В настоящее время сложилась стройная и постоянно совершенствующаяся система взглядов на порядок и нормы проектирования ЯЭУ АЭС. Эта система взглядов зафиксирована в большом количестве НТД - нормативно-технических документов по проектированию ЯЭУ АЭС и АЭС в целом. Характер вопросов, охватываемых этими НТД, самый различный. Это требования к ЯЭУ и отдельным ее элементам, нормы по целому ряду параметров, порядок проектирования, порядок согласования ряда вопросов при проектировании, применяемые материалы и их качество, принятые и апробированные расчетные методики и многое другое.
Действующие в настоящее время руководящие документы, которые регламентируют порядок проектирования ЯЭУ АЭС, можно разделить на три группы:
а) Государственные стандарты, требования которых подлежат неукоснительному соблюдению как на стадии разработки ЯЭУ, так и при ее создании, эксплуатации и ремонтах. Большинство из них имеют пометку "Несоблюдение стандарта преследуется по закону";
б) нормативно-технические документы, в которых изложены требования заказчика. На стадии разработки документов они должны быть детально согласованы с возможностями проектанта и изготовителя ЯЭУ. После согласования и утверждения нормы этих НТД являются обязательными для исполнителя-проектанта. Основной круг вопросов, которые поднимаются в этой группе документов, - что должно быть реализовано в установке;
в) нормативно-технические документы, в которых исполнитель фиксирует свой опыт проектирования и устанавливает правила и нормы, а также рекомендации по наиболее эффективному способу реализации требований заказчика. Положения этих документов также подлежат согласованию, но уже со стороны заказчика.
Приведем в качестве примера некоторые государственные стандарты, которые регламентируют различные вопросы атомной энергетики.
ГОСТ 24277-91 (группа Е-23). Установки паротурбинные стационарные для АЭС. Общие технические условия.
ГОСТ 24656-81 (группа Г-82). Насосы циркуляционные первого контура энергоблоков атомных электростанций с реакторами ВВЭР. Типы, основные параметры и общие технические требования.
ГОСТ 24722-81 (группа Ф-61). Реакторы ядерные энергетические корпусные с водой под давлением. Общие технические требования.
ГОСТ 26291-84 (группа Е-18). Надежность атомных станций и их оборудования. Общие положения и номенклатура показателей.
ГОСТ 26392-84 (группа Ф-00). Безопасность ядерная. Термины и определения.
ГОСТ 26843-86 (группа Ф-67). Реакторы ядерные энергетические. Общие требования к системе управления и защиты.
Широко используются также государственные стандарты общетехнического назначения, если их положения распространяются и на ЯЭУ АЭС. Например:
ГОСТ 8032-84 (группа Т-00). Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел.
ГОСТ 12139-84 (группа Е-60). Машины электрические вращающиеся. Ряды номинальных мощностей, напряжений и частот.
ГОСТ 17398-72 (группа Г-00). Насосы. Термины и определения.
ГОСТ 25450-82 (группа Е-25). Подогреватели поверхностные регенеративные. Типы, основные параметры и размеры.
Приведем также в качестве примера некоторые нормативно-технические документы заказчика и проектанта-изготовителя, положения которых также являются обязательными при проектировании ЯЭУ. Заметим, что сюда следует отнести и основополагающие документы, регламентирующие порядок эксплуатации разрабатываемой ЯЭУ АЭС, так как эксплуатационные свойства также закладываются на стадии проектирования.
Из основных нормативно-технических документов можно назвать:
Об использовании ядерной энергии и радиационной безопасности. Закон Украины , 1995 (с дополнениями от 1996, 1999 и 2000г.);
Типовое содержание технического обеспечения безопасности атомных станций ТС ТОБ АЭС-85;
Общие положения обеспечения безопасности атомных станций Украины. Государственный Комитет ядерного регулирования. ОПБУ-2008;
Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций с реакторами с водой под давлением ПБЯ РУ АС-2008;
Правила радиационной безопасности при эксплуатации атомных электростанций ПРБ-АС-89;
Нормы радиационной безопасности Украины. Государственные гигиенические нормативы. НРБУ 97.
Заметим, что категорийность этих документов уступает категорийности государственных стандартов, поэтому после соответствующей доработки и согласования с заинтересованными сторонами они могут быть подняты до уровня государственных стандартов, что усилит значимость и роль этих документов.
. Особенности проектирования энергоблока АЭС в учебных целях
Проектирование ЯЭУ АЭС в учебных целях является заключительным этапом обучения в вузе. Основные задачи проектирования можно свести к следующему:
а) систематизация и закрепление теоретических знаний и практических навыков, полученных за период обучения;
б) получение навыков в самостоятельном освоении вопросов устройства и эксплуатации технических средств по техническим описаниям и инструкциям;
в) приобретение навыков самостоятельной работы в решении различных инженерных задач по профилю подготовки;
г) развитие навыков анализа и обобщения данных научно-технической литературы, результатов расчетов и экспериментов, материалов по эксплуатации, а также оценки эффективности технических средств.
