Системы теплоснабжения с атомными источниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы теплоснабжения с атомными источниками

Д.т.н. Б.В. Яковлев, профессор, заведующий сектором РУП «БелНИПИэнергопром», г. Минск, Республика Беларусь

Представленные ниже результаты исследований и разработки использовались в 8090-х гг. прошлого века в реальных проектах и программных документах развития энергетики бывшего СССР, в том числе Беларуси. Хотя после аварии на Чернобыльской АЭС атомная проблематика потеряла свою остроту, надо полагать, что со временем научный и практический задел в области систем энергоснабжения с атомными источниками вновь приобретет свою актуальность и будет востребован.

Предпосылки к применению атомных источников теплоты

Органическое и ядерное топливо являются исчерпаемыми природными ресурсами, поэтому всегда актуальными будут проблемы повышения эффективности их использования как на основе совершенствования энергетического оборудования, так и создания новых высокоэффективных технологий производства тепловой и электрической энергии. В силу ограниченных возможностей добычи органического топлива и его значительного удорожания в начале 1980-х гг. широкое развитие начала получать атомная энергетика: только в течение 1981-1985 гг. в СССР намечалось ввести на АЭС 24-25 ГВт мощностей.

Вместе с тем медленные темпы внедрения атомных ТЭЦ (АТЭЦ) и атомных станций теплоснабжения (АСТ) сдерживали покрытие прироста тепловых нагрузок. В связи с этим как одно из направлений атомной теплофикации начали рассматривать возможность использования АЭС для теплоснабжения городов и агломераций, что определялось следующими соображениями:

¦теплоснабжение от АЭС можно осуществить в сжатые сроки и быстрее начать вытеснение органического топлива;

¦АЭС являлись новыми источниками и располагали значительными возможностями к совершенствованию и форсированию тепловой мощности реакторов;

¦при теплоснабжении от АЭС совпадали сроки службы станции и транзитных теплопроводов, в то время как действующие КЭС на органическом топливе, также возможные источники теплоснабжения, значительно выработали свой ресурс. Кроме того, КЭС должны были участвовать в покрытии переменных электрических нагрузок энергосистем;

¦использование АЭС для теплоснабжения улучшало экологическую обстановку городов.

Важным направлением повышения эффективности атомных станций является их многоцелевое использование, например, путем комбинирования технологического процесса производства электроэнергии, теплоты и дистиллята из загрязненной или засоленной воды.

Изменение условий функционирования систем теплоснабжения при внедрении атомных энергетических установок

Оптимальные технические характеристики и параметры систем теплоснабжения в значительной степени определяются источниками энергии, которые используются в системах. Применение атомных энергетических установок (АЭУ) существенным образом меняет условия функционирования систем теплоснабжения. Для выявления этих изменений была составлена структурная модель и рассмотрено функционирование всех звеньев системы централизованного теплоснабжения (ЦТ) для характерного промышленного города (типа Минска). Рассмотрены варианты с АТЭЦ и атомными котельными.

Анализ показывает, что нельзя рассматривать ввод АЭУ как обособленное действие. Появление АЭУ вызывает серьезные возмущения во всех звеньях системы. Меняются функции и условия работы существующих источников, надежность и параметры теплоснабжения, структура топливного баланса и экологические (включая радиационную) нагрузки города, изменяются сроки вывода и обновления существующего оборудования ТЭЦ, котельных и тепловых сетей, т.к. становится существенным фактор их морального старения и уровень загрязнения окружающей среды, изменяется экономика энергоснабжающего комплекса и энергосистемы в целом.

Отсюда следует, что вопросы оптимального функционирования систем ЦТ при внедрении АЭУ должны тщательно прорабатываться на стадии исследования (обоснования решений) и конкретного проектирования. Для этого необходимо иметь математическую модель и критерии, на основе которых можно было бы производить выбор оптимальных решений и оптимизацию основных параметров и характеристик систем теплоснабжения.

