Баклушин Експлуатация АЕС 2011

Часть I

РАБОТА АЭС В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

11

ВВЕДЕНИЕ

Энергоблок атомной электрической станции представляет собой сложный технический комплекс. В его состав входят десятки технологических и электротехнических систем, сотни единиц разнообразного оборудования, тысячи единиц арматуры и приборов контроля. Но работа этого комплекса как единого целого, выполнение им задачи, для которой он был создан, т.е. производства энергии, становятся возможными только благодаря персоналу, им управляющему и его обслуживающему. Поэтому АЭС относят к сложным человекомашинным системам.

Эффективность и безопасность работы такой системы определяются надежностью как технических средств, так и персонала. Мировой опыт эксплуатации АЭС показывает, что почти 50% всех нарушений на АЭС связаны в той или иной мере с ограниченными возможностями или ошибками персонала. К каким тяжелым последствиям могут приводить ошибки человека показали аварии на атомных станциях, особенно тяжелые аварии, имевшие место на АЭС «Три-майл-айленд» в США (1979 г.) и Чернобыльской АЭС в

СССР (1986 г).

Но АЭС входят составной частью в другие, не менее сложные человекомашинные системы – энергетические. Все АЭС России работают в составе таких систем, и поэтому при их эксплуатации необходимо учитывать условия работы последних, в частности неравномерный график нагрузки, и те положения, требования, ограничения, которые из этих условий вытекают. Хотя, и это надо признать, не все они благоприятны для АЭС.

Единство режима всех элементов энергосистемы, их тесная взаимосвязь (о чем говорится ниже в пособии) приводят к необходимости при выборе режимов АЭС, включая текущую мощность, принимать во внимание не только возможности оборудования ее блоков, но и возможности системы по передаче выработанной электроэнергии потребителям с учетом сохранения устойчивости системы, т.е. ее способности противостоять нарушениям режима (отказам оборудования станций, коротким замыканиям в линиях электропередач и т.п.). Только в этом случае будет выполнена ос-

12

новная задача энергосистемы – бесперебойное энергоснабжение потребителей.

Персонал станций, работники проектных и конструкторских организаций иногда, к сожалению, слабо представляют условия работы станций в системе, подоплеку различных ограничений и требований. Одной из причин такого положении является, по-видимому, то, что в литературе по атомной энергетике преобладающее внимание уделяется ядерно-физическим и технологическим особенностям станций, их тепломеханическому оборудованию. Однако значимость обеспечения постоянной и надежной связи АЭС с энергосистемой, а также обеспечения надежности системы электроснабжения ее собственных нужд давно понята специалистами [41]. Она обязательно учитывается при проектировании электрической части атомных станций.

Очень важно понимать, что не только система заинтересована в бесперебойном получении энергии от АЭС, но и для станции в неменьшей мере необходима максимально надежная связь с системой, возможность получения от нее энергии в любой момент и в необходимом количестве. Особенно это важно при авариях, чтобы обеспечить отвод остаточных тепловыделений и работу локализующих систем безопасности.

Тяжелые последствия, к которым может привести разрыв связи с системой, наглядно продемонстрировала авария на АЭС «Фукусима» (Япония).

Одной из задач пособия является преодоление чувства некоторой исключительности у работников АЭС, считающих свои станции настолько уникальными, что им всегда должен предоставляться «режим наибольшего благоприятствования». Автор неоднократно сталкивался с такими взглядами, преподавая курс «Эксплуатация АЭС» на курсах переподготовки и повышения квалификации персонала станций, при занятиях с заочниками, являющихся, как правило, работниками АЭС. Этот взгляд, в частности, проявляется при любой попытке обсудить вопросы о правомерности требований по привлечению АЭС к регулированию нагрузки в энергосистеме, о необходимости периодического снижения их мощности по условиям работы системы и т.п. Сразу вспоминают о безопасности, о снижении экономических показателей, о возможности повреждения оборудования при переходных режимах и т.д.

