Nükleer Enerji Santrallerinde Elektrik Sistemlerinin Düzeni

En önemli enerji kaynaklarından olan nükleer santrallerin tüm tesisat ve ekipmanlarının güvenlik açısından son derece özenli tasarlanması gerektiğini biliyoruz. Bu yazımızda Örnek bir santral üzerinden elektrik sistemlerini, işlevlerini anlatacağız.

A- A+

08.05.2019 tarihli yazı 8534 kez okunmuştur.

Nükleer Enerji Santrali Elektrik Kesici Trafo Tesisat Güç Kaynağı

Nükleer enerji santrallerinde elektrik sisteminin tasarımı özel şartları göz önüne almayı gerektirir. Özellikle yeni bir nükleer enerji santrali inşaasında tesisin iç tesisatının yanı sıra dışında bulunan ekipman ve sistemlerin bağlantıları da önemli rol oynar. Güvenliğin hayati önem taşıdığı bu gibi tesislerde doğru sistem tasarımı en önemli maddelerden biridir.

Nükleer enerji santrallerinde güç kaynağı birden fazla olmalı ve bu kaynaklar mutlaka fiziksel ve elektriksel olarak çok iyi biçimde yalıtılmış olmalıdır. Aksi taktirde tek bir hata sistemin tüm enerjisinin kesilmesine sebep olabilir. Bu yazımızda nükleer enerji santralinin elektrik sistemini ve çalışma prensibini açıklayacağız.

Güç Kaynakları

Bir nükleer santralde neredeyse tüm sistemler elektrik ile kontrol edilir. Bu da elektriğin tek bir kaynaktan alınmaması gerektiğinin en önemli sebebidir. Yazımızda örnek olarak ele alacağımız Kanada Deteryum Uranyum (CANDU) santralinin temel güç kaynakları şöyledir:

► Ana güç jeneratörü

► Ek güç jeneratörü

► Şebekeden ayrıca çekilen güç

► Acil güç kaynağı

► Bekleme durumu güç kaynağı

► Bataryalar

Tüm güç kaynakları içerisinde hem alternatif hem de doğru akım güç kaynakları bulunur. Tüm sistemler tesisin güvenlik seviyesi ihtiyaçlarına göre ölçeklenebilir. Acil bir durumda elektrik kesinti yaşandığında ilk olarak kısıtlı kaynaklar tüketilir ve tüm sistem güvenliğin devamını sağlamak üzere çalışmaya başlar.

Her santral içerisinde farklı gerilim seviyelerinde çalışan sistemler yer alır. Bu tamamen tasarım ve ihtiyaçlara bağlıdır. Örnek bir santral şemasını Şekil 1’de görebilirsiniz. Burada jeneratörden çıkan gerilim 22 kV iken iç ihtiyaç trafosunda 11.6 kV, istasyon trafosunda 6.3 kV olduğu görülüyor.

Şekil-1

►İlginizi Çekebilir : Üç Kanatlı Hibrit Uçak: BEHA

Güç Kaynakları Sınıflandırmaları

CANDU santralinde elektrik gücü kaynağı dört ana başlığa ayrılabilir. Bunlar izin verilen gerilim seviyesi ve besleme toleranslarına göre değişkenlik gösterebilir. En önemli sınıf olan Sınıf 1 ve Sınıf 2 kaynakları güvenlik sistemleri ile doğrudan alakalıdır. Sınıf 1 kaynaklarında güç kesilemezken Sınıf 2 kaynaklarında güç 4 milisaniyeye kadar kesilebilir.

Farklı sınıflardaki kaynaklar tesisteki farklı sistemlere güç gönderir. Bu sınıflandırma, beslenen sistemlerin güvenlikle ilgili olma durumuna ve toplam yük kapasitesine göre belirlenir. Genel olarak Sınıf 1’den Sınıf 4’e doğru gidildikçe kW başına maliyet düşer. Aynı zamanda güç kapasiteleri de Sınıf 1’den Sınıf 4 ’e gidildikçe artar.

Bu sınıflara göre izin verilen kesinti süreleri ve kapasitelerdeki değişimleri Şekil 2’de görebilirsiniz:

Şekil-2

►İlginizi Çekebilir : Nükleer Santral Nasıl Çalışır?