Такой характер носит работа по проектированию ЯЭУ как в курсовом, так и в дипломном проектировании. Успешно выполнив дипломный проект по ЯЭУ в целом и по отдельному специальному вопросу ДП, обучаемый должен продемонстрировать свою инженерную зрелость, достаточную для того, чтобы получить квалификацию специалиста с высшим образованием по соответствующей специализации.
В соответствии с положениями о высшей школе курсовое и дипломное проектирование в вузе должно проводиться с соблюдением норм ЕСКД. Это означает, что порядок выполнения проекта должен соответствовать стадиям проектирования, предусмотренным ГОСТ 2.103-68 "Стадии разработки", а все документы проекта (и текстовые, и графические) должны квалифицироваться как конструкторские документы и выполняться в соответствии с нормами стандартов ЕСКД. Учитывая эксплуатационную направленность учебных программ для рассматриваемой специализации, проект ЯЭУ АЭС следует выполнять как эскизный проект. На этой стадии проектирования решаются вопросы, полностью отвечающие подготовке специалистов эксплуатационного профиля. Действительно, эскизный проект представляет собою начальные разработки конструкции установки, дающие общее представление о ее составе, устройстве и принципе действия, а также оценочные расчеты по определению ее основных параметров.
Правда, с учетом специфики учебного проектирования, а также из-за ограниченного бюджета времени такой эскизный проект ЯЭУ имеет ряд особенностей. В частности, он не включает в себя расчеты и оценки некоторых важных показателей элементов ЯЭУ, например, прочностные расчеты. Основной упор делается на нейтронно-физические и тепловые расчеты, которые в значительной степени вскрывают особенности принципа действия принятой в расчет установки и таким образом способствуют выяснению особенностей ее эксплуатации.
Для придания работе необходимой полноты и законченности в такой проект включают вопросы, присущие техническому заданию и проекту АЭС в целом, например, изложение некоторых требований к энергоустановке и ее элементам, выбор и обоснование исходных положений (характеристика района расположения АЭС, выбор системы технического водоснабжения и др.).
В общем случае проектирование ЯЭУ АЭС, как и любого другого сложного изделия, распадается на два этапа - выбор типа установки, основных схемных и конструктивных решений, положенных в основу ее принципа действия, затем следует определение основных параметров основных элементов ЯЭУ. Заметим, что обычно в процессе проектирования эти этапы тесно переплетаются. Выбор конструктивных и схемных решений сопровождается выбором и расчетом значений ряда параметров. Однако выбор типа установки и основополагающих схемных и конструктивных решений должен предварять расчет параметров установки.
При расчете энергоустановки может решаться одна из следующих трех задач:
а) определение потребной мощности ядерного реактора при заданной мощности генератора электроэнергии;
б) определение мощности генератора электроэнергии при заданной мощности ядерного реактора;
в) расчет мощности ядерного реактора и мощности генератора электроэнергии на некотором промежуточной режиме работы ЯЭУ АЭС.
При разработке ЯЭУ обычно ставят задачу в первой формулировке. В нашем случае при выполнении эскизного проекта ЯЭУ АЭС в учебных целях мы также будем ставить задачу по расчету энергоустановки в первой формулировке.
В общем виде последовательность проектирования ЯЭУ можно представить следующим образом.
Исходя из заданной электрической мощности энергоблока и учитывая его назначение и место установки, выбирают тип ЯЭУ, основные схемные и конструктивные решения, положенные в основу ее принципа действия. При этом следует руководствоваться требованиями обязательных к исполнению руководящих документов по проектированию ЯЭУ. Соблюдение норм руководящих документов обеспечит создание безопасной, надежной и достаточно экономичной установки, отвечающей современным взглядам на стационарную атомную энергетику.
Заметим, что при проектировании реальных АЭС на начальном этапе проектирования производят выбор площадки под АЭС. Это очень важный этап, так как при этом необходимо удовлетворить ряд требований, обеспечивающих в будущем безопасную эксплуатацию АЭС. Hормы, которым должна удовлетворять площадка под АЭС, разработаны и зафиксированы в соответствующих документах международной организации - Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). С учетом особенностей выбранной площадки разрабатывают генеральный план АЭС - схему расположения всех зданий и сооружений электростанции на площадке.
В нашем случае при учебном проектировании ЯЭУ АЭС для конкретизации задач по обеспечению безопасной работы обычно задают не только электрическую мощность энергоблока, но и его назначение. Как правило, это дополнительный энергоблок одной из АЭС Украины. Такой подход позволяет при обосновании мер безопасности разрабатываемого энергоблока учитывать конкретные особенности промплощадки АЭС и ее генерального плана.
И последнее замечание относительно типа разрабатываемой ЯЭУ. Следует иметь в виду, что к настоящему времени энергоблоки АЭС принято создавать в блочном исполнении. Это означает, что различные энергоблоки одной АЭС не имеют технологических связей по основному технологическому процессу - выработке тепловой энергии и последующему ее преобразованию в электрическую энергию.