13

Исторически первым АЭС действительно предоставлялся упомянутый режим. Станции работали на такой мощности, которую могли нести по состоянию своего оборудования или активной зоны. Им разрешалось в любой момент останавливаться или снижать мощность. Причины ясны. Во-первых, все понимали, что овладение новой сложной и опасной технологией требует максимально благоприятных условий. Во-вторых, вклад АЭС в суммарную выработку энергии системой был мал и отключение станции практически не влияло на режим системы. Но с освоением атомной энергии, с ростом доли «атомного» электричества причин и возможностей для сохранения режима наибольшего благоприятствования не осталось. Это время безвозвратно ушло в прошлое.

Автор надеется, что пособие хотя бы в какой-то части исправит устаревший взгляд на этот вопрос. Поэтому в начале работы уделяется большое внимание особенностям эксплуатации энергосистемам и управления ими.

14

Глава 1. ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

1.1.Понятие об энергосистемах и их роли в энергетике

Внастоящее время за редким исключением все электростанции, в том числе и атомные, работают в составе энергетических систем.

Энергосистема – это совокупность электрических станций, подстанций, котельных, электрических и тепловых сетей, связанных между собой общностью режима в непрерывном процессе производства и распределения электрической и тепловой энергии и имеющих централизованное оперативное управление, осуществляемое диспетчерской службой.

Отметим сразу, что процесс производства и распределения электроэнергии не может быть завершен на отдельной станции, он завершается в системе, которая поэтому является основным технологическим звеном в энергетической отрасли.

Далее будет говориться в основном об электроэнергетических системах, поскольку тепловую энергию атомные станции производят, как правило, только для теплоснабжения производственных корпусов на своей площадке и пристанционных поселков и не связаны по тепловым сетям с другими станциями.

Техническую основу электроэнергетики России составляют примерно 450 тепловых, гидравлических и атомных электростанций, общей мощностью более 200 ГВт, а также более 2,5 млн км линий электропередачи (ЛЭП), в том числе более 150 тыс. км системообразующих ЛЭП напряжением более 220 кВ.

Установленные мощности электростанций трех основных типов показаны в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Установленная мощность электростанций, ГВт / % (2005 г.)*

Тепловые электростанции (ТЭС)	143 / 66,4
Гидравлические электростанции (ГЭС, ГАЭС)	46 / 21,4
Атомные электростанции (АЭС)	23,2 / 10,8
Всего	215,4 / 100
*Журнал «Энергия», № 2, 2008.

15

Электрические сети, включающие линии электропередачи и подстанции, являются второй важнейшей составляющей электроэнергетической системы. Они не только соединяют электростанции и потребителей, но во многом определяют возможности системы, надежность и устойчивость ее работы, способность противостоять аварийным ситуациям. Говоря иными словами, режим системы как совокупности станций, подстанций и ЛЭП определяется не только возможностями выработки энергии на электростанциях, но и необходимостью гарантированно довести эту энергию до потребителей при сохранении ее качественных показателей.

Каждая ЛЭП рассчитывается на пропуск определенной мощности. Ее превышение не только вызовет бόльшие потери и недопустимое снижение напряжения у потребителей, но и может привести к нарушению устойчивости параллельной работы станций, к системной аварии (подробнее – в разделе 3.5).

Чтобы уменьшить потери, ведется постоянная работа по повышению напряжения на ЛЭП, передающих большие мощности на дальние расстояния. Тем не менее общие потери в линиях электропередач составляют заметную (около 10 %) величину вырабатываемой энергии.

Основную задачу электроэнергетической системы можно сформулировать как обеспечение полного и бесперебойного удовлетворения потребностей в энергии предприятий промышленности, сельского хозяйства и электрофицированного транспорта, а также коммунально-бытовых нужд населения. Выполнение этой задачи обеспечивается, с одной стороны, плановым развитием системы с учетом перспектив роста потребности в электроэнергии, с другой − правильной эксплуатацией оборудования и оптимальным планированием сроков проведения его ремонтов.

Поскольку АЭС работают в составе энергосистем при их эксплуатации приходится учитывать особенности технологического процесса в электроэнергетике, отличающие этот процесс от неэнергетических производств.

