Базовые технические варианты исполнения систем управления и защиты в ВВЭР-440

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный Университет «Одесская Политехника»

Институт Энергетики и Компьютерно-Интегрированных Систем Управления

Кафедра Атомных Электрических станций

Реферат

На тему: «Базовые технические варианты исполнения систем управления и защиты в ВВЭР-440»

Выполнил студент группы ТЯ-1704

Ящук Богдан

Одесса 2021

Оглавление

1. Апаратурная часть

1.1 Первичная измерительная информация

1.2 Уставки по мощности

1.3 Подсистемы группового управления ОР СУЗ

2. Механическая часть

2.1 Приводы ОР СУЗ

2.2 Крепления привода СУЗ

2.3 Защита и охлаждение ОР СУЗ

3. Кассеты АРК

3.1 Разница между кассетой АРК и ТВС

3.2 Крепление и использование кассеты АРК

3.3 Борное регулирование

Заключение

1. Апаратурная часть

1.1 Первичная измерительная информация

Технические решения в аппаратурной части СУЗ, а затем -- в механической, поскольку при работе системы управления командные сигналы сначала должны быть информативно сформированы, а затем -- механически исполнены. В качестве первичной измерительной информации для выработки управляющих воздействий в СУЗ ВВЭР-440 используются сигналы подсистемы датчиков энерговыделения (плотности потока нейтронов, или, кратко говоря, нейтронных детекторов), выполненных на базе внереакторных (внезонных) модифицированных ионизационных камер (ИК), которые вместе с линиями связи размещаются подвижно в специальных каналах бетонной защиты реактора. Каналы перемещения внезонных нейтронных детекторов (НД) образованы 24 вертикальными трубами, равномерно расположенными по периметру реактора на уровне активной зоны. Ниже активной зоны каналы НД увеличены в диаметре и радиусом перехода 2500 мм приобретают горизонтальное направление, проходя через толщу строительного бетона шахты. К концу каждого горизонтального канала примыкает коробка механизма подъема подвесок НД. В верхней части вертикального канала над опорной фермой к нему подсоединена коробка НД, к которой приварена наклонная труба. К другому концу трубы приварена коробка противовеса, который обеспечивает натяжение прикреплённого к НД троса. Коробка НД имеет фланец, уплотненный плоской крышкой. В 3-х коробках НД, на плоской крышке, имеются гильзы установки термометров сопротивления для контроля температуры внутри каналов перемещения датчиков энерговыделения (НД)

Датчики связаны с аппаратурой контроля нейтронного потока (АКНП), рабоающей в составе СУЗ, которая служит для:

контроля мощности реактора (путем сравнения её с уставкой) и скорости нарастания мощности (путем сравнения периода реактора с уставкой);

выдачи аварийных сигналов при достижении предельных значений определяемых уставкой) по мощности и по скорости ее изменения

1.2 Уставки по мощности

При этом, датчики работают в двух измерительных диапазонах: пусковом и рабочем. В пусковом диапазоне пределы измерений составляют промежуток от 10-8 % Nном до 10-2 % Nном. В этом диапазоне имеется пять уставок по уровню мощности, которые представлены в таблице 1.1.

Табл. 1.1

В рабочем диапазоне имеется две шкалы измерения: логарифмическая и линейная. Пределы измерений по логарифмической шкале составляют промежуток от 0,0001% Nном до 100% Nном. При измерениях по логарифмической шкале предусмотрены три уставки по уровню мощности, представленные в таблице 1.2.

Табл. 1.2

Пределы измерений по линейной шкале составляют промежуток от 1% Nном до 120% Nном. В этом промежутке при измерениях по линейной шкале предусмотрено сто двадцать уставок по уровню мощности (с шагом 1 % Nном). В табличном представлении эти уставки, по-видимому, не нуждаются.

