosti na odchylce frekvence a zároveň na pokyn dispečinku měnit svůj výkon tak, aby se podílely na regulaci ostrova [4]. Při přechodu do ostrovního provozu je nutné zajistit: proporcionální regulaci otáček (tzv. regulátor ostrovního provozu) a vypojit blok ze SR. Pokud je to možné, zajistit stabilní a aperiodický přechod otáček na novou hodnotu danou elektrickými parametry v ostrově, případně odepnout blok od vnější sítě a přejít do provozu na vlastní spotřebu. Blokové regulace a technologické zařízení bloku musí zajistit stabilní spolupráci s ostatními bloky zapojenými v ostrově a dle pokynu dispečinku měnit plynule otáčky TG tak, aby mohlo dojít k opětovnému přifázování k ES [32]. Rozpadem ES může vzniknout řada menších ostrovů, jejichž parametry se mohou následnými výpadky zdrojů neustále měnit. Při i po rozpadu sítě může dojít k pěti základním jevům ohrožující zbývající část soustavy: frekvenční a napěťový kolaps, ztráta synchronismu, přetížení, kývání a k mžikovému rozhození elektrických veličin vlivem zkratu (může dojít k podpěťovému vypnutí některých pohonů či rozvoden v blízkosti zkratu) [34]. Napěťový kolaps vzniká, pokud soustava nemá dostatek jalového výkonu pro zajištění stability přenosu. Vznikat může postupně např. výpadkem zdrojů jalového výkonu (elektrárenských bloků nebo kompenzačních prostředků), výpadkem vedení, čímž dojde ke zvýšení zatížení ostatních vedení při nedostatku jalového výkonu, atd. V ostrovním provozu dochází k odpojení systému ASRU od terciální regulace napětí (odpojení ASRU z režimu „Dálkově“ a přepnutí zadávání žádaného napětí na režim „Místně“). Proto regulaci napětí v ostrově provádí operátor elektrárny ve spolupráci s dispečinkem ČEPS [33]. K zajištění stabilní hodnoty frekvence v ostrově nejlépe vyhovuje režim otáčkové regulace. V otáčkové regulaci má být regulační rozsah co největší, aby byl blok schopen reagovat na odchylky frekvence, které jsou mnohem větší než v nominálním provozu. To znamená, že prioritu má bezpečnost soustavy před ekonomií provozu (výjimku tvoří jaderné elektrárny, u kterých je prioritou jaderná bezpečnost) [33].
6.1 EDU v ostrovním režimu U jaderných elektráren při přechodu do ostrovního provozu je na prvním místě jaderná bezpečnost a až poté udržení požadovaných elektrických parametrů. Pokud dojde k odchylce frekvence o ±200 mHz (± 12 ot.min-1) od nominální hodnoty, okamžitě se musí doregulovat tlak v HPK, aby neklesl pod 4,47 MPa. Po obnově nominálního tlaku v HPK následuje kontrola frekvence ostrova a stavu napětí na vývodu generátorů a rozvoden 6 kV. Po všech modernizacích může blok EDU bezpečně pracovat v intervalu frekvencí od 48,9 Hz do 51,5 Hz. Směnový inženýr může povolit provoz i při nižší, popřípadě vyšší frekvenci, ale znamená to nižší rezervu do vypnutí vedení 400 kV [34].
28 6 Ostrovní provoz Bloky jaderné elektrárny musí být schopny reagovat na změny ostrova bez prudkých změn výkonu reaktoru (z důvodu jaderné bezpečnosti). Pro větší a rychlejší změny výkonu v ostrově je nutné zajistit dostatek rychle dosažitelného výkonu. K tomu slouží přepouštěcí stanice do kondenzátoru (PSK). Přepouštěcí stanice do kondenzátoru je v ostrově standardně nastavena na regulaci rezervy výkonu. Od poklesu tlaku s trendem s větším než 200 kPa.min-1 nebo od překročení mezí o mínus 0,09 MPa nebo plus 0,15 MPa od zadaného tlaku v HPK, je PSK přepnuta do regulace tlaku v HPK. Po zregulování tlaku v HPK do dovolených mezí je PSK automaticky přepnuta zpět do regulace rezervy. Přepouštěcí stanice do kondenzátoru v ostrově tedy funguje buď jako regulátor rezervy, nebo jako regulátor tlaku v HPK. Hodnotu otevření rezervy PSK má možnost operátor měnit dle aktuálních výkonů TG a dle požadavků dispečinku [34]. Blok lze provozovat v intervalu výkonu od cca 22 MW (přechod do vlastní spotřeby) do 500 MW s trendem snížení výkonu 5 MW.s-1. Rezerva PSK příslušného TG je standardně nastavena na 20 % zadaného otevření regulačního ventilu PSK (cca 34 MW rezervy výkonu). Obsluhou je možné ruční zadání rezervy měnit v intervalu 0 až 50 % zadaného otevření regulačního ventilu PSK (až 85 MW rezervy výkonu TG). Při provozu obou TG lze tedy provozovat blok s rezervou výkonu na PSK do 170 MW. Při provozu bloku bez rezervy PSK je maximálně přípustný trend změny výkonu bloku cca 15 MW.min-1 [10]. Schopnost ostrovního provozu je v EDU certifikován jako podpůrná služba, minimální certifikovaný výkon ostrovního provozu je 44 MW [6]. Při vybočení frekvence pod 47,9 Hz po dobu 1 sekundy a nad 52,5 Hz po dobu 10 sekund je vypnuta linka 400 kV v rozvodně Slavětice a blok zreguluje na vlastní spotřebu [10].
29 7 Zregulování bloku EDU na vlastní spotřebu
7 ZREGULOVÁNÍ BLOKU EDU NA VLASTNÍ SPOTŘEBU Bloky s parní turbínou musí být schopny okamžitého a bezpečného přechodu z plného zatížení na provoz vlastní spotřeby a v tomto stavu setrvat minimálně dvě hodiny [1]. Při dané poruše (např. při vybočení frekvence pod 47,9 Hz po dobu 1 sekundy a nad 52,5 Hz po dobu 10 sekund) se předpokládá vypnutí obou vypínačů linek V483, 484, 485, 486 do rozvodny Slavětice (bez vypnutí generátorových vypínačů) a zregulování bloku na vlastní spotřebu. Přechod na vlastní spotřebu umožňují automatiky. Od automatik vypnutí 400 kV vypínačů dochází k přechodnému uzavření regulačního ventilu a regulační klapky, čímž se okamžitě sníží průtok páry do TG. Regulační systém turbíny přechází do režimu regulátoru ostrovního provozu a dochází ke snížení nastavené hodnoty otevření vysokotlakého regulačního ventilu na úroveň otevření pro vlastní spotřebu. Po stabilizaci otáček přibližně na nominální hodnotě (3000 ot.min-1) výkon TG odpovídá přibližně úrovní vlastní spotřeby. Po vypnutí 400 kV vypínačů se rozvodny rezervního napájení 6 kV napájí z generátorů, frekvence se doregulovává otáčkami TG a napětí buzením generátorů. Z důvodu zálohy zdroje je žádoucí provoz obou TG na vlastní spotřebu [35]. Současným snižováním výkonu TG je snižován také výkon reaktoru. To probíhá buď automaticky, nebo v ručním režimu. Pokud je systém regulace výkonu reaktoru v automatickém režimu, tak se výkon reaktoru snižuje automaticky až na hodnotu 20 % nominálního výkonu, poté se přepne do ručního režimu. Pokud je systém regulace výkonu reaktoru v ručním režimu a výkon reaktoru je vyšší než 50 % nominálního výkonu probíhá snižování výkonu na 20 % ručně. V případě, že výkon reaktoru je nižší než 50 %, tak snižování na 20 % nominálního výkonu reaktoru probíhá automaticky [35]. Blok, který nezreguluje na vlastní spotřebu, přejde na napájení z rezervních přípojnic 6 kV (pokud jsou pod napětím), nebo skončí v havarijním odstavení a opětovného připojení je schopen nejdříve po 8 až 16 hodinách. Úspěšně zregulovaný blok na vlastní spotřebu může být provozován v tomto stavu bez časového omezení (v praxi několikrát vyzkoušeno) a je schopen dodávat elektrickou energii do soustavy fázováním vypínače 400 kV ve Slavěticích, ihned po dodání napětí na jeho rezervní přípojnice a společnou vlastní spotřebu z vnějšího nezávislého zdroje [10].
