ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIREEnergetyka jądrowa
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.





Czy elektrownie jądrowe mogą pracować w systemie nadążania za obciążeniem?
14.02.2020r. 14:04

Dr inż. Andrzej Strupczewski, prof. NCBJ
Praktyka wykazuje, że tak! W przypadku pracy z nadążaniem za obciążeniem główne parametry elektrowni jądrowej to gradient zmian mocy (szybkość zmian mocy), wielkość zmian mocy i minimalna moc.
Rozróżniamy trzy typy elastycznej eksploatacji elektrowni jądrowych
  • Eksploatacji z regulacją częstotliwości, w której elektrownia pracuje na mocy mniejszej od mocy nominalnej (MN) i jej moc zmienia się automatycznie w odpowiedzi na zmiany częstotliwości w sieci
  • Eksploatacja profilowana, w której operator oferuje okresowe zmiany mocy tworząc profil zmienny w ciągu dnia ( typowo profil ten obejmuje dwie zmiany w ciągu 24 godzin, ze zmniejszoną mocą w czasie nocy)
  • Nadążanie za obciążeniem, gdy operator elektrowni otrzymuje od operatora systemu polecenia wykonania manewrów z krótkim wyprzedzeniem czasowym, tak by zmieniać moc elektrowni stosownie do zmiennych
Zmiana mocy elektrowni jądrowej jest zawsze możliwa. W przypadku reaktora z wodą pod ciśnieniem PWR zmiany mocy realizuje się głównie przez zmianę położenia prętów regulacyjnych. Dokładną regulację reaktywności w rdzeniu reaktora wykonuje się zmieniając stężenie kwasu borowego w obiegu pierwotnym. Temperatura chłodziwa pozostaje stała przy zmianach mocy w granicach od 60% do 100% MN, co zapewnia obniżenie naprężeń termicznych.

W przypadku reaktora z wodą wrzącą BWR zmiany mocy można realizować albo przy pomocy prętów regulacyjnych w zakresie poniżej 60% MN albo przez zmiany wydatku wody w rdzeniu (zmiana mocy pomp recyrkulacyjnych) w zakresie od 60% do 100% MN. Zmiana wydatku chłodziwa przez rdzeń reaktora wpływa na spowalnianie neutronów, a w związku z tym na reaktywność - a więc na moc reaktora. Jest to preferowana metoda pracy w systemie nadążania za obciążeniem, ponieważ nie powoduje ona naprężeń termicznych w paliwie i rozkład mocy jest niemal stały. W obu typach reaktorów temperatura i ciśnienie pary napływającej do turbiny pozostają stałe.

Elektrownie jądrowe II generacji w Niemczech są zaprojektowane tak, by mogły zmieniać swą moc w tempie 10% MN/min, a normalną praktyką jest zmienianie mocy w tempie 2,5 do 5% MN/min. Przy mocy ośmiu pracujących obecnie w Niemczech reaktorów wynoszącej około 10,6 GW, mogą one zmieniać moc o 5,3 GW w ciągu 15 minut przy gradiencie mocy wynoszącym 5% MN na minutę w zakresie do 50% MN.

szczególności ustaloną praktyką jest związanie mocy elektrowni bezpośrednio z częstotliwością sieci, tak że zmiany mocy następują bez interwencji operatora. Zakres zmian typowo ograniczony jest do 5% MN. Taki reżym pracy sprawdza się podczas testów rozruchowych elektrowni i większość elektrowni jądrowych w Niemczech pracuje w tym systemie. Możliwe są i większe zmiany mocy, np. w sierpniu 2015 roku w bloku nr. 2 w elektrowni jądrowej Philippsburg na żądanie operatora przeprowadzono redukcję mocy o 14% (200 MWe) w ciągu 30 sekund a następnie powrót do pełnej mocy nominalnej w ciągu 15 minut1.

