Екологічний моніторинг важких металів для забезпечення технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача АЕС

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГІЇ ТА ПРОМИСЛОВОСТІ

УДК 621.311.25: 504.4.054:546.3.

Екологічний моніторинг важких металів для забезпечення технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача АЕС (на прикладі Запорізької АЕС)

Спеціальність 05.14.14 - Теплові та ядерні енергоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мороз Наталя Анатоліївна

Севастополь 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Севастопольськом національном університеті ядерної енергії та промисловоті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробитник Черкашин Ігор Олександрович, Севастопольський Національний університет ядерної енергії та промисловості.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Сухов Андрій Костянтинович,

Севастопольський національний технічний університет.

кандидат фізико-математичних наук

Барбашев Сергій Вікторович,

Державний науково-інженерний центр систем контролю та аварійного реагування, начальник відділу екології

Провідна установа: Національний технічний університет України „КПІ”, м.Київ

Захист відбудеться “ 04 ” жовтня 2006р. о 14.00 годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради К 50.249.02. у Севастопольському національному університеті ядерної енергії та промисловості за адресою: 99033, м.Севастополь-33, вул.Курчатова,7

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Севастопольського національного університету ядерної енергії та промисловості (99033, м.Севастополь-33, вул.Курчатова,7)

Автореферат розісланий “_01___” вересня 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Жидкова Л.Б.

водний охолоджувач металл

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Енергетична програма України передбачає подальший інтенсивний розвиток ядерної енергетики, що вимагає підвищення ефективності, надійності, безпеки, економічності роботи і функціонування всіх елементів ядерних енергетичних установок. Одним із елементів, що істотно впливають на роботу АЕС в процесі експлуатації, є система охолодження. Саме від температури і якості охолоджуючої води, її біологічного і хімічного стану залежить економічність роботи атомних електростанцій. Температура охолоджуючої води і її якість впливають на початковий і кінцевий тиск пари в конденсаторах турбін. Зниження ефективності роботи конденсаційних установок веде до зменшення ККД енергоблоків і є однією з основних причин недовиробітку електроенергії і великих матеріальних втрат АЕС. Тому доцільно удосконалити екологічний моніторинг якості води для підвищення працездатності і продовження ресурсу основного технологічного устаткування енергоблоків з дотриманням законодавчих вимог охорони навколишнього середовища.

Актуальність теми

Для забезпечення відповідної якості води для охолодження конденсаторів турбін і допоміжного теплообмінного устаткування АЕС передбачена продувка ставка-охолоджувача, яка є необхідною штатною технологічною операцією з погляду забезпечення безпечної експлуатації атомної електростанції. Відсутність продувки ставка-охолоджувача приводить до поступового підвищення солевмісту води, що негативно впливає на працездатність і ресурс роботи теплообмінного устаткування. Тому необхідно встановити найбільш прийнятний варіант режиму продувки ставка-охолоджувача, який забезпечить поліпшення якості води для ефективної і надійної роботи устаткування АЕС, і при цьому концентрації важких металів в скидах не перевищать нормативних показників. При експлуатації теплообмінного устаткування, трубний пучок якого виконаний із сплавів зі вмістом міді, винос іонів важких металів є неминучим процесом. Актуальність дотримання нормативних показників щодо вмісту важких металів (Cu, Fe, Mn, Zn, Co, Pb, Cd, Ni) в різних об'єктах навколишнього середовища визначається тим, що для більшості представників цієї групи речовин і їх сполук характерні як біологічно активні, так і високо токсичні властивості. В результаті цього важкі метали легко мігрують у водних середовищах, активно включаються в харчові ланцюги, токсично впливаючи на життєдіяльність екосистеми, помітно погіршуючи придатність води для використання її в різних народногосподарських цілях. Однією з основних причин цього є недостатня досконалість екологічного моніторингу водного середовища, який проводять шляхом окремих вимірювань вмісту важких металів у пробах води, та відсутність комплексної системи автоматизованого екологічного контролю, оцінки і прогнозу якості води.

Тема дисертаційної роботи є актуальною для забезпечення якості води системи охолодження АЕС на екологічно безпечному рівні шляхом створення автоматизованої системи екологічного моніторингу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

У дисертаційній роботі викладені результати досліджень, одержаних безпосередньо автором у 2002 - 2006 рр., у тому числі і в рамках науково-дослідної роботи (№ державної реєстрації 0106U002190 “Розробка і використання способу контролю і прогнозу концентрацій важких металів у водоймищі - охолоджувачі Запорізької АЕС”).

Дослідження проводились відповідно до Програми розвитку ядерної енергетики, узгодженої Розпорядженням Кабінету Міністрів України від 29.08.02г. №503-р і Постанови Кабінету Міністрів України від 12.10.2000 р. № 1553 “Про невiдкладнi заходи щодо пiдвищення безпеки та надiйностi функцiонування ядерної енергетики” і виробничого плану Запорізької АЕС “Заходи щодо оптимізації режиму експлуатації устаткування ЗАЕС з метою зниження рівня надходження міді в охолоджуючу воду і зменшення вмісту міді у воді ставка-охолоджувача”.