Важнейшей из особенностей является неразрывность процесса производства, передачи и потребления электроэнергии в связи с невозможностью аккумулирования ее в сколь-либо крупных масштабах (в других отраслях промышленности возможно складирование промежуточной и (или) конечной продукции). Это значит,

16

что нельзя произвести электроэнергию, не имея потребителя ее. Неразрывность процесса вызывает необходимость поддерживать суммарную нагрузку электростанций в любой момент времени в точном соответствии с потреблением (включая и потери в электросетях, расход энергии на собственные нужды станций, перетоки мощности в другие энергосистемы и т.п.). Учитывая, что нагрузка потребителей не остается неизменной, приходится постоянно менять суммарную нагрузку станций. Несоответствие генерации с потреблением недопустимо, так как оно приводит к нарушению показателей качества энергии – отклонениям частоты и напряжения от установленных значений, а в отдельных случаях − к возникновению в энергосистеме аварийных ситуаций. Это обстоятельство вынуждает постоянно согласовывать режим работы каждой электростанции с режимом системы.

Другая особенность технологического процесса энергосисте-

мы − тесная взаимосвязь режима работы всех элементов, входя-

щих в систему. Изменение нагрузки любой электростанции (отключение блока, агрегата) вызывает изменение нагрузки других станций, зачастую отстоящих на десятки и сотни километров, аналогично влияет включение или отключение транзитной линии электропередачи, крупного потребителя. В результате таких событий могут измениться и параметры противоаварийной готовности системы. При этом оперативный персонал конкретной станции не всегда может знать и судить о процессе, происходящем в системе.

Именно поэтому процесс производства, распределения и потребления электроэнергии не может быть завершен на отдельной станции, он завершается в системе, которая является единым непрерывно действующим организмом, могущим успешно работать только при взаимосогласованной работе всех его частей. А это, в свою очередь, может быть достигнуто только при круглосуточном руководстве режимом как системы в целом, так и наиболее важных ее элементов из единого центра. Такими центрами являются диспетчерские службы энергосистем.

Следует отметить также быстротечность переходных процес-

сов в электроэнергетической системе, длящихся от тысячных долей секунды до секунд. Обслуживающий персонал не в состоянии своевременно обнаружить начало и предотвратить развитие таких процессов. Поэтому контроль и управление режимами энергосис-

17

темы требуют обязательного применения специальных автоматических устройств. К ним относятся в первую очередь устройства, обеспечивающие предотвращение и эффективную локализацию аварий. Для регулирования и управления режимом системы, его оптимизации в последние десятилетия всё больше используют электронные вычислительные машины. С их помощью осуществляются сбор, обработка, отображение и документирование оперативной информации, контроль за выходом текущих параметров режима (включая вычисляемые) за установленные пределы, сигнализация об отклонениях, наконец, формируются команды автоматического управления, где это возможно.

1.2. Развитие электроэнергетических систем

На первой стадии развития электроэнергетики станции не были связаны между собой и работали раздельно (изолированно), т.е. каждая станция через собственную сеть снабжала своих потребителей. Но очень скоро была понята выгода от объединения станций. Поэтому стали создаваться энергетические системы, в которых электростанции соединялись линиями электропередачи и включались на параллельную работу.

Внашей стране впервые такое включение станций было реализовано еще в 1914 г. в Москве. С начала 1920-х гг. создаются и другие объединения станций, в дальнейшем получившие название районных энергосистем. В плане ГОЭЛРО (Государственный план электрофикации России), принятом в это же время, предусматривалось строительство государственных районных электростанций (ГРЭС) и электрических сетей. И в настоящее время в нашей стране такие энергосистемы, как правило, объединяют станции, подстанции и сети в пределах одного административного региона (области, республики). Они так и называются «Мосэнерго», «Воронежэнерго» и т.п. Общее название региональных систем – «АОэнерго».