Tasarlanacak özel sistemde hangi sınıfın kullanılacağını belirlemek için ilk olarak söz konusu kısmın güvenlikteki rolü mutlaka detaylıca belirlenmelidir. Sistemin ve onun beslediği ekipmanların kesintide kalabilme sürelerine göre seçim kriterlerini Tablo 1’de görebilirsiniz:

Tablo-1

Şekil 3’te farklı güç sınıflarının birbirleri ile bağlantılarını görebilirsiniz:

Şekil-3

►İlginizi Çekebilir : Türkiye'de Nükleer Meslek Lisesi Kuruluyor

CANDU santralinde bu bölümler genel olarak “Bus A” ve “Bus B” olarak veya “Odd Bus” ve “Even Bus” olarak adlandırılır. Tasarım sürecinde güç yükleri bu iki bölüm arasında eşit olarak paylaşılır. ( Bus: Busbar )

Şekil 4’te ayrılmış busbarlı (split-bus) bir sistem tasarım şemasını görebilirsiniz. Bağlantı başarı ile sağlandığında her iki kesici de kapatma işlemi için manuel olarak kontrol edilmelidir.

Şekil-4

►İlginizi Çekebilir : Nükleer Enerji İle Güneş Enerjisi Karşı Karşıya

İki çember ve bir yaydan oluşan sembol kesiciyi ifade eder. Kesiciler sistemleri birbirine bağlamaya veya birbirinden ayırmaya yarar ve bu sayede herhangi bir problem durumunda güvenlik sağlanmış olur.

3.Kanallar İle Güç Yönetimi

Üç farklı sistemin kullanılması, tek sistemde meydana gelecek olası problemlere karşı tam koruma sağlamaktır. Bir kontrol kanalı, tek bir parametre bilgisinin ikili veya üçlü sinyaller halinde iletilmesine imkan veren yazılım ve donanımın bileşiminden oluşur. Bu kanal sensörler, sinyal koşullandırıcılar, by-pass devreleri ve lojik devreler içerebilir. Tüm bu bileşenler tek tek tüm süreçlerinde testlerden geçirilmiş olmalıdır.

4. Elektriksel Güç Sınıfları

4.1 Sınıf 1

Bu sınıf kaynaklardan gelen güç hiçbir zaman kesintiye uğramaz. Üç farklı dağıtım kanalından oluşan doğru akım güç kaynağı kullanılır. Bu güç, olası aşırı yüklere karşı bataryalar ile desteklenir.

Bataryalara yeterli gücü sağlamak için her bir busbar, alternatif güç kaynağı olan Sınıf 3’ten gücü doğru akıma çeviren redresörlere bağlıdır. Bu bağlantıyı Şekil 3’te görebilirsiniz.

Normal işletme sürecinde redresörlerden gelen güç hem bataryaları şarj etmek hem de basbardaki yükü karşılamak üzere kullanılır. Dolayısı ile bataryalar her zaman tam dolu konumda olur. DC/AC invertörler aynı zamanda Sınıf 1’den Sınıf 2’ye dönüşüm için de kullanılabilir. Sınıf 3’ten bir güç kesintisi yaşandığında bataryalar herhangi bir kesilme veya zarar verici dalgalanmaya izin vermeden transferi sağlar.

Bataryalar doğru akım basbarları 60 dakika besleyecek kapasitede kurulmuştur. Bu süre özel tasarımlara göre değişkenlik göstermekle beraber genel bir ortalama değerdir. Bu süre oldukça önemlidir çünkü bu süredeki batarya desteği olmaksızın Sınıf 1 ve Sınıf 2 kaynakların da güç sağlamaya devam etmesi mümkün değildir.

Sınıf 1 tarafından beslenen ekipman ve sistemler tüm tesisin güvenliği için en kritik konumda bulunuyor. Tablo 2’de Sınıf 1 tarafından beslenen sistemleri görebilirsiniz:

Tablo-2

►İlginizi Çekebilir : Kesintisiz Güç Kaynağı İle İnvertör Arasındaki Farklar Nelerdir?