30 8 Úplná ztráta napájení bloků EDU
8 ÚPLNÁ ZTRÁTA NAPÁJENÍ BLOKŮ EDU Jaderné elektrárny nejsou jen velkým zdrojem elektrické energie, ale i samotná elektrická energie je pro ně nezbytná. Vývin tepla nelze zcela zastavit, a proto přísun chladiva je nezbytnou součástí chlazení reaktoru [36]. Obnova napájení vlastní spotřeby jaderných elektráren při rozpadu ES je vždy prioritou [32]. Na definici blackout se dá nahlížet z pohledu: a) Elektrizační soustavy – blackout ES je stav, při kterém dochází v celé propojené soustavě nebo v její části k přerušení napájení spotřebitelů [37]. b) Jaderné elektrárny – blackout jaderného bloku je charakterizován úplnou ztrátou všech zdrojů napájení, tj. úplným nebo částečným rozpadem ES, následným nezregulováním TG na vlastní spotřebu a nedodáním elektrického napájení ani z jednoho DG. Pokud blackout proběhne na jednom reaktorovém blok, jedná se UBO, pokud proběhne na všech blocích zároveň, jedná se o SBO. Tyto stavy nemusí znamenat rozpad ES, může jít pouze o lokální poruchu s částečným rozpadem ES (např. zkrat v rozvodně Slavětice) [9]. Z pohledu EDU dochází k nejhoršímu případu, pokud k UBO dojde na 1. reaktorovém bloku, protože tento blok slouží k napájení rozvoden blokové a společné vlastní spotřeby. Z pohledu jaderné bezpečnosti dochází k nejhoršímu případu při SBO [9]. V případě SBO dochází ke ztrátě všech aktivních systému pro odvod tepla z aktivní zóny, pro řízení reaktivity11 a systémů k potlačení tlaku v hermetickém prostoru. Jediným zdrojem elektrické energie jsou akumulátorové baterie (kapitola 3.2.3). Po vyčerpání jejich kapacity dojde ke ztrátě veškeré měřící a řídící techniky, systémů kontroly reaktivity, veškerého nouzového osvětlení a signalizace [17].
8.1 Možnosti obnovy napájení vlastní spotřeby Cílem postupu je obnovit napájení alespoň jedné rozvodny zajištěného napájení kategorie 2 pro obnovu chlazení postiženého bloku. Tento cíl je prioritou pro všechny zúčastněné objekty (dispečinky ČEPS, E.ON, přilehlé vodní elektrárny, ad.) [9]. Tabulka 5 uvádí potřebný výkon pro zajištění vlastní spotřeby jednoho bloku [10]. V následujících podkapitolách je popsán postup pro obnovu napájení vlastní spotřeby EDU. Pro potřebu dochlazení bloku Pro opětovné najetí bloku Společná vlastní spotřeba EDU
Havarijně Optimálně Havarijně Optimálně Havarijně Optimálně
2,2 MW 13 MW 13 MW 19 MW 1 MW 4,5 MW
Tabulka 5 – Energetická vlastní spotřeba jednoho bloku [9]
8.1.1 Obnova napájení ze z vnější sítě 400 kV a 110 kV Jedná se o základní způsob obnovy napájení vlastní spotřeby při úplné ztrátě elektrického napájení reaktorového bloku. Využívá se v případě, kdy některá přípojnice v rozvodně Slavětice 11
Reaktivita ρ vyjadřuje míru odklonu od kritického stavu (ze dvou až tří neutronů vzniklých při štěpení paliva, vždy jen jeden vyvolá další štěpnou reakci - běžný provoz reaktoru při stálém výkonu). Pokud ρ > 0 reaktor se dostává do tzv. nadkritického stavu. Dojde-li k nadkritickému stavu, štěpná řetězová reakce roste, tím roste i počet neutronů štěpících jádra. Pokud by se hodnota reaktivity nadále zvyšovala, dojde k neřízené štěpné reakci [38].
31 8 Úplná ztráta napájení bloků EDU zůstala pod napětím a je ho možné přivést do 15 minut od poruchy [9]. Napájení v rozvodně Slavětice je možné obnovit přes některou z linek 400 kV včetně zahraničních linek (Rakousko, Slovensko) nebo z linek 110 kV. Při rozsáhlých poruchách je nutné zvážit stabilitu soustavy, která zůstala v provozu, jestli je vyšší než další možnosti obnovy napájení [39].
8.1.2 Obnova z bloku EDU, který zreguloval na vlastní spotřebu Pokud nelze rychle obnovit napájení ze zdroje 400 kV nebo 110 kV je určen zdrojový blok, přičemž se preferuje blok, u kterého zregulovaly oba TG na vlastní spotřebu a nemá příznaky poruchového stavu (pokud je to možné, tak se nepoužije 1. reaktorový blok jako zdrojový) [9]. Obnova napájení probíhá přes přípojnice rezervního napájení 6 kV nebo přes přípojnice 400 kV a 110 kV. Obnova musí proběhnout do 20 až 30 minut od vzniku poruchy. Provoz bloku na vlastní spotřebu je časově neomezen a je schopen zcela pokrýt spotřebu zbylých třech reaktorových bloků. Výjimkou mohou být bloky na konci kampaně, které jsou běžně provozovány se sníženým výkonem (88 – 92 % nominálního výkonu). Takový blok nemusí být schopen zvýšit svůj výkon, aby mohl zásobovat zbylé tři bloky. Příčinou může být tzv. Xenonová otrava, respektive jódová jáma (absorbuje reaktivitu a omezuje výkon reaktorového bloku na několik hodin). Tento jev se projevuje zejména na konci kampaně [39].
8.1.3 Podáním napětí z EDA Další možností obnovy napájení vlastní spotřeby EDU je podáním napětí z EDA. Nutná je podmínka úspěšně vytvořené telefonické konference mezi EDU, EDA a rozvodnou Slavětice. Přečerpávací elektrárna Dalešice je při ztrátě napájení schopna obnovit svůj provoz podáním napětí z vodní elektrárny Mohelno [9]. Vodní elektrárna Mohelno je schopna samostatného nájezdu bez podání napětí z vnější sítě, tzv. blackstart. Při ztrátě napájení vlastní spotřeby v EDA automaticky startuje DG, který napájí důležité spotřebiče vlastní spotřeby elektrárny Mohelno. Nejprve se spouští HG5 nebo HG6 (2x1,2 MW) na elektrárně Mohelno pro obnovu napájení vlastní spotřeby EDA [39][40]. Dojde-li k najetí velkých hydrogenerátorů, tak obnova napájení je možná po lince 110 kV nebo po lince 400 kV. Obnova napájení z EDA musí proběhnout do 30 až 45 minut od poruchy [9]. Služba je pravidelně testována a certifikována. V roce 2004 proběhla úspěšná ostrá zkouška podáním napětí z EDA a najetím všech důležitých spotřebičů bloku EDU [19].
8.1.4 Podáním napětí z elektrárny Vranov Podmínkou je úspěšné vytvoření telefonické konference mezi EDU, dispečinkem E.ON a elektrárnou Vranov. Na pokyn dispečinku je spuštěn jeden ze tří HG (6,3 MW) elektrárny Vranov a podání napětí probíhá po lince 110 kV. Obnova napájení musí proběhnout do 45 minut od poruchy. Souběžně s přípravou podání napětí z elektrárny Vranov probíhá příprava obnovy napájení z DG jiného bloku (v případě selhání podání napětí z elektrárny Vranov se neztrácí čas) [9]. V roce 2010 a 2012 proběhly úspěšné ostré zkoušky podání napětí z elektrárny Vranov a najetím všech důležitých spotřebičů bloku EDU[19].
8.1.5 Obnova napájení z dieselgenerátoru jiného reaktorového bloku Tato varianta se využívá jako poslední možnost. Je nejvíce časově náročná (30 až 90 minut), proto je nutné zahájit činnost na přípravu rozvoden a tras co nejdříve. Obnova napájení probíhá přes přípojnice rezervního napájení 6 kV [9]. Nouzově lze použít i jeden DG pro dva bloky, ale
32 8 Úplná ztráta napájení bloků EDU nesmí se přetížit. Pokud ani jedna z těchto možností nevyjde, reaktorový blok setrvává ve stavu blackout a jsou nasazeny prostředky pro odvod tepla z reaktoru dle havarijních postupů EDU [19].