В1940-х гг. районные энергосистемы в свою очередь стали объединять, строя ЛЭП между ними и постепенно образуя более мощные – объединенные – энергосистемы (ОЭС), обслуживающие такие крупные регионы, как Центр, Среднее Поволжье, Урал (табл. 1.2). Например, в ОЭС Центра сегодня входит 22 региональ-

18

ных энергосистемы, обслуживающих значительную часть Европейской части России от Воронежа на юге до Вологды на севере, от Твери и Смоленска на западе до Нижнего Новгорода на востоке.

				Таблица 1.2
	Состав и установленная мощность
некоторых объединенных энергосистем России (1999 г.)*
Регион		Установленная мощность, ГВт
		Тепловые	Гидро-	Атомные		Всего
		станции	станции	станции
Центр		41,3	4,4	10,8		56,5
Северо-Запад		6,6	2,7	5,7		15,0
Средняя Волга		13,5	6,4	4,0		23,9
Урал		38,0	1,8	0,6		40,4
Северный Кавказ		8,3	2,0	–		10,3
Сибирь		22,3	22,3	–		44,6

*Журнал «Энергия», № 11, 2000 г.

В1950-60 гг. после ввода крупных волжских ГЭС (Куйбышевской, ныне Жигулевской, – 2300 МВт и Сталинградской, ныне Волжской, – 2540 МВт) и мощных высоковольтных (500 кВ) ЛЭП, связывающих их с ОЭС Центра и Урала, начала формироваться Единая энергосистема (ЕЭС) страны. Создание ее было завершено

в1970-е гг. ЕЭС объединяла станции на пространстве от Байкала до Калининграда. В 1976-м на территории СССР действовали 93 энергосистемы, из них 85 работали параллельно в составе ЕЭС с суммарной мощностью электростанций, составляющей более 90 % общей мощности электростанций страны.

Тенденция к образованию по возможности более крупных энергетических объединений имеет место во всех странах мира. Даже в США, где электроэнергетика находится в частной собственности, после ряда серьезных аварий в энергосистемах начали образовывать энергетические «пулы» (объединения) с единым диспетчерским управлением.

Вфеврале 2008 г. Правительство России одобрило «Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики до 2020 года»

19

[49] (далее – Генеральная схема). Поскольку это решение определяет развитие на ближайшее десятилетие электроэнергетики, в том числе и атомной энергетики, необходимо кратко остановиться на нем. Внимание к электроэнергетике объясняется тем, что она, являясь базовой отраслью экономики страны, во многом определяет устойчивое развитие всех других отраслей экономики. Опережающее развитие энергетики − необходимый фактор успешного экономического развития России.

Генеральная схема представляет собой сбалансированный план размещения электростанций и электросетевых объектов на период до 2020 г. на основе оценки прогнозов электропотребления страны и ее регионов. Будучи документом федерального уровня, Генеральная схема и рассматривает объекты только федерального уровня, к которым отнесены АЭС, конденсационные электростанции мощностью свыше 500 МВт, гидроэлектростанции мощностью более 300 МВт, электросетевые объекты (ЛЭП и подстанции) напряжением 300 кВ и выше, обеспечивающие выдачу мощности этих объектов, а также формирующие межсистемные связи в ЕЭС.

Главная задача схемы − формирование надежной, экономически эффективной и оптимальной структуры генерирующих мощностей и электросетевых объектов, создание условий для предотвращения наиболее эффективным способом прогнозируемых дефицитов электрической энергии. Причем приоритетами территориального развития генерирующих мощностей являются:

•в европейской части России – максимальное развитие атомных и гидроаккумулирующих электростанций, техническое перевооружение электростанций, использующих газомазутное топливо;

•в Сибири и на Дальнем Востоке – развитие гидроэлектростанций и тепловых электростанций, использующих уголь.

1.3.Выгоды создания энергосистем

Стремление к созданию и дальнейшему объединению энергосистем вызвано значительными технико-экономическими преимуществами, которые оно дает по сравнению с работой изолированных станций. Эти преимущества, между прочим, тем больше, чем более различны характеристики объединяемых станций и потребителей. Создание крупных энергосистем позволяет:

20