Мета і завдання дослідження

Мета дисертаційної роботи - удосконалення екологічного моніторингу важких металів для забезпечення технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача АЕС і зниження техногенного навантаження на екосистему прилеглої акваторії.

Для досягнення поставленої мети дисертаційної роботи сформульовані такі завдання дослідження:

Теоретичне обгрунтування побудови комплексного автоматизованого екологічного моніторингу якості води водоймища-охолоджувача АЕС.

Математичне моделювання процесів зміни концентрацій важких металів в системі “Запорізька АЕС - ставок-охолоджувач ЗАЕС - Каховське водосховище”.

Розробка оперативного методу розрахунку оцінки і прогнозу якості води щодо вмісту важких металів ставка-охолоджувача АЕС.

Експериментальне дослідження гідрохімічного складу водних об'єктів регіону розташування Запорізької АЕС.

Експериментальні дослідження факторів, що впливають на процес виносу іонів міді з конденсаторів турбін АЕС.

Практичне використання екологічного моніторингу як найбільш ефективної міри зниження техногенного навантаження на прилеглу акваторію АЕС.

Об'єкт дослідження - гідрохімічний склад водних об'єктів щодо вмісту важких металів в регіоні розташування АЕС.

Предмет дослідження - контроль, оцінка і прогноз якості води щодо вмісту важких металів для забезпечення екологічної безпеки прилеглої акваторії АЕС.

Методи досліджень. Для комплексного дослідження системи: “АЕС - водоймище-охолоджувач АЕС - Каховське водосховище”, визначення концентрацій важких металів у водоймищі-охолоджувачі, оцінки і прогнозу якості води в динаміці використовувалися методи системного аналізу, імітаційного математичного моделювання, математичної статистики і теорії ймовірності. Методи алгоритмізації і метод програмування Delphi 7 у версії Enterprise застосовували для обчислювального процесу в системі комп'ютерного екологічного моніторингу.

Для отримання об'єктивної гідрохімічної інформації про ступінь забрудненості важкими металами водних об'єктів регіону розташування Запорізької АЕС були використані атомно-абсорбційний і фотометричний методи.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Обгрунтовано комплексний автоматизований екологічний моніторинг якості води щодо вмісту важких металів для забезпечення нового екологічно безпечного технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача Запорізької АЕС. Відмінність запропонованого моніторингу від вживаного полягає в тому, що можна провести не тільки оцінку якості води, але і зробити прогноз зміни концентрацій важких металів в системі охолодження АЕС, виявити причини перевищення ГДК, а також визначити шляхи і методи мінімізації впливу АЕС на акваторію Каховського водосховища.

2. Розроблено математичну модель визначення концентрацій важких металів у воді системи охолодження Запорізької АЕС. Відмінність даної імітаційної моделі, розробленої на основі диференціальних рівнянь, від відомих раніше математичних моделей полягає в тому, що дана модель створена на основі водогосподарського балансу згідно зі схемою нодалізації системи охолодження Запорізької АЕС.

3. Розроблено метод оцінки і прогнозу якості води при різних режимах експлуатації водоймища-охолоджувача АЕС, який враховує комплекс показників водогосподарського балансу ставка-охолоджувача АЕС, а концентрації хімічних показників якості води визначають за рівнянням на основі алгоритму системи рівнянь математичної моделі.

4. Розроблено рекомендації для регулюванню якості води щодо вмісту важких металів для забезпечення екологічної безпеки системи “Запорізька АЕС - ставок-охолоджувач - Каховське водосховище”.

Практичне значення отриманих результатів

Побудовані моделі дозволяють оцінити ефективність технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача АЕС, а отримані в роботі результати можуть бути використані як інженерні обгрунтування для переходу оборотної системи технічного водопостачання АЕС на прямоточно-оборотну і при плануванні перспективних напрямів водоохоронних заходів.

За допомогою запропонованого екологічного моніторингу встановлено найбільш прийнятний варіант режиму продувки ставка-охолоджувача Запорізької АЕС, який дозволяє знизити техногенне навантаження на прилеглу акваторію, забезпечити якість води щодо вмісту важких металів і інших забруднюючих речовин відповідно до ГДК і зменшити шкоду навколишньому середовищу. Запропонований моніторинг можна використовувати як тренажер для навчання, відпрацювання дій персоналу при різних режимах експлуатації ставка-охолоджувача і при аварійних ситуаціях природного і техногенного характеру.