8.1.6 AAC síť Po událostech v jaderné elektrárně Fukušima v roce 2011 bylo dosavadní celosvětově uznávané projektové řešení SBO posouzeno jako nedostatečné. Dosud se vycházelo z událostí pouze na jednom bloku elektrárny a řešení spočívalo v obnovení napájení ze sousedního bloku provozovaného na vlastní spotřebu nebo z vnější sítě ze zdrojů v okolí elektrárny (vodní elektrárny), popřípadě z vnitřní sítě (dieselgenerátory) [41]. V EDU chybí alternativní zdroje elektrické energie, zařízení a postupy pro zmírnění následků úplné ztráty střídavých zdrojů se současnou ztrátou koncového jímače tepla. Z těchto důvodů dochází k realizaci tzv. SBO DG, které jsou odolné proti extrémním vlivům (zemětřesení, atmosférické vlivy) [11]. Zapojení SBO DG do vlastní spotřeby bloků EDU je provedeno pomocí seismicky odolných kabelů, rozvoden a spínacích prvků do rozvoden 6 kV pro zajištění napájení 2. kategorie (důležité chladicí systémy). Provozuschopnost SBO DG je požadována bez doplňování paliva minimálně po dobu 8 hodin. Dokončení výstavby je naplánováno na podzim 2014 [19]. Nová filosofie řešení obnovy napájení vlastní spotřeby reaktorového bloku po realizaci SBO DG pro 1. reaktorový blok [19]: 1. Ihned po vzniku UBO se aktivuje SBO DG a nejpřímější trasa obnovy na cílovou ochranu. Směnový inženýr paralelně s přípravou obnovy od SBO DG dotazuje ČEPS a E.ON na možnost obnovení napájení dle bodů 2-6. 2. Síť 400 kV, 110 kV. 3. TG jiného bloku EDU, pokud zreguloval na vlastní spotřebu. 4. EDA. 5. Vodní elektrárna Vranov. 6. DG jiného reaktorového bloku EDU.
Obrázek 9 – Realizace AAC sítě do stávajícího schématu EDU (zeleně) [19]
33 8 Úplná ztráta napájení bloků EDU
8.2 Rizika spojená s blackoutem reaktorového bloku Závažnost poruchy je závislá na délce jejího trvání. Cílem je předejít poškození aktivní zóny reaktoru [9]. Události SBO vždy předchází rychlé odstavení reaktoru. Strategie odvodu tepla určuje cílovou teplotu pro vychlazení na 240 °C. To je zajištěno s dostatečnou rezervou pádem všech havarijních regulačních kazet [17]. Po rychlém odstavení reaktoru je ještě hodinu po odstavení reaktoru zbytkový tepelný výkon cca 20 MWt [19]. Pokud by zbytkový tepelný výkon z reaktoru nebyl dostatečně odváděn, dojde k přehřívání paliva, po určité době i k porušení těsnosti palivových článků a k následnému tavení aktivní zóny (časový průběh tavení aktivní zóny je zobrazen na obr. 11) [9]. Červeně je znázorněn průběh teploty, pokud by nenastala žádná opatření proti tavení aktivní zóny. Zde lze pozorovat, že po cca 4 hodinách by došlo k úniku média přes ucpávky hlavních cirkulačních čerpadel. V případě odvodu tepla v režimu přirozené cirkulace parogenerátoru (odpouštěním páry na střechu strojovny, jedná se o čisté médium sekundárního okruhu) se prodlouží čas, kdy dojde k selhání reaktorové nádoby na 15 hodin a 30 minut (průběh je zobrazen černou čarou) [19]. Odpouštěním páry na střechu strojovny dochází k rychlému odhalování teplosměnných trubek parogenerátoru. Koeficient přestupu tepla v odhalených trubkách prudce klesá a primární chladivo při průtoku odhalenými trubkami v režimu přirozené cirkulace není prakticky vůbec ochlazováno (zásoba vody je cca 200 m3, tj. 3 hodiny) [9]. Po poklesu tlaku v parogenerátoru se samospádem začnou vylévat nádrže napájecí vody do parogenerátoru, to zajistí dalších cca 300 m3 vody (v grafu znázorněno zelenou barvou), čímž se získá dalších 20 hodin na obnovu napájení. Dalším způsobem oddálení poškození aktivní zóny je nouzové doplňování z hasičských cisteren, čehož se využívá až při úplném odtlakování parogenerátoru. V takovém případě by došlo k tavení aktivní zóny po necelých 7 dnech [19].
Obrázek 10 – Selhání dna tlakové nádoby reaktoru VVER440 - teplota v aktivní zóně [19]
34 8 Úplná ztráta napájení bloků EDU Při události SBO dochází ke ztrátě všech čerpadel systému technická voda důležitá. Dochází k přerušení odvodu tepla z bazénu skladování vyhořelého paliva. Bez obnovení odvodu tepla v nejkonzervativnějším případě dojde za cca 2,1 hodiny k ohřátí chladiva na 100 °C, do cca 12,6 hodin by došlo k odhalování paliva v horní vrstvě. Při překročení teploty 750 °C dojde k porušení pokrytí a k tavení paliva. Bazény skladování vyhořelého paliva nejsou hermeticky uzavřeny, došlo by tedy k úniku radioaktivního záření do okolí [9]. Udržování hladiny vody v bazénu skladování vyhořelého paliva je možné gravitačním zaplňováním ze žlabů barbotážní věže (zásoba vody přibližně na 13 dní). Alternativním způsobem doplňování bazénu skladování vyhořelého paliva je pomocí požární techniky [11]. V lokalitě je k dispozici zásoba vody postačující pro cca 39 dnů provozu systému bez externího doplňování vody [42].
8.3 Cvičení Blackout EDU 2014 Každoročním cílem cvičení Blackout je nácvik a zmapování komunikace pracovišť elektráren Dukovany, Dalešice a Vranov, dispečinků ČEPS a E.ON a rozvoden Slavětice, Čebín a Sokolnice pro zlepšení součinnosti při rozsáhlejších poruchách. Scénářem cvičení blackout 2014 bylo nasimulovat událost SBO a odzkoušet novou strategii pro poruchy typu SBO s nasazením SBO DG. Cvičení mělo za úkol také ověřit, zda je dosažitelný požadavek na podání napájení při stavu nouze do jedné hodiny. Výsledný čas obnovy napájení reaktorového bloku EDU byl 55 minut. Na závěr cvičení proběhly výměny informací od všech zúčastněných subjektů (změny na EDU, změny v přenosové soustavě, vliv námrazy na elektrické vedení a očekávané požadavky na PpS) [19].
Obrázek 11 – Fotografie ze cvičení blackout 2014 ze dne 13. 3. 2014
35 9 Obnova soustavy s účastí EDU
9 OBNOVA SOUSTAVY S ÚČASTÍ EDU Klíčovou podmínkou pro účast EDU při obnově ES je zajištěné napájení vlastní spotřeby. Minimálně dva reaktorové bloky musí zregulovat na vlastní spotřebu. Jeden zůstává vždy jako záložní zdroj pro blokovou a společnou vlastní spotřebu (preferuje se 1. reaktorový blok). Další podmínkou je úspěšně vytvořená telefonní konference mezi EDU, EDA, rozvodnou Slavětice a dispečinky. Požadavek na účast EDU při obnově ES podávají dispečinky ČEPS nebo E.ON [9]. Zda bude možná účast některého bloku EDU na obnově soustavy, rozhoduje směnový inženýr EDU, který následně vybere zdrojový blok [39]. Připojení blokového vedení 400 kV z EDU pro obnovu ES je možné pouze [39]: a) Je-li k dispozici napájení společné vlastní spotřeby alespoň dvěma ze tří způsobů (transformátor 9BT01, rezervní přípojnice 1BL, rezervní přípojnice 1BM). b) U reaktorového bloku, který má alespoň jednu rezervní přípojnici (BL, BM) pod napětím z vnějšího nezávislého zdroje. Pokud by došlo při fázování reaktorového bloku nebo později k jeho výpadku, dojde i ke ztrátě napájení vlastní spotřeby. V takovém případě by reaktorovému bloku zůstaly pouze havarijní zdroje. Tento stav je pro EDU z hlediska jaderné bezpečnosti nepřípustný. c) Pokud napájení vlastní spotřeby reaktorového bloku není napájeno z odbočkového transformátoru jiného reaktorového bloku. Bloky EDU jsou schopny se podílet nezávisle na délce provozu na vlastní spotřebu při obnově elektrizační soustavy [10]. Před přifázováním je nutné zabezpečit na zdrojovém bloku dostatečnou rezervu výkonu reaktoru na PSK [9]. Minimální podmínky pro přifázování jsou stejný sled fází, stejná efektivní hodnota obou napětí, stejná fáze obou napětí a stejný kmitočet. Vlastní fázování TG se přednostně provádí automatickým fázovačem. Pokud fázovač není provozuschopný z důvodu poruchy nebo opravy, používá se fázovací souprava pro ruční fázování [10]. Po přifázování vzniká ostrov. Zvyšování výkonu bloku po přifázování je možné dle potřeb dispečinku zvyšovat až do jmenovitého výkonu bloku 500 MW [10]. V případě dostupnosti EDA pro účely obnovy soustavy, je možno po přifázování všech reaktorových bloků EDU přifázovat k ostrovu i HG EDA (při využití je nutné zvážit stav vody v nádržích) [39].