Таким образом, измерения и контроль, необходимые для осуществления выработки управляющих команд на движение OP, осуществляются контрольно-измерительными приборами (КИП) и системами автоматики. механический датчик топливный кассета

1.3 Подсистемы группового управления ОР СУЗ

В СУЗ ВВЭР-440 для выработки управляющих сигналов автоматическим регулятором мощности (АРМ) аппаратурно предусмотрены две уставки по скорости изменения мощности (то есть уставки по периоду реактора). Они составляют: 20 секунд - «предупредительная» и 10 секунд - «аварийная». По достижении периодом реактора указанных числовых значений подсистема защит (предупредительной и аварийной) обеспечивает соответствующий режим защиты, причём для ВВЭР-440 по существу «предупредительные» защиты, вместе с «аварийными» принято называть «аварийными защитами первого, второго, третьего и четвёртого рода» (АЗ-1…АЗ-4). Управляющие сигналы из подсистемы аварийной защиты или от АРМ (а также сигналы, которые могут быть поданы оператором) обеспечивают при помощи подсистемы группового управления и аппаратуры контроля положения формирование командных сигналов для исполнительных механизмов (приводов) СУЗ

Функции подсистемы группового управления ОР СУЗ чрезвычайно ответственны, поэтому эта подсистема реализована с применением структурной избыточности, обеспечивающей нагруженное (горячее) постоянное резервирование. Кратность резервирования - 2. Структурная схема подсистемы, работающей во взаимосвязи с подсистемой контроля состояния по мажоритарному принципу «2 из 3».

Выходные сигналы подсистемы группового управления формируют положения ОР с учетом сигналов от датчиков, а также обеспечивают передачу данных для оператора на индикаторы положения БЩУ и РЩУ.

Аппаратура взаимодействия подсистемы с оператором обеспечивает ручное управление ОР СУЗ, представление в графическом и цифровом виде информации о текущем положении ОР, а также обеспечивает отображение на мониторе панели оперативного наблюдения БЩУ визуально воспринимаемых предупреждений и тревожную сигнализацию о нарушениях. Эта аппаратура также обеспечивает поддержку выполнения тестовых (внутрисистемных) операций.

Ручное управление перемещением 37-и ОР, собранных в группы, предназначено для перемещения вверх либо вниз всех групп ОР в жесткой проектной последовательности. Так, последовательное групповое перемещение ОР при движении вверх осуществляется с первой по шестую группу, а вниз - с шестой по первую группу. Важно отметить, что имеется также разрешенная возможность не группового, а индивидуального перемещения каждого из органов регулирования в любом из режимов управления ВВЭР-440. Автоматический режим управления по командам от АРМ, согласно техническому регламенту, предназначен для управления перемещением ОР при работе реактора только на энергетическом уровне мощности (в стационарном режиме).

Предусмотренные нормальной эксплуатацией командные сигналы, подаваемые на приводы ОР, должны вызывать следующие режимы перемещения ОР СУЗ:

перемещение вверх или вниз групп ОР в жесткой проектной последовательности;

перемещение одной выбранной группы ОР в ручном режиме;

остановка и удержание ОР в любом положении по высоте рабочего хода;

ручное индивидуальное управление ОР одновременно с ручным групповым управлением;

автоматическая остановка ОР в конечных положениях;

запрещение движения всех ОР вверх при команде аварийной защиты четвертого рода (АЗ-4);

последовательное движение групп ОР вниз с рабочей скоростью при команде аварийной защиты третьего рода (АЗ-3);

последовательный сброс групп ОР в жесткой проектной последовательности по команде аварийной защиты второго рода (АЗ-2);

шкафы группового управления, ШСКД

шкафы системного контроля и диагностики, ШССО

шкафы слежения за состоянием объектов)

одновременный сброс всех ОР по команде аварийной защиты первого рода (АЗ-1).

Аппаратура контроля положения ОР СУЗ также обеспечивает контрольный расчет их точного положения (в миллиметрах) и динамический контроль перемещения подвижных частей приводов. Расчет поверяется метрологическим сопровождением при помощи датчиков определения линейного положения ОР СУЗ (номинально ЛД-1).