Особистий внесок автора

Всі основні результати дисертаційних досліджень, поданих до захисту, отримано особисто автором. Були зібрані і проаналізовані дані щодо вмісту важких металів у водних об'єктах регіону розташування Запорізької АЕС за період з 1994 по 2002 рр. по точках відбору проб. Дані пасивного і активного експериментів з використанням ЕОМ оброблені методами математичної статистики і теорією ймовірності, одержані емпіричні формули і побудовані графічні залежності. Починаючи з 2002 по 2004 рр. здобувач проводив активний експеримент з визначення вмісту важких металів у водних об'єктах регіону розташування Запорізької АЕС. За його результатами встановлена залежність впливу витрати продувки на концентрацію важких металів у воді ставка-охолоджувача, яка оптимізована за параметром ГДК.

В опублікованих наукових працях у співавторстві здобувачем проведена оцінка впливу Запорізької АЕС на екосистему водоймища-охолоджувача, розроблена математична модель визначення концентрацій важких металів у воді системи охолодження АЕС і приведені розрахункові значення, запропоновано удосконалення методу контролю оцінки і прогнозу якості води для ефективної і надійної роботи устаткування Запорізької АЕС, проведено селективний аналіз факторів, що впливають на винос міді з конденсаторів турбін АЕС.

Апробація результатів дослідження

Окремі положення і загалом дисертація були викладені на наступних симпозіумах, конференціях і семінарах: XVI-у, XVII-у, XVIII-у Міжнародних ядерних симпозіумах “Dysnai” (м. Вісагінас, Литва, 2003, 2004, 2005 рр.,); Всеукраїнському конкурсі “Молодь - Енергетиці України-2003: відкритому конкурсі молодих учених в номінації „ Екологія в енергетиці”. (Київ, грудень 2003р.); Семінарі Українського ядерного товариства “Радіаційна і екологічна безпека АЕС і інших підприємств” (Київ, травень 2004р.); Міжнародній конференції “Екологічні аспекти ядерних технологій” (Київ, листопад 2004р.); I-й науково-практичній конференції молодих учених „Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження”. (Київ, 8-12 листопада 2004р.); III-й Міжнародній науково-практичній конференції „Надійність і безпека АЕС” (Севастополь, вересень 2004р.); Всеукраїнському конкурсі “Молодь - Енергетиці України-2005: відкритому конкурсі молодих учених в номінації „Атомна енергетика”(Київ, грудень 2005р.); IX-й конференції Українського ядерного товариства „ Молодь - ядерній енергетиці”.

Публікації. Результати досліджень відображені в 6-ти працях, із них 3 статті в збірниках наукових праць, 2 - в міжнародних науково-прикладних журналах і в 1-му патенті. Із приведених праць відповідають вимогам ВАК України для технічних наук 5 статей в збірниках наукових працях і в міжнародних науково-прикладних журналах [1-5] і один патент на корисну модель [6].

Структура дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 155 найменувань, додатків: А, Б, В, Д, Ж. Основний матеріал викладений на 143 сторінках машинописного тексту, містить 22 таблиці і 20 рисунків і список використаних джерел на 15 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, визначені мета і завдання досліджень, вказана новизна отриманих результатів, приведені основні положення, що відображають наукове і практичне значення роботи і їх реалізація. Приведено відомості про апробацію роботи.

У першому розділі дисертації приведено огляд наукових праць зарубіжних і вітчизняних видань, відмічено, що такі ключові питання як ефективність, надійність, безпека і економічність роботи ядерних енергетичних установок залежать від раціонального вирішення хіміко-технологічних завдань, від правильної організації водно-хімічного режиму 1-го і 2-го контурів, екологічного моніторингу якості води, оскільки її хімічний і тепловий стан впливають на початковий і кінцевий тиск пари в конденсаторах турбін АЕС.

Серед учених, що займаються оцінкою і прогнозуванням якості води, питаннями організації системи охолодження АЕС, продовженням ресурсу роботи теплообмінного устаткування і вдосконаленням екологічного моніторингу, слід зазначити Макарова І.І., Бермана Л.Д., Крапівіна В.Ф., Горбатих В.П., Осадчого В.І., Лінника П.Н., Вишневського В.І, Осколкова Б.Я. і ін. На основі вивченої літератури зроблено висновок, що існуюча система моніторингу на АЕС виконує в необхідному обсязі функції регулярного контролю, проте, вдосконалення таких робіт не викликає сумнівів, оскільки недостатньо повно розроблена концепція організації екологічного моніторингу якості води в районах розташування великих енергетичних підприємств: залишається до кінця невивченим питання прогнозу і оцінки якості води технічного водопостачання АЕС для підвищення ефективності, надійності, безпеки і економічності роботи атомних енергоустановок з дотриманням нормативних показників щодо вмісту важких металів.

У другому розділі дисертації викладено теоретичне дослідження зміни концентрації важких металів у воді системи охолодження АЕС, описані концептуальні положення системного підходу структури екологічного моніторингу якості води. На сьогодні на Запорізькій АЕС для оцінки якості води використовують хімічний контроль. Цей спосіб є класично традиційним, але вимагає великих затрат часу на обробку даних, залежить від досвіду та інтуїції фахівця. З метою отримання прогнозу й оцінки якості води щодо вмісту важких металів ставка-охолоджувача ЗАЕС доцільно використовувати як паралельний і додатковий контроль комп'ютерний екологічний моніторинг у воді водоймища-охолоджувача на основі імітаційної математичної моделі, реалізованої у вигляді машинної програми, записаної на алгоритмічній мові інтегрованого середовища Delphi 7 у версії Enterprise.