36 9 Obnova soustavy s účastí EDU
9.1 Možné scénáře obnovy soustavy s účastí EDU 9.1.1 Scénář 1 První scénářem obnovy ES s účastí EDU je zajištění rezervního napájení přípojnic EDU z EDA. Stav po systémové poruše typu UBO na 1. reaktorovém bloku EDU. Bloková vlastní spotřeba je napájena z rezervních přípojnic 1BL a 1BM. Rezervní přípojnice 1BL je napájena z přívodu 110 kV a rezervní přípojnice 1BM z 2. reaktorového bloku EDU [39]. Pro obnovu soustavy je možné použít 3. nebo 4. reaktorový blok EDU nebo bloky EDA. Druhý reaktorový blok musí zůstat trvale vyčleněn pro napájení rezervní přípojnice 1BM pro zabezpečení obnovy napájení 1. reaktorového bloku a společné vlastní spotřeby [39].
Obrázek 12 – Obnova ES s účastí EDU při zajištění rezervního napájení z EDA [39]
37 9 Obnova soustavy s účastí EDU
9.1.2 Scénář 2 Nezávislé napájení reaktorového bloku EDU je zajištěno z části ES, která zůstala v provozu. Stav po systémové poruše typu UBO na 3. reaktorovém bloku EDU. Společná vlastní spotřeba je napájena z TG 1. reaktorového bloku, který pracuje na vlastní spotřebu. Rezervní přípojnice 6 kV (1BL) je napájena z přívodu 110 kV. Bloková vlastní spotřeba 3. reaktorového bloku je napájena z TG 4. reaktorového bloku [39]. Pro obnovu soustavy je možné použít 2. reaktorový blok EDU nebo bloky EDA. První reaktorový blok zůstává vyčleněn pro napájení blokové a společné vlastní spotřeby. Čtvrtý reaktorový blok zůstává vyčleněn pro zabezpečení obnovy napájení 3. reaktorového bloku. Třetí reaktorový blok se zúčastní obnovy ES až po zabezpečení napájení své vlastní spotřeby z vnější sítě 110 kV nebo 400 kV [39].
Obrázek 13 – Obnova ES s účastí EDU, při zajištění nezávislého napájení z vnější sítě [39]
38 9 Obnova soustavy s účastí EDU
9.1.3 Scénář 3 Nezávislé napájení reaktorového bloku EDU je zajištěno z jiného reaktorového bloku, který zůstal v provozu. Stav po systémové poruše typu UBO na 1. reaktorovém bloku EDU. Bloková a společná vlastní spotřeba je napájena z rezervních přípojnic 1BL (napájeno z přívodu 110 kV) a 1BM (napájeno z 2. reaktorového bloku) [39]. Pro obnovu soustavy je možné použít 3. nebo 4. reaktorový blok, případně bloky EDA. Druhý reaktorový blok zůstává trvale vyčleněn pro napájení blokové a společné vlastní spotřeby [39].
Obrázek 14 – Obnova ES s účastí EDU při zajištění nezávislého napájení z jiného bloku[39]
39 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě
10 ANALÝZA ROLE EDU V ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVĚ 10.1 Normální provoz elektrizační soustavy Jaderná elektrárna Dukovany patří mezi největší, vysoce spolehlivé a ekonomicky výhodné energetické zdroje ČR. V roce 2013 roční výroba elektrické energie byla 15,68 TWh [43], asi 18 % celkové vyrobené elektřiny v ČR [44]. Jaderné elektrárny se nachází společně s moderními klasickými elektrárnami v základním pásmu diagramu zatížení. Elektrárny v základním pásmu diagramu zatížení jsou charakterizované vysokými investičními náklady a nízkými provozními náklady. Vyrábějí nepřetržitě 24 hodin denně jen s malými změnami výkonu [45].
Obrázek 15 – Diagram zatížení [45] Bloky EDU jsou schopny poskytovat tyto PpS: primární regulace frekvence, sekundární regulace činného výkonu a frekvence, terciální regulace činného výkonu, sekundární regulace napětí a jalového výkonu, schopnost ostrovního provozu a schopnost startu ze tmy (uzel EDA, elektrárna Mohelno a rozvodna Slavětice). Elektrizační soustava je navržena tak, aby regulační záloha dokázala nahradit náhlý výpadek velkého výkonu. Elektrárna Dukovany je velký a spolehlivý zdroj bez výrazných výkyvů ve výrobě elektrické energie. Jako regulační zdroj je omezen vlastnostmi reaktoru (pomalejší regulace a nižší regulační výkon). Proto se jaderné elektrárny využívají při regulaci činného výkonu a frekvence operativně jako náhrada za uhelné elektrárny. Z obrázku č. 16 je patrné, že odpadlá výroba EDU při zařazování do PpS v posledních letech výrazně vzrostla. Při pohledu na obrázek č. 17 lze pozorovat, že se nejčastěji využívá redispečink a sekundární regulace činného výkonu a frekvence. Energetická situace v ČR je totiž velmi ovlivňována sousedními státy. Po událostech v jaderné elektrárně Fukušima Německo začalo odstavovat své jaderné elektrárny a tento výkon nahrazovat klasickými tepelnými elektrárnami a větrnými elektrárnami. Vlivem zvýšení podílu výroby z větrných elektráren v oblasti severního Německa dochází častěji k nadměrným tokům elektrické energie přes území ČR. Svůj podíl na přetocích elektrické energie má také způsob obchodování s elektrickou energií. Toky elektrické energie se řídí fyzikálními zákony (elektrická energie teče cestou nejmenšího odporu) a nenásledují tak obchodní toky. Takové toky elektrické energie nejsou plánované a vyžadují si aktivací PpS. Nevýhodné je to zejména z ekonomického pohledu, místo aby se vyráběla elektrická energie z „levných“ zdrojů (jaderné a klasické tepelné
40 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě elektrárny), tak dochází k přesnému opaku. Tyto „levné“ zdroje musí snižovat výkon, aby vyrovnaly výkonovou nerovnováhu způsobenou obnovitelnými zdroji. Navíc obnovitelné zdroje se musí dotovat, což přináší rostoucí ekonomickou zátěž pro všechny evropské země a tím i ztrátu konkurenceschopnosti např. vůči USA, nebo Číně, které jejich podporu minimalizovaly. 45000
40000
PPpS [MWh]
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2008
2009
2010
2011
2012
2013
Obrázek 16 – Odpadlá výroba EDU v rámci PpS v letech 2008 – 2013 [6] 45000 40000 35000
PPpS [MWh]
30000 25000 20000 15000 10000
5000 0 Redispečink
MZ15
SR
Telefon
SUMA
Obrázek 17 – Odpadlá výroba EDU podle jednotlivých typů podpůrných služeb [46] Přetížení elektrizační soustavy by při výpadku některého zařízení soustavy mohlo vést až k úplnému rozpadu elektrizační soustavy. Tomu se zatím úspěšně zabraňuje a k žádnému velkému výpadku soustavy nedošlo. Přenosová soustava se však mnohem častěji řídí bez dodržování kritéria N-1, čímž se snižuje její spolehlivost.