2. Механическая часть

2.1 Приводы ОР СУЗ

Приводы органов регулирования образуют вместе с ОР механическую часть СУЗ. Далее остановимся на технических решениях, связанных с механической частью системы управления. Сначала опишем конструкцию приводов ОР и их работу, затем отдельно разберём устройство ОР СУЗ.

Установленные на верхнем блоке (ВБ) реактора, приводы ОР СУЗ ВВЭР-440 являются электромеханическими и представляют собой исполнительные механизмы, в которых применены роторные синхронные электродвигатели (номинально РД42 4РВ), подключенные к кинематической паре шестерёночно-реечного типа для преобразования вращательного движения роторов в поступательное движение рейки.

Высота каждого привода составляет 12800 мм; масса одного привода -- 1000 кг; рабочий ход рейки -- (2500±30) мм. Привод развивает тяговое усилие не менее 4900 Н (примерно 300 кгс). Средний срок службы привода равен 15 лет при базовом режиме эксплуатации. Привод, кроме электродвигателя, шестерёнчатого редуктора и рейки содержит: датчик указателя положения, шпиндельное устройство, охлаждающую систему и гидростопор. Внутренние полости шпиндельного устройства, редуктора, охлаждающей системы, уплотнителя и гидростопора образуют канал, в котором вдоль оси привода перемещается рейка.

При достижении ОР заданного положения в активной зоне реактора, электродвигатель переключается на тормозной режим работы, удерживая ОР СУЗ этом положении. По сигналу аварийной защиты электродвигатель привода обесточивается и под действием силы тяжести рейка вместе с ОР опускается вниз, раскручивая валы редуктора, шпиндельного устройства, электродвигателя и датчика указателя положения. После кратковременного ускорения устанавливается постоянная скорость падения ОР. Величина установившейся скорости определяется центробежным регулятором. Для уменьшения перегрузок деталей привода при остановке рейки на ее нижнем упоре, этот упор сделан подпружиненным.

Дискретная индикация положения ОР через каждые 250 мм хода рейки и остановка рейки в конечных положениях осуществляется датчиком указателя положения.

Учитывая роторный тип двигателей приводов, для контроля текущего положения ОР в ВВЭР-440 применена система грубого контроля на базе сельсинных датчиков. Как известно, сельсины (англ. self-synchronizing означает «самосинхронизирующиеся») -- это устройства механо-индукционной связи -- по сути электрические микромашины переменного тока, обладающие свойством фазовой самосинхронизации. Кратко поясним их работу. Простейший сельсин состоит из статора с трёхфазной обмоткой (схема включения -- «треугольник» или «звезда», хорошо известные в электротехнике) и ротора. Два таких устройства электрически, а значит -- дистанционно, соединяются друг с другом одноимёнными выводами. При таких условиях вращение ротора одного сельсина (сельсин-датчика) вызывает синхронный поворот ротора другого сельсина (сельсин-приёмника). Таким образом, поступательное движение каждого ОР, однозначно связанное с поворотом ротора двигателя соответствующего привода СУЗ, отображается поворотом ротора аналогового показывающего прибора на БЩУ или может после аналого-цифрового преобразования отображаться на цифровом табло. Для установки приводов и сельсин-датчиков на ВБ применяются специальные патрубки и чехлы.

2.2 Крепления привода СУЗ

Имеется 37 (по числу ОР СУЗ) патрубков для чехлов приводов. Патрубки для этих чехлов устанавливаются в отверстия диаметром 156 мм крышки и привариваются через специальные наплавки к внутренней части крышки.

Это ответственный элемент конструкции, во многом определяющий надёжность управления реактором. Каждый патрубок для крепления привода СУЗ выполнен из углеродистой стали, а внутренняя его поверхность закрыта нержавеющей рубашкой и наплавками. Внутри патрубков приводов установлены также тепловые кожухи с теплоизоляцией из нержавеющей ленты, которая служит для уменьшения влияния горячего теплоносителя на патрубки крышки. На фланцах патрубков ОР СУЗ выполнены посадочные поверхности для установки прокладок и резьбовые отверстия для вворачивания 6 шпилек М36 (каждая шпилька имеет центральное отверстие с измерительным стержнем для контроля вытяжки). На фланцах патрубков также предусмотрена установка 2-х прокладок: одна (никелевая) обеспечивает уплотнение, а вторая (асбестовая) служит для обнаружения и сбора возможных протечек. Из полости между этими прокладками во фланце патрубка выполнено сверление, к которому приварена трубка для контроля плотности разъема чехла привода СУЗ.