На рис. 1 показана структура екологічного моніторингу важких металів у воді системи охолодження Запорізької АЕС.

Екологічний моніторинг якості води щодо вмісту важких металів заснований на контролі, спостереженні, оцінці і прогнозі взаємодії технологічних об'єктів (градирніі, бризкальні басейни, конденсатори турбін АЕС) і штучної природно-технічної системи (ставок-охолоджувач АЕС, споруди продувки - шандори, прилегла акваторія АЕС). Склад технологічних об'єктів Ri - системи “Запорізька АЕС - ставок-охолоджувач ЗАЕС - навколишнє середовище”, описують множиною: R= {R1, R2, R3, R4, R5}, де R1 - конденсатори турбін АЕС - джерело надходження міді; R2 - бризкальні басейни; R3 - градирні; R4 - ставок - охолоджувач; R5 - вузол технологічного сполучення “А”. Процеси зовнішніх факторів Рq водогосподарського балансу ставка - охолоджувача Запорізької АЕС описують множиною: Р = { Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, Р6, Р7 P8, Р9, Р10, Р11}, де Р1 - підживлення ставка-охолоджувача із скидного каналу ЗаТЕС; Р2 - краплинне віднесення; Р3 - опади; Р4 - випаровування, як природне так і штучне; Р5 - приплив бризкальних басейнів; Р6 - приплив градирень; Р7 - фільтрація; Р8 - витрата води на полив і сан. вузли; Р9 - продувка ставка-охолоджувача в Каховське водосховище; Р10 - господарсько-побутові промислові стоки; Р11 - вода допоміжних виробництв. Схему взаємодії між об'єктами системи “ЗАЕС - ставок - охолоджувач ЗАЕС - навколишнє середовище” описують множиною об'єктів Ri і множиною Рq відповідних процесів водогосподарського балансу ставка - охолоджувача Запорізької АЕС, систему зв'язків задають тріарним відношенням B RiPq , яке є множиною, що складається із впорядкованих трійок, 1-й елемент означає об'єкт Ri,з якого виходить потік процесу Рq (2-й елемент), 3-й елемент - об'єкт Ri, в який входить потік Рq; Ri + Рq. Система множини В має наступний вигляд:

(R1Р1) (R1Р2) (R1Р3) (R1Р4) (R1Р5) (R1Р6) (R1Р7) (R1Р8) (R1Р9) (R1Р10) (R1Р11)

(R2Р1) (R2Р2) (R2Р3) (R2Р4) (R2Р5) (R2Р6) (R2Р7) (R2Р8) (R2Р9) (R2Р10) (R2Р11)

B = (R3Р1) (R3Р2) (R3Р3) (R3Р4) (R3Р5) (R3Р6) (R3Р7) (R3Р8) (R3Р9) (R3Р10) (R3Р11)

(R4Р1) (R4Р2) (R4Р3) (R4Р4) (R4Р5) (R4Р6) (R4Р7) (R4Р8) (R4Р9) (R4Р10) (R4Р11)

(R5Р1) (R5Р2) (R5Р3) (R5Р4) (R5Р5) (R5Р6) (R5Р7) (R5Р8) (R5Р9) (R5Р10) (R5Р11)

Структурне відображення фізичних взаємодій в системі “ЗАЕС - ставок-охолоджувач - Каховське водосховище”, яка характеризується техногенними і природними чинниками, показане схемою нодалізації системи охолодження АЕС (рис.2), яка є фізичною моделлю для математичного моделювання зміни концентрацій важких металів і побудови відповідної математичної моделі визначення концентрацій важких металів в об'єктах системи охолодження АЕС.

Аналітичний опис математичної моделі в динаміці показаний у вигляді системи диференціальних і алгебраїчних рівнянь (1.4)

(1)

(2)

(4)

при наступних вихідних даних: Свх - концентрація важких металів, що надходить з водою підживлення із скидного каналу ЗаТЕС; Снпо - концентрація важких металів на початок даного місяця в ставку-охолоджувачі; Скпо - концентрація важких металів на кінець місяця, яка рівна Снпо на початок наступного місяця у воді ставка-охолоджувача; Qнбб - витрата води насосів бризкальних басейнів; Скг - концентрація важких металів в градирні на кінець місяця; Скбб - концентрація важких металів в бризкальних басейнах на кінець місяця; Qг - витрата води насосів градирні; ?Qцн - сумарна витрата води циркуляційної системи;

Сс - концентрація важких металів скидного каналу ставка-охолоджувача; Сп - концентрація важких металів підвідного каналу ставка-охолоджувача, Vбб - об'єм бризкальних басейнів; Vг - об'єм градирні; Vпо - об'єм ставка - охолоджувача; Сбб - концентрація важких металів у бризкальних басейнах.