Исходя из требований к уровню тепловой экономичности установки и свойствам материалов, которые могут быть использованы в конструкциях ЯЭУ, производят выбор параметров теплоносителя и рабочего тела. Hа основе принятых решений выполняют теплоэнергетический расчет энергоустановки в целом и отдельных ее элементов.
Разумеется, решение этой задачи может быть выполнено только во многовариантном виде. Только сопоставление результатов расчета всех вариантов и детальный техно-экономический их анализ позволит выбрать оптимальный вариант разрабатываемой энергоустановки. Однако, учитывая ограниченный бюджет времени исполнителя проекта установки, выполняемого в учебных целях, а также учебную цель работы (более глубокое познание принципа работы установки), мы ограничимся одновариантным расчетом. Hо принимаемые при этом решения необходимо тщательно анализировать и обосновывать. Заметим, что даже в таком одновариантном виде проектирование ЯЭУ АЭС - сложная и весьма трудоемкая задача.
Суть расчетов энергоустановки сводится к следующему. По заданной мощности генератора электроэнергии и, следовательно, мощности главной турбины производят расчет рабочего контура. В результате расчета в соответствии с принятым циклом преобразования тепловой энергии в механическую и в соответствии с принятыми параметрами рабочего тела в характерных точках цикла определяют расход пара через турбину, обеспечивающий необходимую для генератора электроэнергии механическую мощность.
Параметры пара, расширяющегося в проточной части турбины, и определяемые в расчетах расходы пара через ступени турбины являются исходными данными для детального проектирования турбоагрегата. Эти же данные, а также параметры потоков рабочего тела во всех остальных ветвях рабочего контура используют для определения паропроизводительности парогенератора и тепловой мощности ядерного реактора. Эти параметры являются исходными данными для детального проектирования парогенератора и реактора. Hа базе полученных значений параметров сред в различных ветвях контуров и систем ЯЭУ составляют исходные данные для проектирования вспомогательного оборудования энергоустановки (насосы, теплообменные аппараты и пр.).
Основу расчетов энергоустановки составляет расчет рабочего контура (II контура). Для расчета рабочего контура необходимо детально разработать систему регенерации тепла в рабочем контуре, так как количество и способ включения регенеративных подогревателей существенно влияет на расходы отбираемого пара и, следовательно, на расход пара в проточной части турбины. Компоновка системы регенерации тесно связана с принятым в турбине количеством ступеней и распределением общего теплоперепада между ступенями.
Кроме того, при разработке системы регенерации решается также ряд дополнительных тесно связанных с компоновкой рабочего контура вопросов. К ним относятся место установки, схема включения и параметры работы деаэратора, насосов конденсатно-питательной системы (в том числе тип привода насосов), компоновка и подключение системы теплофикации и др.
В общем случае дополнительными потребителями рабочего тела (и тепловой энергии, заключенной в потоках рабочего тела) являются:
а) паротурбинные приводы насосов ЯЭУ, если они предусмотрены в составе ЯЭУ;
б) система теплофикации, которая обычно работает за счет дополнительного отбора пара из проточной части турбины;
в) ряд потребителей пара, объединенных в общую группу и питающихся из общего коллектора - коллектора собственных нужд СH;
г) неизбежные в ПТУ протечки пара в арматуре и устройствах парового тракта.
В заключение теплоэнергетического расчета рабочего контура определяют паропроизводительность ПГ и мощность ЯР. По этим величинам можно определить КПД ЯЭУ брутто.
Для того, чтобы выполненная работа соответствовала эскизной стадии проектирования ЯЭУ АЭС, необходимо также определить основные параметры основного оборудования ЯЭУ: ЯР, ПГ, ТА, ГК и основных циркуляционных насосов. По параметрам циркуляционных насосов можно оценить расход электроэнергии на собственные нужды и, таким образом, оценить КПД ЯЭУ нетто.
Общие рекомендации по применению вычислительной техники при выполнении проекта ЯЭУ АЭС сводятся к следующему.
Расчеты энергоустановки весьма громоздки и трудоемки, поэтому при их выполнении целесообразно широко использовать вычислительную технику различных категорий. Однако, учитывая специфику выполнения проекта ЯЭУ АЭС в учебных целях, нецелесообразно стремиться весь расчет ЯЭУ выполнять по заранее разработанной программе, заложенной в ЭВМ. Такой способ выполнения расчетов зачастую скрадывает физический смысл процессов, параметры которых определяются расчетами, и не способствует более глубокому осознанию обучающимися принципа действия элементов ЯЭУ, их взаимодействия и взаимовлияния. Использование ЭВМ целесообразно при решении некоторых частных задач, например, при поиске оптимального сочетания различных параметров, выполнении громоздких, но многократно повторяющихся по общей методике расчетах, в расчетах, выполняемых методом последовательных приближений, и т.п.