2.3 Защита и охлаждение ОР СУЗ

Чехол привода представляет собой сопряжение труб двух размеров: в верхней части труба имеет диаметр 273 мм, в нижней части труба имеет диаметр 138 мм). В нижней части к нержавеющей трубе (диаметром 138 мм) через специальную наплавку приварен углеродистый фланец с овальными отверстиями под шпильки. Внутренняя часть фланца закрыта защитной рубашкой, которая приварена к наплавке. В верхней части к нержавеющей трубе (диаметром 273 мм) приварен нержавеющий фланец, имеющий 6 резьбовых отверстий (под М36) и сверление, в которое устанавливается клапан, закрывающийся в случае повреждения трубопровода. На внутренней поверхности фланца выполнены уплотнительные посадочные поверхности для привода.

Привод рассчитан на работу при определенной температуре. По техническим условиям допускается эксплуатация привода в течение 5 минут с момента повышения температуры воды в герметичном чехле выше 100 °С.

Техническое исполнение приводов ОР СУЗ ВВЭР-440 предусматривает водяное охлаждение. Согласно техническому замыслу, привод ОР СУЗ ВВЭР440 сохраняет прочность и работоспособность при прерывании подачи воды на охлаждение в условиях стоянки (в обесточенном состоянии) при температуре чехла привода в области электродвигателя не более 200 °С. Допустимая продолжительность этого режима составляет 4 часа такого непрерывного состояния и в сумме 40 часов за весь срок службы.

Входной коллектор, служащий для подвода охлаждающей воды к приводам, представляет собой трубу диаметром 60 мм, в которую по каналу диаметром 89 мм поступает вода из промконтура. Из коллектора выходят 37 трубопроводов диаметром 14 мм. На каждом из этих трубопроводов установлен вентиль, регулирующий расход охлаждающей воды, поступающей на привод (вентили отрегулированы на стадии пусконаладочных работ и опломбированы). Каждый из трубопроводов заканчивается фланцем, для подсоединения трубопроводов к приводу и возможности демонтажа привода участок от 132 фланца трубопровода до привода выполнен съемным. Уплотнение ниппеля съемного участка трубопровода с фланцем стационарной части трубопровода обеспечивается никелевой прокладкой, которая обжимается 4-мя шпильками М12. Для отвода охлаждающей воды от приводов служит выходной коллектор и трубопроводы, которые в основном аналогичны входному коллектору и его трубопроводам, за исключением того, что выходной коллектор и его трубопроводы не имеют регулирующих вентилей и того, что в выходном коллекторе предусмотрен специальный воздушник.

Продолжением герметичных чехлов приводов СУЗ, укреплённых в соответствии с вышеприведенным описанием на верхнем блоке, внутри корпуса реактора служат трубы БЗТ, которые, прежде всего, играют роль защитных направляющих, по которым могут перемещаться в вертикальном направлении вытянутые по высоте (и достаточно длинные) ОР и устройства для их крепления к приводам. Сцепление ОР с подвижными частями приводов выполняется с использованием промежуточных штанг (кратко называемых промштангами).

Промежуточная штанга представляет собой трубчатую конструкцию с максимальным диаметром 155 мм и длиной 4824 мм. Промштанга состоит из корпуса, в котором закреплена труба с захватом и ловителем, выполненые из нержавеющей стали марок 08Х18Н10Т и 14Х17Н2. Промштанги располагаются в зоне блока защитных труб, который также играет роль дистанционирующего приспособления, удерживающего неподвижные топливные кассеты реактора.