Перетворюючи систему рівнянь (1.4) з урахуванням введення допоміжних коефіцієнтів для спрощення, маємо:

(1*)

(2*)

Скориставшись рівнянням (1*), одержимо

де

; ; ;

На основі розробленої імітаційної математичної моделі для розрахунку концентрацій важких металів, яка відрізняється тим, що вона створена на основі водогосподарського балансу ставка-охолоджувача згідно схеми нодалізації системи охолодження, удосконалено оперативний метод контролю якості води.

Перевагами запропонованого методу контролю якості води щодо вмісту важких металів є: скорочення терміну оцінки якості води; відсутність фінансових витрат на хімічні реактиви і обладнання; можливість враховувати дії безлічі факторів залежно від водогосподарського балансу. Запропонований метод контролю концентрації важких металів у воді ставка-охолоджувача АЕС відрізняється тим, що для її довгострокового прогнозу необхідно тільки визначення концентрації важких металів підживильного і скидного каналів експериментальним шляхом, наприклад, атомно-абсорбційним методом. Далі визначають такі показники: витрати води на природне і штучне випаровування, на фільтрацію, на продувку, підживлення, господарські потреби, краплинне віднесення, витрати води насосів бризкальних басейнів і градирень, сумарну витрату води циркуляційної системи. Потім концентрацію важких металів в наступний інтервал часу розрахунковим шляхом визначають за рівнянням, складеним на основі алгоритму системи математичної моделі, створеній на основі схеми нодалізації системи охолодження ставка-охолоджувача. Алгоритм системи рівнянь математичної моделі надано у вигляді комп'ютерної програми, а концентрацію важких металів на кінець попереднього \ початок наступного інтервалу часу здійснюють на ЕОМ.

У третьому розділі дисертації зроблено вибір і дана характеристика об'єкта дослідження, обгрунтовано тривалість передісторії пасивного експерименту, викладено методи і методика проведення активного експерименту, охарактеризовано вживане матеріальне забезпечення. Збільшення тривалості передісторії пасивного експерименту дозволяє, з одного боку, підвищити достовірність і точність отриманих в результаті математичної обробки емпіричних залежностей і формул, а також висновків і рекомендацій; з іншого боку, тривалість передісторії відводить від сучасного стану об'єкта досліджень, що знижує якість прогнозу за останній період експлуатації АЕС, тому передісторія десяти років є достатньою для отримання достовірних даних і емпіричних залежностей для об'єктивного прогнозу майбутнього, оскільки ці дані одержані в сучасних умовах. Статистична обробка і перевірка на адекватність результатів пасивного і активного експериментів проводились методами математичної статистики і теорії ймовірності; апроксимація експериментальних даних, виведення емпіричних залежностей виконували методом найменших квадратів; апроксимацію кривих, в основному, проводили за рівнянням параболи 2-ї степені с = а + bt + dt2. Аналіз і обробку даних спостережень виконували з використанням стандартних методик і необхідних додаткових метрологічних обгрунтувань, як, наприклад обгрунтування обсягів вибірок (кількості спостережень n і інше), що підвищило достовірність отриманих результатів.

Розділ 4 присвячено експериментальному дослідженню якості води водних об'єктів регіону розташування Запорізької АЕС. Проведено пасивний і активний експерименти; порівняльний аналіз нинішньої якості води Каховського водосховища з даними хімічних аналізів, одержаних в період з 1966 по 1984 рр., показав, що істотних змін в хімічному складі води не відбулося. Відмічено, що високі температури води в літній період стимулюють інтенсивний розвиток фітопланктону, який негативно впливає на якість води, проте, в ставку-охолоджувачі Запорізької АЕС практично немає ділянок “цвітіння води” в порівнянні з водами Каховського водосховища. Це пов'язано з періодичною загибеллю фітопланктону при проходженні води через систему охолодження енергоблоків. Штучна загибель фітопланктону у воді ставка-охолоджувача є стримуючим чинником різкого погіршення якості води в літню пору року.

Надана багаторічна динаміка (1994-2003рр.) зміни концентрацій важких металів по точках відбору проб у воді водоймища-охолоджувача ЗАЕС і прилеглої акваторії Каховського водосховища за період здійснення продувки. Для всього періоду досліджень у воді водоймища-охолоджувача спостерігається незначне перевищення вмісту важких металів в порівнянні з Каховським водосховищем. На рис. 4 приведені залежності концентрацій важких металів за часом в точці пробовідбору № 1 - ставок-охолоджувач ЗАЕС.

Виходячи з аналізу багаторічної динаміки, можна зробити висновок, що продувку ставка-охолоджувача Запорізької АЕС було введено через десять років після початку експлуатації і це стало головним регулюючим фактором зниження до стабільного рівня концентрацій міді, свинцю, кобальту, нікелю, кадмію і заліза в ставку-охолоджувачі. Іншим регулюючим фактором стабілізації концентрацій важких металів є процеси самоочищення ставка-охолоджувача, зв'язані, на думку Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту, з утворенням органомінеральних комплексів важких металів.