Sınıf 1 kaynakların kapasiteleri bağlanan yüke göre değişebilir. Bu tür santrallerde Sınıf 1 için 48 V, 220/250 V veya 400 V gibi değiken DC yükler söz konusu olabilir.

4.2 Sınıf 2

Bu kaynaklar reaktörün işletilmesinde kritik rol oynar. Sınıf 2 gücü kesilirse reaktör anında devre dışı kalır. Normal işletim şartlarında Sınıf 2 gücü, Sınıf 1 kaynaklarından DC/AC inverter aracılığı ile elde edilir. Bu dönüşümü Şekil 3’te görebilirsiniz. Eğer herhangi bir sebeple invertörler sistemi besleyemezse Sınıf 3 kaynaklar Sınıf 2 olarak da kullanılabilir. Sınıf 2 ile Tablo 3’te görülen sistemler beslenir;

Tablo-3

4.3 Sınıf 3

Bu kaynaklar ile daha büyük ihtiyaçlar olan ve Sınıf 2 kaynakları tarafından karşılanamayacak olan proses enerjisi karşılanır. Sınıf 3 kaynağından güç kesilmesi durumunda yedek jeneratörün devreye girmesi ile sisteme tekrar enerji verilebilir. Bu işlem yaklaşık olarak beş dakika kadar sürer. Bu kaynaklar aslında Sınıf 4’ten güç çeker. Fakat toplam kayıplar ve güç talepleri birbirinden bağımsız dizel jeneratörler ile karşılanabildiğinden, Sınıf 3 ve 4 birbirinden ayrı değerlendirilebilir.

Bir Sınıf 4 kaynağı kesinti yaşadığında bir diğer kaynaktan güç çekmeye devam edebilir. Çünkü Sınıf 4’ü besleyen birden fazla jeneratör bulunur. Yedek jeneratör bir kez çalıştığında Sınıf 3 sistemlerine yeniden güç verilebilir ve kritik sistemler çalışır durumda kalabilir. Sınıf 3 ile Tablo 4’te görülen sistemler beslenir:

Tablo 4

Sınıf 3’te gerilim seviyesi 4.16 kV ve kapasitesi 6-8 MWe olur.

4.4 Sınıf 4

Bu sınıf kaynaklar tamamen ve süresiz kesintiye uğrayabilien, en az öneme sahip sistemleri besleyen kaynaklardır. İki tür kaynaktan güç alır. Normal işletme sürecince güç ana jeneratörden elde edilir. Bu iç kullanım ise şebekede yaşanan dalgalanmalardan en az şekilde etkilenmeyi sağlar. İhtiyaca göre Sınıf 4 gücü şebekeden de çekilebilir. Bu tamamen santralin tasarımına bağlıdır.

En düşük önem derecesine sahip olsa bile bu güç kaynakları ihtiyaç halinde santralin güvenli şekilde durdurulması için gerekli bazı ekipmanları da besler. Genel olarak uzun süreli kesintilerde çok büyük problemlere yol açmayacak sistemler bu kaynak ile beslenir.

Sınıf 4 tarafından beslenen sistemleri Tablo 5’te görebilirsiniz:

Tablo-5

5.Busbarlar Arası Yük Transferi

Tablo 2 ile Tablo 5 arası görüldüğü üzere bir nükleer güç santralinde güvenlik seviyesi ve sistem kritikliğine göre güç talepleri ve yük dağılımları farklı bağlantılar ile sağlanır. Şekil 5’te Sınıf 3 ve Sınıf 4 için yük dağılımlarını görebilirsiniz. Bazı şartlarda güç kaynakları arasında geçişler yapılabilir. Bu transferlerin paralel, hızlı ve yavaş olmak üzere üç farklı yöntemi bulunur.

Şekil-5

Paralel transfer yöntemi iki adımdan oluşur:

►Mevcut kaynağa ek bir güç kaynağı oluşturmak

►Transfer tamamlanınca mevcut kaynağı devre dışı bırakmak.

Hızlı transferde yük kaynaklar arası hızlıca değiştirilir. Bu sırada çok kısa süreli güç kesintisi meydana gelir.