41 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě
Obrázek 18 – Toky elektrického výkonu při velkých dodávkách z větrných elektráren [47] Než se dojde k nějakému systémovému řešení, bude přenosová soustava ČR bojovat s přetoky elektrické energie z německé strany sítě, způsobených zejména výrobou z obnovitelných zdrojů. Dnes je již jasné, že stávající proces integrace obnovitelných zdrojů předbíhá vybudovanou infrastrukturu přenosové soustavy, a tím zvyšuje riziko blackoutu. Řešením může být vybudování tzv. transformátorů s řízeným posunem fáze12. Elektrárna Dukovany sice nepatří mezi nejvýznamnější regulátory činného výkonu a frekvence v ČR, ale rozhodně je velmi důležitým regulátorem jalového výkonu. Při pohledu na rozložení přenosové soustavy ČR je patrné, že v jihovýchodní oblasti ČR (uzel Slavětice, Čebín, Sokolnice) by se bez EDU reguloval jalový výkon velmi složitě. Změna napětí o 2 kV na vedení 400 kV vyvolá změnu jalového výkonu 100 MVAr. Taková změna jalového výkonu je dostatečně velká pro zajištění hospodárného provozu dané části soustavy. Navíc podmínka minimalizace toku jalového výkonu přes hraniční vedení V487 a V488 do rakouské rozvodny Dürnrohr by se těžko naplňovala (jedná se o jedno z nejvytíženějších vedení v ČR). To by vedlo ke snížení přeshraniční kapacity, což by znamenalo problémy pro rakouskou soustavu, která je na tomto vedení velmi často závislá.
10.2 Stavy a funkce EDU po rozpadu elektrizační soustavy Po částečném rozpadu ES nastává v EDU ostrovní provoz. Při ostrovním provozu je vždy na prvním místě jaderná bezpečnost. Pokud by tedy nebylo zajištěno napájení všech důležitých 12
Transformátor s řízeným posuvem fáze (Phase-shifting transformer) je zařízení, které změnou fázového úhlu umožňuje regulovat toky elektrické energie vedení (větve), ve které je zapojen. Omezení toku na jedné větvi oproti ostatním paralelním větvím sítě způsobí přerozdělení toků, čímž se část toků přesouvá na okolní méně zatížená vedení [47].
42 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě systému elektrárny, tak se EDU nebude podílet na regulaci ostrova. V případě „stabilního“ provozu reaktorového bloku, EDU je v režimu regulace ostrovního provozu schopna významně stabilizovat a dlouhodobě udržet ostrov na požadovaných parametrech vhodných pro fázování ostrovů a následné obnovení soustavy. Regulační schopnosti EDU v ostrovním provozu byly ve skutečném provozu ověřeny 25. 7. 2006, kdy bloky pracovaly v mírně přebytkovém ostrově při rozpadu sítě ENTSO-E na tři izolované celky. Veškerá měření potvrdila vysokou kvalitu regulace otáček TG prostřednictvím regulátoru ostrovního provozu [11]. Pokud dojde k vychýlení frekvence z tolerančních mezí, dochází ke zregulování bloku na vlastní spotřebu. Elektrárna Dukovany je schopna pracovat v provozu na vlastní spotřebu bez časového omezení. To je důležitá vlastnost, nejen pro zajištění jaderné bezpečnosti, ale i při následné obnově soustavy. Elektrizační soustava je navržena a provozována tak, aby vyhověla spolehlivostnímu kritériu N-1 a v případě vyvedení výkonu jaderných elektráren i kritériu N-2. U takto navržené soustavy je pravděpodobnost poruchy a narušení normálního provozu nízká. Praktický provoz ukazuje, že čas od času se vyskytne náhodné seskupení jevů vedoucí k rozsáhlé poruše. V zahraničních soustavách jsou již známy případy poruch, jejichž důsledkem byla celková ztráta napájení. Výpadek soustavy s sebou nese značné hospodářské ztráty a ohrožení lidských životů. Základním parametrem ovlivňujícím velikost hospodářských ztrát je doba trvání poruchy, a zvláště pak doba trvání výpadku, což je doba, po kterou není dodávána elektrická energie [32]. Zajištění bezpečnosti při ztrátě elektrického napájení je v EDU řešeno s velkou mírou vzájemné nezávislosti pracovních a rezervních zdrojů vlastní spotřeby, dále pak redundancí systému zajištěného napájení, které napájí bezpečnostně významné systémy a komponenty. K tomu disponují vlastními nouzovými zdroji [11]. Obnova napájení z vnější sítě je závislá na telefonním spojením mezi EDU a dispečinky (kapitola 8.1). V případě rozpadu ES jsou telefonní linky všech dispečinků přetíženy telefonáty od institucí a obyvatel ČR. To výrazně prodlužuje telefonické spojení mezi EDU a ostatními zúčastněnými subjekty při obnově napájení vlastní spotřeby EDU. Na každém dispečinku a na elektrárnách jsou k dispozici satelitní telefony. V případě, kdy dojde ke kompletnímu rozpadu propojené soustavy, tak se po celé Evropě budou využívat zejména satelitní telefony. Takový nápor by satelitní komunikaci velmi zpomalil a navázání telefonické konference by bylo problematické. Po vybudování SBO DG se EDU stane více nezávislá na vnější síti. Nově vybudované SBO DG navíc budou odolné proti extrémním meteorologickým vlivům. Za dobu provozu EDU nebyla zaznamenána žádná porucha v síti 400 kV a 110 kV, která by poukazovala na nesprávnou reakci EDU na poruchy ve vnější síti nebo na nespolehlivost vnějšího elektrického systému. Nejzávažnější poruchou byl v roce 1990 zkrat na přípojnicích 400 kV v rozvodně Slavětice. Ten vyřadil vazbu se sítí 400 kV i 110 kV všech bloků. Významné poruchy v elektročásti EDU ukazuje následující tabulka [11].
43 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě
Přípojnicový zkrat v rozvodně Slavětice v důsledku nesprávné manipulace obsluhy rozvodny při její údržbě. Všechny 4 bloky ztratili vazbu se soustavou 400 kV a 110 kV z rozvodny Slavětice 12/1990
2006 - 2008
2006
1. blok: Oba TG nezregulovaly na vlastní spotřebu, zapůsobila ochrana reaktoru a úspěšně nastartovaly DG. Následně se přešlo na napájení ze 110 kV 2. blok: Oba TG zregulovaly na vlastní spotřebu 3. blok: V době zkratu v odstávce, přechod na DG a poté napájení ze 110 kV 4. blok: Zregulování obou TG na vlastní spotřebu Několik poruch elektrických zařízení (řetězce izolátorů linky 400 kV, průraz izolace ovládacích kabelů, nadbytečné působení distančních ochran linek 400 kV v přenosové soustavě). Bloky EDU většinou zregulovaly na vlastní spotřebu. Příčiny těchto poruchových událostí byly identifikovány a odstraněny Bloky EDU úspěšně zvládly velké systémové poruchy (rozpad sítě ENTSO-E v listopadu 2006; zkrat v rozvodně Sokolnice, vedoucí na vznik ostrovní sítě v okolí EDU v srpnu 2006) a svojí odolností proti odchylkám napětí a frekvence a regulační schopnosti přispěly ke stabilizaci poměrů v přenosové soustavě
Tabulka 6 – Významné poruchy v elektročásti EDU [11] Další důležitou schopností EDU je spolupráce na obnově soustavy. Ta je posílena dlouhodobou schopností provozu na vlastní spotřebu a blízkostí EDA, která je schopna obnovit napájení bloků EDU bez přivedení napájení z vnější sítě (vlastní certifikát start ze tmy).
