Известно определение: «Цифровая технология, это основанная на методах кодировки и передачи информации дискретная система, позволяющая совершать множество задач за кратчайшее время». Цифровая технология в системе охлаждения конденсаторов турбин АЭС, представляется математической моделью системы с цифровыми выражениями всех ее элементов, связанных между собой заданным алгоритмом компьютерной программой, с помощью которой, с учетом требований правил эксплуатации АЭС [1] определяется оптимальный расход охлаждающей воды, при котором в конденсаторе образуется вакуум, обеспечивающий максимальную мощность турбины. 

Известными методами величина оптимального расхода воды определяется вручную. Это трудоемкий процесс, требующий выполнения сотен расчетных режимов, с принятыми характеристиками турбины, конденсаторов и элементов системы охлаждения (охладителей, циркуляционных насосов, водопроводящих коммуникаций) в условиях постоянно изменяющихся метеорологических параметров. На практике применяются упрощения расчётов, вызывающие увеличение капиталовложений в систему и снижение эффективности работы АЭС. 

Цифровая технология позволит выполнять вычисления в автоматическом режиме на любые исходные данные. Для этого определяются цифровые выражения в виде полиномов, аппроксимирующих известные графические номограммы, мощности турбины в зависимости от вакуума в конденсаторе, вакуума от расхода и температуры охлаждающей воды, мощности циркуляционных насосов, значения температуры охлажденной воды в охладителе.

Для примера на рисунке 1 представлена расчетная номограмма башенной испарительной градирни и ее цифровое выражение. Температура охлажденной в градирнях воды должна определяться по данным натурных исследований. При их отсутствии допускается определять температуру охлажденной воды по расчетным номограммам [2].

Рис.1. Номограмма башенной испарительной градирни

Цифровое выражение, определяющее температуру охлажденной воды t₂ при заданных влажности воздуха φ, температуры воздуха θ и гидравлической нагрузки q, при температурном перепаде Δt, с поправкой на скорость ветра w, будет иметь вид:

t₂=(-(1,1138741*10^(-5))*Δt^3+(3,0157609*10^(-4))*Δt^2-0,0024314*Δt+0,0055188)*((-(2,2960938*10^(-6))*q^3+(1,0283438*10^(-4))*q^2-0,0014363*q+0,0079948)*(((1,5674319*10^(-7))*φ^2+(8,3583168*10^(-6))*φ-0,001233)*θ^2+(-(5,4859375*10^(-6))*φ^2+0,0019979*φ+0,5912016)*θ+(-(2,3511*10^(-5))*φ^2+ 0,0306165*φ-1,0167188))^2+((4,4743438*10^(-4))*q^2-0,0418028*q+1,725047)*(((1,5674319*10^(-7))*φ^2+ (8,3583168*10^(-6))*φ-0,001233)*θ^2+(-(5,4859375*10^(-6))*φ^2+0,0019979*φ+0,5912016)*θ+(-(2,3511*10^(-5))*φ^2+0,0306165*φ-1,0167188))+(-0,0187408*q^2+2,0020463*q-40,8869983))^2+ (0,001395*Δt^2-0,043706*Δt+0,918614)*((-(2,2960938*10^(-6))*q^3+(1,0283438*10^(-4))*q^2-0,0014363*q+ 0,0079948)*(((1,5674319*10^(-7))*φ^2+(8,3583168*10^(-6))*φ-0,001233)*θ^2+(-(5,4859375*10^(-6))*φ^2+ 0,0019979*φ+0,5912016)*θ+(-(2,3511*10^(-5))*φ^2+0,0306165*φ-1,0167188))^2+((4,4743438*10^(-4))*q^2-0,0418028*q+1,725047)*(((1,5674319*10^(-7))*φ^2+(8,3583168*10^(-6))*φ-0,001233)*θ^2+(-(5,4859375*10^(-6))*φ^2+0,0019979*φ+0,5912016)*θ+(-(2,3511*10^(-5))*φ^2+0,0306165*φ-1,0167188))+(-0,0187408*q^2+ 2,0020463*q-40,8869983))+(-0,0264467*Δt^2+0,831241*Δt+20,7258761)+((3,9817553*10^(-5))*q^2-0,0053356*q+0,0693522)*Δt^2+(-0,0022332*q^2+0,191605*q-2,30766)*Δt+(0,016827*q^2-1,2918211*q+ 15,1608249)+ 0,45*w-1,2

 

Представляя все элементы системы охлаждения в виде цифровых выражений, объединенных определенным алгоритмом, формируется математическая модель системы с компьютерной программой вычисления в автоматическом режиме величины оптимального расхода охлаждающей воды.