На рис. 5 приведені дані результатів фактичних спостережень за якістю води в точках спостережень за період продувки з липня 2003 по березень 2004 р.р. і на їх основі в двох точках пробовідбору побудовані графіки порівняльної характеристики якісного складу води щодо важких металів (Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Cd) ставка-охолоджувача (точка 1) і Каховського водосховища (точка 19) вище скиду продувних вод. Відмічено, що за деякими хімічними показниками (Fe, Mn, Zn, Co) якість води ставка-охолоджувача трохи краща, ніж у Каховському водосховищі, але в цілому динаміка концентрацій важких металів практично ідентична. Різниця концентрацій таких важких металів як Pb, Cd, Cu, Ni відрізняється в 1,5-2 рази, що пояснюється впливом продувки між Каховським водосховищем і ставком-охолоджувачем. Вміст солей важких металів у воді Каховського водосховища практично не змінився і відповідає гранично допустимим (ГДК) концентраціям для рибогосподарських водоймищ. Проте, значний вплив на вміст важких металів мають інші підприємства, розташовані на березі Каховського водосховища вище за течією, а також Запорізька ТЕС.

Сезонні коливання концентрацій відрізняються для різних важких металів. Сезонні коливання не змінюють концентрації міді, нікелю, цинку, заліза, але впливають на марганець, свинець, кадмій, кобальт. На сезонну динаміку перелічених важких металів крім антропогенних чинників значно впливають індивідуальні хімічні властивості того або іншого металу, схильність до комплексоутворення, гідролізу, іонного обміну, сорбції і десорбції. Цей факт підтверджується дослідженнями УкрНДІГМІ.

Таблиця 1 Порівняльний аналіз концентрацій важких металів у воді ставка-охолоджувача з фоновими концентраціями в Каховському водосховищі.

Показники складу продувних вод	Концентрація за роками в липні місяці, мг\ л	Фонова концентрація, мг\ л
	1999	2000	2001	2002	2003	Середня	МАХ
Залізо загальне	0,059	0,085	0,088	0,063	0,166	0,0922	0,166	0,36
Марганець	0,015	0,021	0,017	0,01	0,019	0,0164	0,021	0,021
Цинк	0,021	0,012	0,017	0,025	0,044	0,0238	0,044	0,046
Свинець	0,0009	0,0006	0,0005	0,0009	0,041	0,0014	0,0041	0,0016
Нікель	0,011	0,015	0,0089	0,0094	0,01	0,01086	0,015	0,011
Кадмій	0,0002	0,0001	0,0001	0,0001	0,0002	0,00014	0,0002	0,0002
Кобальт	0,0004	0,0005	0,0004	0,0003	0,0005	0,00042	0,0005	0,0005
Мідь	0,027	0,026	0,025	0,023	0,0374	0,0277	0,0374	0,006

Проаналізовані концентрації важких металів водоймища-охолоджувача ВП ЗАЕС з фоновими концентраціями Каховського водосховища за попередні п'ять років (липень 1999-2003рр.) і відмічено, що концентрація міді перевищує нормативні показники. Можливо, це зв'язано з тим, що теплообмінне устаткування АЕС виготовлене зі сплавів із вмістом міді, табл.1.

У роботі проведений селективний аналіз можливих факторів, що впливають на процес виносу іонів міді з конденсаторів турбін енергоблоків № 2 і № 5 Запорізької АЕС.

Аналізу піддавалися такі параметри:

- вплив температури;

- вплив системи шарикоочистки (СШО) в конденсаторах турбін;

- вплив водневого показника рН.

Графічні залежності:



Емпіричні залежності

СPb(t) = 0,006 - 0,0007t + 0,00001t2; ССd(t) = 0,0009 - 0,0002t +0,000017t2; СGo(t) = 0,003 - 0,0002t + 0,000002t2	СZn(t) = 0,008 - 0,0007t + 0,0003t2; ССu(t) = 0,03 - 0,004t + 0,0004t2; СNi(t) = 0,008 - 0,0005t +0,0009t2	СFe(t) = 0,22 - 0,05t + 0,005t2 - 0,00005t3; СMn(t) = -0,005 + 0,08t-0,0006t2

Рис. 4 Графіки і емпіричні залежності багаторічної динаміки вмісту важких металів у воді ставка-охолоджувача ЗАЕС за період 1994-2003рр. 1- Точка 1 - вода ставка-охолоджувача в районі розташування споруд продувки



Рис. 5 Графіки порівняльної характеристики якісного складу води щодо вмісту важких металів, побудовані за експериментальними даними в точках 1 і 19

На основі експериментальних результатів водно-радіохімічної лабораторії Запорізької АЕС установлено, що:

за звітний період різниця концентрації міді в охолоджуючій воді на вході і виході із конденсаторів турбін енергоблоків № 2 і № 5 складає в межах від 0 до 0,01 мг/л ;

на зміну концентрації іонів міді на виході з конденсаторів турбін трохи впливають рН і температура технічної води на вході в конденсатори;

СШО безпосередньо не пов'язана з процесом виносу іонів міді в охолоджуючу воду. Про це свідчить порівняння різниці концентрацій міді на вході і виході, на енергоблоці № 2 є СШО (рис.6), а на енергоблоці №5 СШО немає (рис. 7).