3. Кассеты АРК

3.1 Разница между кассетой АРК и ТВС

Кассета состоит из 2-х аксиальных частей: обычной ТВС и надставки, хорошо поглощающей нейтроны. Как вариант, надставка может быть выполнена в виде «нейтронной ловушки» (шестигранной стальной трубы, заполненной водой -- для поглощения как медленных, так и быстрых нейтронов). Обычно поглощающая надставка кассеты АРК представляет собой шестигранную трубу из нержавеющей стали, к которой приварена головка и хвостовик из того же материала. Внутри шестигранной трубы расположены вкладыши из бористой стали с содержанием естественного бора 1,7…2% по массе. В головке надставки имеются два стальных пальца диаметром 20 мм, предназначенные для транспортно-технологических операций. В хвостовике надставки расположены два паза шириной 21 мм, центрирующие поглощающую надставку в горизонтальном плане относительно ТВС при сборке кассеты АРК.

Сравнивая между собой кассеты АРК и неподвижные топливные кассеты, следует отметить, что ТВС кассет АРК по своей конструкции идентичны ТВС неподвижных топливных кассет (лишь за исключением некоторых деталей). Общим является то, что все кассеты состоят из сборки ТВЭЛ наружным диаметром 9,1 мм (126 шт.), головки, хвостовика и чехла. В сборке ТВЭЛ располагаются по треугольной решетке с шагом 12,2 мм и объединены между собой дистанционирующими решетками «сотового типа», механически закрепленными на центральной трубе и в нижней несущей решетке. Верхняя дистанционирующая решетка посредством обода соединена с головкой кассеты, а нижняя несущая решетка в кассете АРК приваривается к хвостовику для посадки в гнездо днища корзины. Неподвижная кассета устанавливается в гнездо днища корзины хвостовиком, опираясь шаровой поверхностью на конусную часть гнезда. Для ориентации в горизонтальном плане на хвостовике рабочей кассеты имеется фиксирующий стальной палец, а в днище корзины -- соответствующий паз. В головке неподвижной кассеты, как уже было отмечено, имеются два стальных пальца под захват перегрузочной машины и 6 подпружиненных штырей, которые удерживают кассету от всплытия и служат для компенсации тепловых расширений в реакторе и допусков на изготовление ВКУ. В нижней решетке ТВЭЛ закреплены шплинтующей проволокой. Между верхними торцами ТВЭЛ и защитной решеткой в головке кассеты АРК для компенсации теплового расширения и радиационного увеличения ТВЭЛ предусмотрен компенсационный зазор 25 мм. На чехле кассеты в области головки и хвостовика имеется по одному ряду отверстий диаметром 9 мм (по два на каждой грани), предназначенных для разгрузки чехловой трубы от давления при возникновении перепада в случае максимальной проектной аварии. Главные же отличия кассеты АРК состоят в том, что чехол ТВС не имеет перфорации, в головке ТВС нет подпружиненных штырей. Головка ТВС кассеты АРК снабжена захватным устройством байонетного типа, обеспечивающим зацепление со штангой, хвостовик ТВС снабжен стаканом, который и обеспечивает (вместе с гидравлическим устройством в нижней части обсадной трубы днища шахты) демпфирование при движении ОР СУЗ.

3.2 Крепление и использование кассеты АРК

Кассета АРК, если она должна быть зафиксирована без движения, в отличие от топливной кассеты, удерживается приводом СУЗ посредством промштанги. Конструкция привода АРК обеспечивает надежное удержание кассеты АРК от самопроизвольного всплытия даже в случае разуплотнения чехла привода ОР СУЗ выше уплотнительных колец привода (удержание обеспечивается гидростопором). Конструкция привода также исключает возможность непреднамеренного извлечения кассеты АРК при проведении демонтажа привода и исключает возможность самопроизвольного расцепления привода с кассетой АРК во всех режимах работы реактора (это обеспечивается фиксатором).

Для крепления кассеты АРК к промштанге, обеспечивающей перемещение кассеты, на расстоянии 2476 мм от нижнего торца промштанги имеется кольцо наружным диаметром 45 мм, входящее в гнездо поглощающей надставки кассеты по диаметру 46 мм и предназначенное для дистанционирования и удержания её от всплытия во всех режимах управления реактором. В верхней части трубы установлен с помощью трапециидальной резьбы 70х10 (и зафиксированный штифтом) ловитель, имеющий гнездо для сцепления с промштангой.