10.3 Výstavba nových bloků EDU Ve schválené dlouhodobé koncepci lokality Dukovany je zahrnuta možnost rozšíření Jaderné elektrárny Dukovany o blok s výkonem 1200 MW až 1700 MW. Termín spuštění by byl optimálně po ukončení životnosti současných bloků, tj. v roce 2035. Dnes v oblasti vazby nového jaderného zdroje EDU 5 na přenosovou a distribuční soustavu byla dokončena územně technická studie stavby vedení 400 kV a 110 kV mezi EDU 5 a rozvodnou Slavětice. Činnosti v rámci projektu jsou momentálně zaměřeny na zajištění podkladů pro zahájení procesu hodnocení vlivu stavby na životní prostředí. Se zahájením procesu hodnocení vlivu na životní prostředí se předpokládá na začátku roku 2016 [44]. Hlavním parametrem pro výstavbu nových jaderných elektráren, popřípadě dostavby dalších bloků je ekonomická návratnost. V nadcházejících letech bude pro českou energetickou koncepci klíčové rozhodnutí o tom, zda dostavovat nové bloky v jaderné elektrárně Temelín, nebo v jaderné elektrárně Dukovany, popřípadě se vydat jiným směrem, než směrem jaderné energetiky. Otázka o dostavbě nových bloků je velmi nevyzpytatelná z hlediska ekonomické návratnosti. Dnešní trh s elektrickou energií je vlivem podpory obnovitelných zdrojů nepředvídatelný. Cena silové elektřiny na burze v posledních letech výrazně klesala a nikdo nedokáže předpovídat její budoucí vývoj. S klesající zásobou uhlí v ČR se výstavba nových uhelných elektráren jeví méně pravděpodobná (prolomení těžebních limitů nebo nutný dovoz). Výstavba plynových elektráren je výhodná pouze pro země s velkými nalezišti plynu (například USA s nalezišti břidlicového plynu), ale dovoz z těchto zemí by byl ekonomicky nevýhodný. Závislost na obnovitelných
44 10 Analýza role EDU v elektrizační soustavě zdrojích v podobě v jaké jsou dnes, není možná, a tak se jako nejpravděpodobnější varianta v budoucí energetické koncepci ČR se jeví výstavba nových bloků jaderných elektráren. Výstavba nových bloků se v ČR neobejde bez státních garancí (např. garance výkupní ceny elektrické energie, které by se mohly v budoucnu promítnout do konečně ceny elektrické energie). Zde se „naráží“ na problém, že takto dlouhodobá a náročná investice výrazně převyšuje jedno volební období. Další problém dostavby nových bloků můžeme vidět ve světě, kde cena výstavby výrazně převyšuje předpokládanou cenu a i samotná doba výstavby se výrazně prodlužuje. Odstrašujícím příkladem je Olkiluoto 3 ve Finsku, kde zatím v průběhu výstavby cena přesáhla již 2,6 násobek předpokládané ceny (z původně plánovaných 3,2 miliardy eur se poslední odhad pohybuje kolem 8,5 miliardy eur [48]). Původní termín dokončení byl stanoven na rok 2009, dnes je stavba v podstatě zastavena a spuštění se očekává někdy mezi roky 2018 až 2020 (a to pouze za předpokladu dohody mezi investorem a zhotovitelem [48]). Stejné problémy má i výstavba francouzského Flamanville 3, i zde se cena za výstavbu vyšplhala oproti plánu na dvojnásobek původní odhadované ceny a spuštění bylo odloženo o 4 roky, na rok 2016.
Obrázek 19 – Garantovaná cena silové elektřiny ETE po dostavbě (model ČEZ) [49] Na otázku, zda vybudovat nové bloky v Dukovanech nebo v Temelíně, je důležité nahlížet také ze sociálně ekonomického pohledu. Elektrárna Dukovany je významným poskytovatelem pracovních a podnikatelských možností, které ovlivňují několik regionů (zejména třebíčský region). Třebíčský region patří v ČR mezi chudší regiony s vysokou nezaměstnaností. Ukončení provozu EDU by znamenalo ztrátu práce pro zhruba 2000 lidí na Třebíčsku. Navíc by ukončení provozu mělo vliv i na obyvatele, kteří na první pohled s EDU nemají nic společného. Zaměstnanci EDU totiž vytváří poměrně velkou kupní sílu a pro třebíčský region by takováto ztráta byla velmi nepříjemná. Z pohledu provozu ES v uzlu Slavětice by nastal problém zejména s regulací napětí a jalového výkonu. Přenos činného výkonu by při absenci výkonu z EDU vykazoval větší ztráty, protože by současný severojižní tok elektrické energie soustavou ČR ještě zesílil.
45 11 Závěr
11 ZÁVĚR 11.1 Současný stav Na elektrárně Dukovany jsou instalovány 4 tlakovodní reaktory o elektrickém výkonu 500 MW. Výkon je vyveden vodiči velmi vysokého napětí do 3 km vzdálené rozvodny Slavětice, která je navržena podle přísnějšího spolehlivostního kritéria N-2. Napájení vlastní spotřeby EDU je řešeno s velkou mírou nezávislosti a redundance. Pracovní napájení vlastní spotřeby (sít 400 kV nebo vlastní TG), rezervní zdroje napájení vlastní spotřeby (síť 110 kV z rozvoden Slavětice a Oslavany) a havarijní zdroje napájení (nouzové DG a akumulátorové baterie). Při normálním provozu ES jsou bloky EDU schopny poskytovat tyto PpS: primární regulace frekvence, sekundární regulace frekvence a činného výkonu, terciální regulace činného výkonu, sekundární regulace napětí a jalového výkonu, schopnost ostrovního provozu a schopnost startu ze tmy (uzel EDA, elektrárna Mohelno a rozvodna Slavětice). Certifikovaný regulační rozsah sekundární regulace EDU je 80 MW. Další využívané služby jsou minutová záloha (±66 MW) a regulace činného výkonu na telefon s maximální možnou změnou výkonu 250 MW (možné snížení výkonu a redispečink). Na regulaci jalového výkonu v pilotním uzlu Slavětice se podílí všechny stroje EDU a EDA zapojené do tohoto uzlu. Pro udržování napětí v pilotním uzlu Slavětice se využívá systém ASRU. Maximální velikost změny napětí je stanovena na ±2 kV, která vytvoří změnu jalového výkonu o 100 MVAr. V případě částečného rozpadu elektrizační soustavy nastává ostrovní provoz, který je charakterizován velkými nároky na regulační schopnosti elektrárenských bloků. U jaderných elektráren je vždy na prvním místě jaderná bezpečnost a až poté udržování požadovaných elektrických parametrů ostrova. Bloky jaderné elektrárny musí být schopny na změny parametrů ostrova reagovat rychle a bez prudkých změn výkonu reaktoru. Proto musí být zajištěn dostatek rychle dosažitelného výkonu, k čemuž slouží přepouštěcí stanice do kondenzátoru. Bloky EDU mohou bezpečně pracovat v intervalu frekvencí od 48,9 do 51,5 Hz, popřípadě směnový inženýr může tento interval rozšířit, ale sníží tak rezervu k vypnutí vedení 400 kV do rozvodny Slavětice. Při vybočení frekvence pod 47,9 Hz po dobu 1 sekundy a nad 52,5 Hz po dobu 10 sekund je vypnuta linka 400 kV v rozvodně Slavětice a blok zreguluje na vlastní spotřebu. Provozu na vlastní spotřebu jsou bloky EDU schopny bez časového omezení. V případě, že blok EDU na vlastní spotřebu nezreguluje a k dispozici nejsou rezervní zdroje napájení a nedostupné jsou také všechny nouzové DG, blok je ve stavu blackout. Z pohledu jaderné elektrárny mohou nastat dva typy blackout UBO (blackout na jednom reaktorovém bloku) a SBO (UBO na všech blocích zároveň). Z pohledu jaderné bezpečnosti je nejhorším stavem SBO. Při SBO dochází ke ztrátě všech aktivních systémů pro odvod tepla z aktivní zóny, pro řízení reaktivity a systémů k potlačení tlaku v hermetickém prostoru. Jediným zdrojem elektrické energie jsou akumulátorové baterie. Cílem postupu pro obnovu napájení je obnovení systému chlazení bloku, aby se předešlo k tavení aktivní zóny. Postup pro obnovu napájení vlastní spotřeby reaktorového bloku probíhá v následujících krocích: AAC sít (po dokončení výstavby v roce 2014), obnova napájení z vnější sítě 400 kV a 110 kV, obnova z TG, který zreguloval na vlastní spotřebu, podáním napětí