Не рекомендується тривале відключення СШО, оскільки це може привести до збільшення карбонатних відкладень на внутрішній поверхні теплообмінних труб, що при подальшому вводі СШО в роботу спричинить підвищений знос кульок. А оскільки на Запорізькій АЕС в СШО використовують лише полірувальні кульки, то видалити без їх допомоги карбонатні відкладення, що ущільнилися, буде неможливо. Це може привести до інтенсифікації локальних корозійних процесів на внутрішній поверхні теплообмінних труб і погіршення процесу конденсації відпрацьованої пари, особливо в теплу пору року. Виходячи із забезпечення оптимального режиму роботи устаткування, необхідно, щоб СШО була в роботі постійно, а з погляду мінімізації надходження іонів міді в охолоджуючу воду, робота СШО може бути одним із факторів, сприяючих збільшенню надходження міді в охолоджуючу воду.

Особливо, якщо між кульками СШО і поверхнею теплообмінних труб попадатимуть дрібні тверді предмети (піщинки, крупинки відкладень і ін.), то в цьому випадку при роботі системи шарикоочистки можливе посилення ерозійного зносу теплообмінних труб, і, як наслідок, збільшення надходження міді в охолоджуючу воду.

Істотними факторами, що впливають на процес виносу іонів міді є: наявність в охолоджуючій воді твердих частинок (піску й ін.), які спричиняють ерозійний знос внутрішньої поверхні теплообмінних труб; кисень, який, будучи окислювачем, сприяє рівномірній корозії сплаву МНЖ 5-1 з кисневою деполяризацією; встановлений факт ерозійного зносу кромок теплообмінних труб, виступаючих за площину трубної дошки.

На основі виконаного розрахунку оцінки стоншування металу і, враховуючи результати корозійного обстеження вирізаних теплообмінних труб з конденсаторів турбін енергоблоків № 1 - 6, можна зробити висновок, що стоншування металу труб за рахунок рівномірної корозії за 13 -15 років експлуатації не перевищує 0,01 мм при товщині стінки теплообмінної труби 1,0 мм.

Рис. 6 Блок № 2. Графічні залежності концентрації міді від температури води, рН за наявності СШО, побудовані за експериментальними даними 2002р.



Рис. 7 Блок № 5. Графічні залежності концентрації міді від температури води, рН за відсутності СШО, побудовані за експериментальними даними 2002р.

У п'ятому розділі приведені розроблені рекомендації з регулювання якості води щодо вмісту важких металів для забезпечення технологічного регламенту продувки ставка-охолоджувача АЕС.

Практичний результат запропонованого екологічного моніторингу важких металів полягає у виборі найбільш прийнятного варіанту режиму експлуатації ставка-охолоджувача, тому в даному розділі дисертації надана оцінка і прогноз зміни концентрацій важких металів у воді ставка-охолоджувача Запорізької АЕС при різних варіантах режимів експлуатації: варіант А - при не- продувному режимі; варіант Б - при продувному режимі згідно “Регламенту проведення продувки ставка-охолоджувача Запорізької АЕС в Каховське водосховище” 00.ВН.РГ.01А; варіант В - при безперервному продувному режимі з витратою 17 м3/с.

Рис. 9 Графічні залежності концентрації міді від часу при різних режимах експлуатації ставка-охолоджувача АЕС

За результатами прогнозу й оцінки якості води ставка-охолоджувача Запорізької АЕС, виходячи з порівняльного аналізу варіантів (рис.9), розроблені рекомендації щодо регулювання якості води ставка-охолоджувача АЕС на безпечному екологічному рівні:

- виявлено, що величина витрати продувки ставка-охолоджувача має істотне значення для забезпечення якості води;

- встановлено, що найбільш прийнятний варіант режиму продувки, який зможе забезпечити якість води відповідно до ГДК для рибогосподарських водоймищ, є безперервний продувний режим ставка-охолоджувача з витратою 17 м3/с, що визначають технічними можливостями згідно паспорта з експлуатації ставка-охолоджувача і дотримання вимог, відповідно до “Регламенту проведення продувки ставка-охолоджувача Запорізької АЕС в Каховське водосховище” ОО.ВН.РГ.01А, розробленого Українським науково-дослідним інститутом екологічних проблем.