Для направленного перемещения кассеты АРК в области внутрикорпусного пространства под БЗТ, на уровне АЗ и ниже, образован канал движения, сформированный соседними шестью рабочими кассетами, шестигранным отверстием днища корзины и обсадными трубами днища шахты реактора. Согласно этому техническому решению, при крайнем нижнем положении кассеты АРК её топливная часть располагается в обсадных трубах, а надставкапоглотитель оказывается в активной зоне. По мере выгорания ядерного горючего в рабочих кассетах, в активную зону вводится тепловыделяющая часть кассет АРК, компенсируя выгорание. При необходимости аварийной защиты таковая выполняется путем быстрого вывода из активной зоны тепловыделяющих частей всех кассет АРК и одновременного ввода поглощающих нейтроны кассетных надставок. В процессе регулирования мощности, при движении отдельной кассеты или группы кассет АРК вверх, по мере введения топлива поглотитель выводится, а при движении кассеты вниз поглотитель вводится с выведением ТВС из АЗ в обсадную тубу днища шахты. Рабочая скорость перемещения кассеты АРК в режиме регулирования составляет (20±1) мм/c. Известны технические предложения, предусматривающие использование в подвижной кассете вместо тепловыделяющей части «ложной ТВС», то есть сборки, не содержащей тепловыделяющих элементов -- для оптимизации характеристик движения кассет АРК благодаря снижению нагрузки на приводы. Это техническое решение становится понятным, если учесть, что масса кассеты в снаряженном состоянии составляет величину свыше 296 кг при длине 5700 мм и размере шестигранника «под ключ» 144 мм. В режиме аварийной защиты, при расцеплении с приводом и движении кассеты АРК вниз самоходом, средняя скорость составляет 200-300 мм/с (эта скорость достигается за время около 0,5 с от начала движения). Кинематические параметры ОР СУЗ ВВЭР-440 сведены в табл. 3.1 . Для демпфирования ударных нагрузок на облегчённые или полностью снаряженные кассеты АРК в конце пути их движения служат гидравлические устройства, расположенные в нижних частях обсадных труб и приспособления на хвостовиках кассет.

Табл. 3.1

3.3 Борное регулирование

Прототипом для механической части СУЗ ВВЭР-440 послужила система управления ВВЭР-365, техническое исполнение которой основывалось, в свою очередь, на предшествующем проекте СУЗ ВВЭР-210 (правда, при идентичных принципах СУЗ управление ВВЭР-210 и ВВЭР-365 осуществлялось без наличия системы «борного» регулирования и поэтому предусматривало большее число кассет АРК). Собственно, именно применение системы «борного» регулирования при переходе к проекту ВВЭР-440 позволило упростить СУЗ и сократить количество органов регулирования с 73 до 37. Однако, при таком уменьшенном количестве ОР СУЗ после окончания загрузки топлива реактор ВВЭР-440 является надкритическим даже при всех выведенных из активной зоны топливных сборках кассет АРК и введенных поглощающих надставках, поэтому избыточная реактивность компенсируется (для обеспечения подкритичности) с помощью введения в теплоноситель борной кислоты с обеспечением концентрации 16 г/дм3.

При разогреве реактора и выходе на мощность концентрация борной кислоты меняется с 16 г/дм3 до критического значения (равного примерно 7 г/дм3). По мере дальнейшей работы реактора и выгорания топлива в течение кампании концентрация борной кислоты снижается до нуля

Заключение

Мониторинг работы механической и аппаратурной частей СУЗ ВВЭР440 осуществляется при помощи встроенной в СУЗ подсистемы контроля и диагностирования. Эта подсистема обеспечивает контроль работоспособности и адекватности функционирования как технических, так и программных средств, а также периодический сбор, регистрацию и представление (в графическом и текстовом форматах) параметров и характеристик работы системы управления и защиты реактора

Размещено на Allbest.ru