46 11 Závěr z vodních elektráren Dalešice (vlastní certifikát start ze tmy) a Vranov a obnova z DG jiného reaktorového bloku. Po zajištění vlastní spotřeby se bloky EDU mohou kdykoliv podílet na obnovení soustavy. Významnou výhodou EDU při obnově soustavy je časově neomezený provoz na vlastní spotřebu a blízkost EDA, která vlastní certifikát start ze tmy, a je tedy schopna obnovit napájení postiženého bloku EDU a společně se podílet na obnově soustavy. Stav elektrizační soustavy
Nominální provoz ES
Regulace činného výkonu a frekvence
Poruchový stav ES
Regulace napětí a jalového výkonu
Frekvence v mezích 48,9 - 51,5 Hz
ANO
NE
Ostrovní provoz EDU
Zregulování bloku na vlastní spotřebu
ANO
NE
Časově neomezený provoz na vlastní spotřebu
Stav Blackout
Obnova konzumu ES s účastí EDU
Obnovení napájení vlastní spotřeby
Obnova konzumu ES s účastí EDU
Obrázek 20 – Struktura bakalářské práce
11.2 Závěry práce a její přínos Při normálním provozu elektrizační soustavy má EDU klíčovou roli při regulaci jalového výkonu v pilotním uzlu Slavětice (v této části ČR se nenachází jiná elektrárna, která by byla schopna významně regulovat jalový výkon). Při regulaci činného výkonu nemá EDU tak důležitou roli, jakou mají klasické tepelné elektrárny nebo vodní elektrárny. To je dané vlastnostmi jaderných elektráren (nižší regulační rozsah, pomalejší regulace). Jaderné elektrárny mají oproti jiným elektrárnám i nižší provozní náklady a tak je ekonomicky nevýhodné, aby byl jejich výkon nahrazen například „drahou“ elektrickou energií z větrných elektráren. Odpadlá výroba při poskytování podpůrných služeb regulace činného výkonu a frekvence přesto v poslední letech výrazně vzrůstá. To je zapříčiněné tzv. solárním boomem v ČR a zvýšením podílu výroby z větrných elektráren v Německu. Za dobu provozu EDU nebyla zaznamenána žádná porucha v síti 400 kV a 110 kV, která by poukazovala na nesprávnou reakci EDU na poruchy ve vnější síti nebo na nespolehlivost vnějšího elektrického systému. V ostrovním provozu EDU již v praxi ukázala velmi kvalitní regulační
47 11 Závěr schopnosti. V případě zregulování na vlastní spotřebu vykazuje EDU vysokou spolehlivost zregulování. Po výpadku všech zdrojů napájení a nezregulování ani jednoho TG na vlastní spotřebu a nedodáním elektrického napájení ani z jednoho z DG, je hned několik na sobě nezávislých možností obnovy napájení. Pravděpodobnost nedodání napájení z těchto možností je velmi nízká. Přesto po jaderné havárii ve Fukušimě v roce 2011 bylo stávající řešení SBO posouzeno jako nedostatečné. Proto dochází k realizaci tzv. SBO DG, který musí odolat extrémním klimatickým vlivům. Navíc jsou umístěny přímo v areálu elektrárny, čímž se zjednodušuje složitá telefonní komunikace s okolím. Ta je při rozpadu soustavy velmi složitá, jelikož dispečinky jsou přetíženy telefonáty od obyvatel ČR a různých institucí. Po dokončení výstavby AAC sítě se tak EDU stane více nezávislá na okolí. Důležitým rozhodnutím o budoucnosti směřování energetické koncepce v ČR je otázka o dostavbě nových bloků jaderných elektráren. Jaderné elektrárně Dukovany končí licence na provoz v roce 2015, v případě prodlužování může být maximální životnost bloků EDU až do roku 2035 (prodlužování licence probíhá každých 10 let). Při otázce zda vystavět nové bloky v Temelíně nebo v Dukovanech hovoří pro Dukovany jejich současná vysoká spolehlivost, důležitost v přenosové soustavě (regulace jalového výkonu, snížení toků elektrické energie soustavou), vysoká úroveň zabezpečení proti ztrátě napájení, důležitá role v zaměstnanosti v jednom z nejchudších regionů v ČR. Životnost EDU navíc končí dříve než ETE, je tedy nutné řešit budoucnost EDU dříve. Práce upozorňuje na důležitou otázku, na kterou se v dnešní době zapomíná, a to na vliv elektráren na elektrizační soustavu. Význam práce spočívá v analýze role jaderné elektrárny Dukovany v elektrizační soustavě a klade si za cíl upozornit na její důležitost. V roce 2015 končí EDU licence na provoz a její neprodloužení by znamenalo velké komplikace pro českou přenosovou soustavu a pro třebíčský region. Elektrárna Dukovany po dobu svého provozu vykazuje vysokou spolehlivost a úroveň zabezpečení před ztrátou napájení. Díky dlouhodobému provozu na vlastní spotřebu se mohou bloky EDU v podstatě kdykoliv podílet na obnově soustavy a tím zamezit značným hospodářským škodám a ohrožení lidských životů, které při rozpadu elektrizační soustavy nastává. Proto se při otázce dostavby nových jaderných bloků na území ČR nabízí možnost začít s výstavbou nových bloků právě v Dukovanech a navázat tak v roce 2035 na ukončení provozu současných bloků.
Seznam použité literatury
48
POUŽITÁ LITERATURA [1]
ČEPS, a.s. Část I.: Základní podmínky pro užívání přenosové soustavy. In: Kodex přenosové soustavy. 2014, s. 53. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Data/Legislativa/Kodex/Stranky/default.aspx
[2]
BLAŽEK, Vladimír a Petr SKALA. Distribuce elektrické energie. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií [cit. 2014-05-11]. Skripta. Dostupné z: http://www.vutbr.cz/elearning
[3]
KUBÍN, Miroslav. Přenosy elektrické energie ČR: V kontextu evropského vývoje. Praha: ČEPS, 2006, 567 s. ISBN 80-239-7272-3.
[4]
ČEPS, a.s. Část II.: Podpůrné služby. In: Kodex přenosové soustavy. 2014, s. 229. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Data/Legislativa/Kodex/Stranky/default.aspx
[5]
ČEPS a.s. Dispečerské řízení ČEPS [online]. 2012, 19 s. [cit. 2014-05-11]. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Media/Ke-stazeni/Documents/Dispecink_2012_web.pdf
[6]
ŘEZÁČ, František. Podpůrné služby a redispečink v přenosové soustavě - vazba na provoz bloků EDU. [přednáška]. Dukovany: ČEZ, a.s., 13. listopadu 2013
[7]
Dukovany. ČEZ. Skupina ČEZ [online]. 2014 [cit. 2014-05-11]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/jaderna-energetika/jaderne-elektrarny-cez/edu.html
[8]
ČEZ, a.s. a.s. Sborník přednášek pro jadernou maturitu. Dukovany, 2010, 45 s.
[9]
FEJTA, Libor, Petr NEČAS a Václav HLADÍK. ČEZ, a.s. P002b - Napájení VS EDU při nehodě typu BLACKOUT a obnova napětí v uzlu Slavětice. Jaderná elektrárna Dukovany, 2013, 438 s. Provozní předpis.