Pozytywne doświadczenie w pracy z nadążaniem za obciążeniem w niemieckich elektrowniach jądrowych wykazało, że zmiany mocy o 400 MWe w ciągu 15 minut są możliwe i wystarczają zupełnie do pokrycia zmian mocy potrzebnych ze względu na fluktuacje mocy wiatru.

Na rys. 1 pokazano zmiany mocy elektrowni jądrowych w Niemczech w ciągu doby, rejestrowane co pół godziny od północy do północy. Ich moc zmienia się od 650 do 1400 MW, a więc w granicach od 46% do 100% MN.

(1248x545)Rys. 1 Zmiany mocy w funkcji obciążenia w niemieckich EJ w ciągu 24 h

Francuskie EJ pracują podobnie. Gradient mocy wynosi tam 5% MN/min w zakresie mocy od 30% do 100%, oraz +/- 2,5% dla krótkoterminowej modulacji częstotliwości ( kilka sekund). Jest to konieczne ze względu na duży udział elektrowni jądrowych w mocy francuskiego systemu elektroenergetycznego (około 75%)2. Elektrownie jądrowe muszą więc być przystosowane do całodobowych i tygodniowych zmian obciążenia, a także do całkowitych przerw w pracy przez kilka godzin lub dni.

Poza Niemcami i Francją, także w elektrowniach jądrowych w Belgii, Finlandii, Szwajcarii i na Węgrzech stosuje się albo nadążanie za obciążeniem, albo modulację mocy lub stabilizację częstotliwości w sieci. Potrzeba pracy w systemie nadążania za obciążeniem zależy od krajowego lub regionalnego mixu energetycznego. Na przykład w krajach skandynawskich, gdzie występuje duży udział hydroenergii, lub w krajach o dominującym udziale spalania paliw organicznych, równoważenie przerywanej i zmiennej mocy OZE zapewniają zmiany mocy hydroelektrowni lub elektrowni z paliwem organicznym.

W elektrowniach jądrowych III generacji zmiany mocy od 100% MN do 25% MN są uwzględniane od samego początku projektowania. Np. dla reaktora EPR zaprojektowano dwa profile nadążania za obciążeniem:
  • Nadążanie za obciążeniem w granicach od 60% do 100% MN w tempie 5% MN/min (przy wypaleniu paliwa do 80%),
  • Nadążanie za obciążeniem w granicach od 25% do 60% MN w tempie 2,5% MN/min.
W zakresie od 25% do 100 % MN blok EPR może zapewnić rezerwę +/- 2,5% MN dla pierwotnej regulacji częstotliwości w sieci z maksymalną szybkością zmian mocy 1% MN/sek.

  • W zakresie od 25% do 60 % MN blok EPR może zapewnić rezerwę +/- 4,5% MN dla wtórnej regulacji częstotliwości w sieci z maksymalną szybkością zmian mocy 1% MN/sek,
  • W zakresie od 60% do 100 % MN blok EPR może zapewnić rezerwę +/- 10% MN dla wtórnej regulacji częstotliwości w sieci z maksymalną szybkością zmian mocy 2% MN/sek.3
Nowe elektrownie jądrowe mogą zmieniać swą moc w granicach od 1260 MW do 630 MW z szybkością około 63 MW/min4. Jak pokazuje rys. 2 jest to elastyczność lepsza niż dla elektrowni węglowych lub gazowych.

(927x654)Rys. 2 Szybkość zmian mocy w elektrowniach węglowych, gazowych CCGT i nowych elektrowniach jądrowych, dane wg raportu SNETP 2017.

Jak widać z rys. 2 przedziały czasu, w ciągu których moc elektrowni systemowych może być zmieniana, są podobne. Elektrownia jądrowa może zmienić moc o 630 MW w ciągu 10 minut, elektrownia na węgiel kamienny o 480 MW w ciągu 12 minut i elektrownia gazowa CCGT ( cykl kombinowany z turbiną gazową) o 500 MW w ciągu 21 minut. Daje to szybkości zmian mocy równe odpowiednio 63 MW/min, 26 MW/min i 38 MW/min.