ВИСНОВКИ

Результати досліджень і їх упровадження на Запорізькій АЕС дають можливість вдосконалювати екологічний моніторинг важких металів у воді ставка-охолоджувача і завчасно застерігати від не бажаних наслідків впливу технологічних процесів АЕС на прилеглі екосистеми і покращувати якість води для підвищення працездатності і продовження ресурсу експлуатації основного технологічного устаткування енергоблоків АЕС.

У зв'язку з цим в дисертаційній роботі основні наукові і практичні результати зводяться до наступного:

1. Встановлено, що існуюча система моніторингу на АЕС виконує в необхідному обсязі функції регулярного контролю, проте, її вдосконалення не викликає сумнівів, оскільки недостатньо повно розроблена концепція організації екологічного моніторингу якості води в районах розташування великих енергетичних підприємств: залишається до кінця невивченим питання прогнозу і оцінки якості води системи охолодження АЕС для підвищення ефективності, безпеки і економічності роботи атомних енергоустановок з дотриманням нормативних показників щодо вмісту важких металів.

2. Виконано теоретичне обгрунтування і побудова комплексного автоматизованого екологічного моніторингу концентрацій важких металів з урахуванням взаємодії сукупності технологічних об'єктів системи охолодження АЕС і природних чинників.

3. Розроблено математичну модель і проведено за допомогою комп'ютерних технологій імітаційне моделювання вмісту важких металів у воді ставка-охолоджувача АЕС при різних технологічних режимах експлуатації.

4. Розроблено оперативний метод, що має якісно нові функції контролю якості води: розрахунок, оцінку і прогноз концентрацій важких металів у воді ставка-охолоджувача АЕС, реалізований у вигляді машинної програми і методичного забезпечення для його застосування. Запропонований метод рекомендується застосовувати як паралельний або додатковий контроль якості води системи охолодження.

5. Встановлено в результаті експериментальних досліджень багаторічних і сезонних спостережень, що продувка ставка-охолоджувача Запорізької АЕС є головним регулюючим фактором зниження концентрацій важких металів у воді ставка-охолоджувача до стабільного рівня.

6. Селективний аналіз впливу групи факторів не дозволив виявити переважуючого, що сприяв би процесу виносу іонів міді з конденсаторів турбін Запорізької АЕС. Незначні зміни спостерігалися при коливаннях рН і температури технічної води на вході конденсаторів турбін. Отже, процес виносу іонів міді з конденсаторів турбін технологічно обумовлений і не піддається регулюванню.

7. Встановлено на основі порівняльного аналізу імітаційного моделювання і експериментального дослідження концентрацій міді у воді ставка-охолоджувача Запорізької АЕС, що підвищена концентрації міді обумовлена незбалансованим співвідношенням частини води у ставку-охолоджувачі, що надходить (винос міді із АЕС та ТЕС) і витрачається (об'єм продувок, площина дзеркала, об'єм ставка-охолоджувача і ін.). Щоб уникнути цього дисбалансу доцільно враховувати параметри ставка-охолоджувача.

8. Розроблено рекомендації щодо регулювання якості води і встановлено, що одним з прийнятних варіантів режиму експлуатації ставка-охолоджувача АЕС є безперервний продувний режим з витратою 17 м3/с, який зможе забезпечити значення концентрацій важких металів, відповідно до ГДК для рибогосподарських водоймищ.

Очікуваний річний економічний ефект від упровадження запропонованого екологічного моніторингу на Запорізькій АЕС складає 897 092 гривень. У разі використання результатів роботи на інших АЕС економічний ефект збільшиться.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ РОБІТ

1. Мороз Н.А., Черкашин И.А. Содержание тяжелых металлов и минерализация поверхностных вод региона расположения Запорожской АЭС: Сб. науч. тр. СИЯЭиП. -2004. -№10. -С.73-78.

2. Мороз Н.А. Алгоритмирование миграции меди в водных объектах региона расположения Запорожской АЭС. // Пром.теплотехника. - 2004.- Т. 26., №6.- С.156-160

3. Мороз Н.А. Седнев В. А. Разработка математической модели для расчета водного баланса изменения концентрации примесей в воде пруда-охладителя Запорожской АЭС: Сб. науч. тр. СНИЯЭиП.- 2004. -№13. - С.133-139.

4. Совершенствование существующей системы гидроэкологического мониторинга концентраций тяжелых металлов в воде водоема-охладителя Запорожской АЭС.// Н.А. Мороз, В.А. Седнев, И.А. Черкашин, А.А. и др.: Сб. науч. Тр. СНИЯЭиП, - 2005. -№14. - С.70-76.

5. Мороз Н.А., Седнев В.А., Черкашин И.А. Гидрохимический мониторинг поверхностных вод региона расположения Запорожской АЭС.// Пром.теплотехника. -2005. -Т.27, №2. - с.78-87.

6. Деклараційний патент 10141 UА Україна 15.11.2005г. Бюл.№11. Спосіб контролю якості води ставка-охолоджувача АЕС ./ Н.А. Мороз, В.А.Сєднєв, I.О.Черкашин.

Размещено на Allbest.ru

...