[10] ČEZ, a.s. Charakteristika elektrárny Dukovany [CD-ROM]. Jaderná elektrárna Dukovany, 2013. Cvičení Blackout EDU 2013. [11] ČEZ, a.s. Zátěžové testy: Ocenění bezpečnosti a bezpečnostních rezerv JE Dukovany (z pohledu skutečností havárie na JE Fukushima) [online]. 2011, 220 s. [cit. 2014-05-11]. Závěrečná zpráva. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/file/energie-a-zivotniprostredi/dukovany/zaverecna-zprava-zt-edu.pdf [12] PUCHNAR, Jiří. Start elektrizační soustavy ze tmy s pomocí EDU [online]. Brno, 2013 [cit. 2014-05-11]. 35 s. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=68850. Bakalářská práce. VUT v Brně, FEKT. Vedoucí práce doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D. [13] GALUSZKA, Jakub. Analýza připojení nového zdroje do soustavy [online]. Brno, 2009 [cit. 2014-05-11]. 45 s. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=68850. Diplomová práce. VUT v Brně, FEKT. Vedoucí práce doc. Ing. Antonín Matoušek, CSc. [14] Přečerpávací vodní elektrárna Dalešice. Skupina ČEZ [online]. 2014 [cit. 2014-05-11]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelnezdroje/voda/dalesice.html#!&zoom=13 [15] FEJTA, Libor. Atomová katedrála po 25 letech - II. Sdružení řídícího a směnového personálu jaderných elektráren [online]. 2010 [cit. 2014-05-11]. Dostupné z: http://www.dukovany.cz/atomova-katedrala-po-25-letech-ii.html
Seznam použité literatury
49
[16] Údaje o PS. ČEPS, a.s. ČEPS, a.s. [online]. 2014 [cit. 2014-05-14]. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Cinnosti/Technicka-infrastruktura/Stranky/default.aspx [17] FEJTA, Libor. Riešenie havárie typu black-out na JE Dukovany. Bratislava, 2011. 27 s. Závěrečná práce postgraduálního studia. STU, FEI. Vedoucí práce Ing. František Řezáč. [18] DOLEŽAL, Jaroslav, Jiří ŠŤASTNÝ, Jan ŠPETLÍK, Stanislav BOUČEK a Zbyněk BRETTSCHNEIDER. Jaderné a klasické elektrárny [online]. Vyd. 1. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2011, 259 s. [cit. 2014-05-18]. ISBN 978-80-01-04936-5. Dostupné z: http://www.powerwiki.cz/wiki/Vyuka [19] ŘEZÁČ, František. ČEZ, a.s. Prezentace cvičení blackout EDU 2014 [CD-ROM]. Jaderná elektrárna Dukovany, 2014. Cvičení Blackout EDU 2014 [20] MÁSLO, Karel et al. Řízení a stabilita elektrizační soustavy [online]. Československá odborná sekce IEEE PES. 2013 [cit. 2014-05-11]. Odborná kniha. Dostupné z: http://www.powerwiki.cz/wiki/Vyuka [21] Regulace frekvence v ES [online]. Praha [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://home.pilsfree.net/fantom/FEL/MR/_pred_web/5_MRRegulaceES.pdf. Učební text. ČVUT v Praze, FEL. [22] Přeshraniční toky. ČEPS, a.s. [online]. 2014 [cit. 2014-05-11]. Dostupné z https://www.ceps.cz/CZE/Data/Vsechna-data/Stranky/Preshranicni-toky.aspx [23] ŠVEC, Jan. Řízení elektrizačních soustav. Regulace činného výkonu a frekvence v ES. [přednáška]. VUT v Brně, FEKT, 4. 11. 2013. Dostupné z: http://www.vutbr.cz/elearning [24] ŠVEC, Jan. Průmyslová elektrotechnika. Elektrizační soustava. [přednáška]. ČVUT v Praze, FEL, 2013. Dostupné z http://www.powerwiki.cz/attach/PEL/1-PEL_ES-2013.pdf [25] MAREK, Jiří. ČEZ, a.s. P206a - Provoz bloku v PpS řízení činného výkonu a frekvence ES. Jaderná elektrárna Dukovany, 2012, 126 s. Provozní předpis [26] Hochman, Antonín. ČEZ, a.s. P206c - Regulace činného výkonu na telefon. Jaderná elektrárna Dukovany, 2008, 22 s. Provozní předpis. [27] CHMELÍK, Miloš, Aleš HOUZAR a Arnošt CHMELAŘ. ČEZ, a.s. P203p - Budící souprava generátoru 300 MVA. Jaderná elektrárna Dukovany, 2012, 92 s. Provozní předpis. [28] ČEPS, a.s. Část VIII.: Standardy PS. In: Kodex přenosové soustavy. 2014, s. 33. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Data/Legislativa/Kodex/Stranky/default.aspx [29] Regulace U v ES [online]. Praha, 2012 [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://home.pilsfree.net/fantom/FEL/MR/_pred_web/12_PrMR_12RegulaceU.pdf. Učební texty. ČVUT Fakulta elektrotechnická. [30] DOLEŽAL, Jaroslav a Karel WITNER. Regulace napětí a jalového výkonu - současné trendy. Automa [online]. 2002, č. 11 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/download/el110208.pdf [31] MACH, Petr. ČEZ, a.s. P104m - Elektrická dozorna. Jaderná elektrárna Dukovany, 2011, 89 s. Provozní předpis. [32] ČEPS, a.s. Část V.: Bezpečnost provozu a kvalita na úrovni PS. In: Kodex přenosové soustavy. 2014, s. 15. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Data/Legislativa/Kodex/Stranky/default.aspx [33] MÁSLO, Karel. ČEPS, a.s. P620-11: Provoz a fázování ostrovů. Praha, 2011, 16 s. Společné provozní instrukce ČEPS a ČEZ.
Seznam použité literatury
50
[34] NEČAS, Petr a Jiří MAREK. ČEZ, a.s. P002o - Ostrovní provoz. Jaderná elektrárna Dukovany, 2011, 38 s. Provozní předpis. [35] JANATA, Pavel. ČEZ, a.s. P002g - Odstraňování poruch elektro a MaR. Jaderná elektrárna Dukovany, 2011, 96 s. Provozní předpis. [36] HRUŠKA, Zdeněk. ČEPS, a.s. P620-5: Potřebuješ obnovit soustavu po poruše typu Blackout. Praha, 2011, 26 s. Společné provozní instrukce ČEPS a ČEZ. [37] Energetický slovník. ČEPS, a.s. [online]. 2014 [cit. 2014-05-11]. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Media/Stranky/Energeticky-slovnik.aspx [38] MATOUŠEK, Antonín. Výroba elektrické energie. Vyd. 1. Brno: VUT FEKT, 2007, 139 s. [cit. 2014-05-19]. ISBN 978-80-214-3317-5. Dostupné z: http://www.vutbr.cz/elearning/ [39] CHRAPEK, Radim. ČEPS, a.s. P628-1: Obnovení napájení VS EDUK při nehodě typu Blackout & principy obnovy ES s účastí EDUK. Praha, 2011, 32 s. Provozní instrukce. [40] HRUŠKA, Zdeněk. ČEPS, a.s. P420-12: Regulace U a Q v PS ČR. Praha, 2010, 18 s. Provozní instrukce. [41] SPILKA, Petr. „Nezničitelný“ dieselagregát – SBO Diesel. Skupina ČEZ [online]. 2014 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.cez.cz/cs/pro-media/aktuality-z-jadernychelektraren/13436.html [42] SÚJB. Zátěžové zkoušky - JE Dukovany a JE Temelín: Hodnocení bezpečnosti a bezpečnostních rezerv ve světle havárie JE Fukushima [online]. 2011, 297 s. [cit. 201405-12]. Národní zpráva. Dostupné z: http://www.sujb.cz/fileadmin/sujb/docs/aktualne/Narodni_zprava_ceska_final_1.pdf [43] Rekordní výroba JE Dukovany v roce 2013. Aktivní zóna: Online magazín zpravodaje jaderné elektrárny Dukovany [online]. [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.aktivnizona.cz/cs/videa/rekordni-vyroba-je-dukovany-v-roce-2013-43.html [44] ČEZ, a.s. Skupina ČEZ - Výroční zpráva [online]. 2014, 300 s. [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.patria.cz/zpravodajstvi/2625370/cez---vyrocni-zprava-2013.html [45] TYRBACH, Jaromír. Základní elektrárenské pojmy [online]. Ústí nad Labem [cit. 2014-0512]. Dostupné z: http://web.telecom.cz/tyrbach/Zakladni_elektr_pojmy.pdf. Učební text. SPŠ SaE Ústí nad Labem. [46] ŘEZÁČ, František. ČEZ, a.s. Jaderná elektrárna Dukovany v roce 2013: Výsledky v oblasti bezpečnosti a výroby [CD-ROM]. Jaderná elektrárna Dukovany, 2013. Cvičení Blackout EDU 2014 [47] FAQ. ČEPS, a.s. [online]. 2014 [cit. 2014-05-19]. Dostupné z: http://www.ceps.cz/CZE/Media/Stranky/FAQ.aspx [48] AREVA zastavuje práce na výstavbě jaderné elektrárny Olkiluoto. Temelín.cz: Atomová energetika v reálném čase [online]. 2014 [cit. 2014-05-25]. Dostupné z: http://www.temelin.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=481:arevazastav ujeprace&catid=49:ekonomika-jadra&Itemid=91 [49] Tendr na dostavbu Temelína se odkládá minimálně o rok. ENERGOSTAT: Energetika v ČR a EU: informace, data, komentáře, zákony [online]. 2012 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://energostat.cz/temelin.html
Přílohy
PŘÍLOHY Příloha 1: Elektrická síť EDU
51
Přílohy Příloha 2: Schéma připojení rozvodny Slavětice do ES ČR
52