Tak więc elektrownie jądrowe nie tylko mogą pracować w systemie nadążania za obciążeniem, ale mogą robić to lepiej niż elektrownie węglowe i gazowe.

W niemieckich elektrowniach jądrowych już w 2010 r. można było realizować zmiany mocy do 10 000 MW. We Francji średnio 2 z 3 reaktorów może kompensować zmiany obciążenia, całkowita możliwa zmiana mocy dla floty reaktorowej wynosi 21 000 MW (jest to równoważne mocy 21 reaktorów) w ciągu mniej niż 30 minut, a dodatkowo można tymczasowo odłączyć od sieci elektroenergetycznej bloki jądrowe i uruchomić je ponownie. Jeśli utrzymywane są w stanie gotowości na gorąco to mogą powrócić do pracy na pełnej mocy w ciągu kilku godzin.

Wytyczne European Utilities Requirements (EUR) określające warunki bezpiecznej i niezawodnej eksploatacji elektrowni jądrowych zawierają wymaganie, by elektrownie te nadawały się do regulacji częstotliwości (pierwotnej i wtórnej) w sieci oraz pozwalały na dostosowanie mocy do obciążenia. Najlepsze już istniejące elektrownie jądrowe II generacji spełniają te wymagania, a elektrownie III generacji są w pełni zgodne z wymaganiami EUR.

Bezpieczeństwo elektrowni jądrowych przy pracy z nadążaniem za obciążeniem

Zasadniczym warunkiem do spełnienia przy pracy z nadążaniem za obciążeniem jest bezpieczeństwo jądrowe. Nie wszystkie elektrownie jądrowe II generacji były przystosowane do pracy elastycznej i wpływ częstych zmian mocy trzeba było w każdym przypadku rozważać i oceniać w raporcie bezpieczeństwa. Szereg elektrowni pracowało jednak w systemie nadążania za obciążeniem przez dziesięciolecia5, utrzymując wysoką dyspozycyjność i bezpieczeństwo. Wszystkie występujące przy tym stany eksploatacyjne były przeanalizowane i opisane w raportach bezpieczeństwa. W elementach narażonych na naprężenia termiczne, szczególnie w prętach paliwowych, prowadzona jest okresowa kontrola odkształceń zmęczeniowych.

W przypadku reaktorów III generacji praca z nadążaniem za obciążeniem jest uwzględniana w projekcie od samego początku projektowania.

Przypisy:

1 IAEA Non-baseload operation in nuclear power plants: load following and frequency control modes of flexible operation IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-3.23, Vienna 2018

2 http://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-a-f/france.aspx#ECSArticleLink8

3 UK EPR Pre-Construction Safety Report Chapter 1: Introduction And General Description Document ID. No. UKEPR-0002-012 Issue 03, Subchapter 1.2 page 31

4 http://www.snetp.eu/wp-content/uploads/2017/07/SNETP-FACTSHEET-7-Load-following-capabilities_final.pdf

5 W. Timpf and M. Fuchs, "Lastwechselfähigkeiten von Kernkraftwerken - Erfahrungen und Ausblick," atw, May 57. Jg Issue 5 2012

KOMENTARZE ( 12 )

Rozwiń (Pełna treść komentarza)
Autor: Wydma Lubiatowska 15.02.2020r. 14:29
Szanowny Profesorze, mówimy o 3-generacji, która w Europie jeszcze nawet nie powstała. Chiny idą pełna mocą i nie... pełna treść komentarza
Odpowiedzi: 10 | Najnowsza odpowedź: 23-02-2020r. 20:18 ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI

Autor: fizyczny 18.05.2020r. 15:41
TAK, pod warunkiem, e obciążenie za szybko się nie zmienia.
ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI
Dodaj nowy Komentarze ( 12 )

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie




cire
©2002-2020
Agencja Rynku Energii S.A.
mobilne cire
IT BCE