Sınıf 4 transferleri sistemi başlattıktan sonra veya kapatmadan önce manuel olarak, acil durum reaktör kapatmalarında, türbin problemlerinde veya jeneratör problemlerinde ise otomatik başlatılır. Otomatik transfer sistemleri aynı zamanda Sınıf 2 ile beraber çalışır.

6.Yedek Jeneratörler (SGs)

Güç kesintisi, soğutma sistemi gibi bileşenlerin güvenli şekilde sürekliliğini sağlamak için ek güç sistemleri bulundurulur. Bunlardan biri yedek jeneratörlerdir. Bu jeneratörlerin depreme dayanıklı olmaları şartı aranmaz. Bu sistemde iki ya da daha fazla dizel jeneratör veya gaz türbini kullanılır.

Şekil 3 ve Şekil 5’te görüleceği üzere bir jeneratör Sınıf 3 kaynağını 6.3kV gerilimde beslemek için kullanılır. Bu jeneratörlere sürekli çalışacak şekilde yakıt takviyesi yapılır. Yedek jeneratörler istenirse depreme dayanıklı şekilde yerleştirilebilir. Fakat bu tasarımın geri kalanının da buna uygun olması gerekir.

Yedek jeneratörler soğutucu sistemlerde yaşanan bir acil durum algılandığında da devreye girebilir. Fakat Sınıf 4’ten alınan güç kesilmeden, yedek jeneratörler basbarlara enerji vermez. Bir jeneratör gerekli gücü sağlayabilecek kapasitededir. Ancak herhangi bir arıza veya acil durum senaryosuna karşı en az iki adet olarak yerleştirilirler. Bu jeneratörlerin de sağlamlığını kontrol etmek amacıyla belli periyotlarda devreye alınır, eksikler veya bakım ihtiyacı varsa gerekli onarımlar yapılır.

7.Acil Durum Güç Sistemleri

Bir diğer güç grubu acil durum güç kaynaklarıdır. Yedek jeneratörlerden farklı olarak mutlaka depreme dayanıklı olarak tasarlanmalıdır. Altyapı olarak da diğer tüm sistemlerden bağımsız olmalıdır. Yedek jeneratörlere benzer şekilde acil durumlarda ve soğutma sistemlerinde sıradışı bir durum yaşandığında otomatik olarak devreye girer. Bu sistemlerin acil bir durumda üç dakika içerisinde devreye girmesi beklenir.

8.Topraklama ve Yıldırımdan Korunma

Topraklama ve yıldırımdan koruma uygulamaları tüm sistemlerde olduğu gibi burada da ekipmanları fiziksel hasarlardan korumak için önemlidir. Özellikle yıldırım riskinin, santralin tüm operasyonlarının takip edildiği kontrol odası gibi noktalarda güç kaybına sebep olmaması gerekir. Elektrik üretim kaynakları kadar onları izleyen kontrol ve takip monitörleri de oldukça kritik roller oynar.

9.Elektrik Yüklerinin Kontrolü

Genel olarak nükleer santrallerde enerji yükleri ve harcamaları uzaktan kontrol ve takip edilir. Genelde de röle kontrollü sistemler kullanılır ve bu sistemler 48 V DC güç ile Sınıf 1’den beslenir. Bu kontrol merkezinin çıktıları olarak motorlar ve vanalar istenilen pozisyonlara getirilir. En önemli birkaç sistemin ayrı kontrol üniteleri olup manuel veya otomatik olarak kontrole imkan sağlar.

9.1. Ana Sistem Yükleri

Tüm sistemler kesiciler ile korumaya alınmıştır. Bu kesiciler otomatik veya manuel olarak kontrol edilebilir. Genelde ana yüklerin kontrolü için 250 V DC güç kullanılır. Bu güç de Sınıf 1 bataryalarından sağlanır. Bu yüklerin kontrolünde çok kısa sürelerde tepki verebilen kesiciler ve röleler kullanılır.

9.2. Motor Kontrol Merkezi Yükleri

Bu yükler devre kesiciler tarafından ayrı ayrı kontrol edilebilir. Kesiciler genelde bakım süreçleri dıında açılmazlar. 120 V AC güç ile beslenirler. Herhangi bir acil durum veya bakım işlemi sonrası kontrol ünitesi manuel olarak yeniden çalıştırılana dek kullanım dışı kalır.