На стадии проектирования оптимальный расход охлаждающей воды, вычисляется по среднемесячным метеорологическим факторам среднего года [3] и определяются соответствующие ему оптимальные конструктивные параметры системы.

Рассматриваются варианты охладителей разной производительности и разные параметры системы. В каждом варианте в рабочем диапазоне пропускной способности конденсатора по расходу воды, задается дискретный ряд значений расхода воды, по каждому его значению вычисляется мощность турбины, выявляется вариант с максимальным значением и соответствующая ему выработка электроэнергии за год. Варианты сопоставляются по капиталовложениям и годовой выработке электроэнергии и принимается вариант с минимальной приведенной стоимостью. Это будет оптимальный вариант конструктивных решений системы. Цифровая технология позволяет выполнять расчеты на любой интервал времени, в т.ч. часовой, что позволит в автоматическом режиме определять, как это требуют нормативные документы [3], пределы и длительность ограничения мощности турбины при максимальных часовых температурах воздуха летнего периода среднего года и жаркого года 10% обеспеченности.

На стадии эксплуатации разрабатывается компьютерная программа управления системой охлаждения, содержащая математическую модель с цифровыми выражениями всех ее элементов. В рабочем диапазоне пропускной способности конденсатора по расходу воды, задается дискретный ряд значений расхода охлаждающей воды, по каждому его значению вычисляется мощность турбины и выявляется вариант с максимальным значением, который принимается как рабочий режим эксплуатации с оптимальным расходом охлаждающей воды. Оптимальный расход охлаждающей воды определяется при заданных метеорологических параметрах, которые могут приниматься в режиме реального времени или по усредненным параметрам в принятом эксплуатацией периоде времени (сутки, неделя, месяц).

Существует практика регулировать расход охлаждающей воды посезонно, по метеорологическим параметрам, усредненным за летний и за зимний период. Это вызвано желанием сократить манипуляции с насосным оборудованием и отсутствием механизма оперативного определения оптимального расхода воды. Такой прием порождает потери выработки электроэнергии. По укрупненной оценке ежемесячным регулированием, за счет оптимизации, можно получить дополнительную выработку электроэнергии одной турбиной 1000 МВт порядка 60 000 МВт.ч./год. На рисунке 2 показана принципиальная схема, демонстрирующая режимы регулирования расхода охлаждающей воды, слева посезонное, справа помесячное.

Рисунок 2. Схема регулирования расхода воды

Закрашенная площадь показывает величину потерь выработки электроэнергии

Используя цифровую технологию, можно реализовать полную автоматизацию работы системы, которая будет постоянно поддерживать оптимальный расход охлаждающей воды в системе с учетом показаний метеорологических параметров в режиме реального времени. Это позволит получить одной турбиной дополнительную выработку электроэнергии порядка 90 000 МВт.ч./год.

Регулирование расхода воды, установленное требованиями правил [1], обеспечивается применением насосов с поворотными лопатками рабочего колеса, с предцентробежным регулированием (лопатки перед входом) или электрическим регулированием частоты вращения рабочего колеса (частотное регулирование).

В процессе эксплуатации компьютерная программа будет выявлять и фиксировать все отличия от расчётных значений и покажет, какие цифровые выражения необходимо скорректировать. В итоге цифровые показатели приводятся в соответствие реальному состоянию системы, и математическая модель трансформируется в цифровой двойник.    

Компьютерная программа с цифровой технологией имеет возможность регистрировать в процессе эксплуатации любые параметры системы охлаждения, выявлять динамику изменения параметров, прогнозировать состояние и на основании его определять целесообразность выполнять ремонт или реконструкцию системы. Оптимизация исключит необоснованные затраты на конструктивные решения и обеспечит дополнительную выработку электроэнергии на протяжении жизненного цикла АЭС.

Литература.

1.      СТО 1.1.1.01.0678-2015. «Основные правила обеспечения эксплуатации атомных станций».

2.      РД 34.22.101. Руководство по оптимизации оборотной системы водоснабжения электростанций с градирнями.

3.      РД 210.006-90. Правила технологического проектирования атомных станций (с реакторами ВВЭР). Актуализация 01.01.2019.