Многие рассмотренные положения учитывались при корректировке и разработке «ВНИПИэнергопромом» перспективных схем теплоснабжения городов, где предусматривались атомные источники теплоты (Москва, Минск, Киев и др.), а также при технико-экономическом обосновании применения различных источников теплоты, например АЭС.

Оптимальные параметры теплоснабжения от АЭС

В связи со сложностью решаемой задачи и необходимостью проведения комплексной оптимизации параметров системы теплоснабжения с АЭС была разработана экономико-математическая модель исследования и программа расчета на ЭВМ, учитывающая технические, экономические, экологические и режимные параметры исследуемого объекта.

Комплексные технико-экономические исследования показали следующее (исследования проводились в 80-90 гг. прошлого века с учетом действовавших в тот период цен на ТЭР прим. ред.).

1.Экономическая конкурентоспособность АЭС как источников теплоснабжения в сравнении с вариантами теплоснабжения от районных котельных на угле, газе, мазуте и АСТ выглядит таким образом.

При удалении АЭС от города на 30-40 км теплоснабжение от нее находится вне конкуренции с любыми из вышеназванных источников. Теплоснабжение от АЭС равноэкономично теплоснабжению от угольных котельных при удалении АЭС от потребителя на 45-50 км и экономичнее, чем теплоснабжение от котельных на газомазутном топливе и АСТ при удалении до 55-75 км.

Увеличение мощности системы ЦТ, повышение температуры теплоносителя в транзитном теплопроводе, затрат на органическое топливо, а также переход на открытую систему теплоснабжения расширяют зону конкурентоспособности АЭС как источника теплоснабжения.

2.Оправдан переход на температуру теплоносителя в транзитном теплопроводе от АЭС до 170-200 ^ОС. Вместе с тем пологий оптимум затрат в систему теплоснабжения в зависимости от температуры теплоносителя дает определенную свободу выбора технических решений по использованию станции для теплоснабжения и прежде всего турбины. Оптимальная температура теплоносителя слабо зависит и от расстояния транспорта теплоты. Повышение температуры составляет примерно 0,5 ^ОС на каждый километр увеличения расстояния.

3.Если АЭС как источник теплоснабжения подключается к подготовленной тепловой нагрузке, то оптимальное значение часового коэффициента теплофикации а_АЭС находится в пределах 0,5-0,6. Для вновь создаваемых систем теплоснабжения а_АЭс=0,7-0,8.

4.Применение однотрубного транспорта теплоты целесообразно в том случае, когда минимально возможная мощность реконструируемых конденсационных турбин или устанавливаемых на АЭС теплофикационных турбин значительно меньше суммарной тепловой нагрузки системы теплоснабжения (города) и соизмерима с нагрузкой ГВС. При однотрубном транспорте теплоты предельное расстояние от АЭС до города может превышать 100 км. Здесь возможны варианты аккумулирования сетевой воды либо ее использования для подпитки смежных районов теплоснабжения города.

5.Увеличение числа зон теплоснабжения (числа самостоятельных теплопроводов) от АЭС, т.е. разукрупнение тепловых нагрузок, приводит к уменьшению экономически оправданного расстояния транспорта теплоты в 1,52,7 раза в зависимости от числа транзитных теплопроводов (см. рисунок). В то же время подключение к общему транзитному теплопроводу попутных потребителей слабо влияет на предельное расстояние транспорта теплоты по сравнению с выдачей теплоты по нескольким теплопроводам, что весьма существенно.

6.Учет эколого-экономического фактора существенно повышает конкурентоспособность АЭС как источника теплоснабжения. Например, при замещении районных котельных на мазуте и угле экономически предельное расстояние транспорта теплоты от АЭС возрастает на 30-100%.

7.Предпочтительным вариантом модернизации турбин АЭС для отпуска теплоты является организация нерегулируемых отборов для многоступенчатого подогрева сетевой воды. Как показали расчеты, оптимальный отбор необходимого количества пара на теплофикацию из проточной части турбин не вызовет значительных колебаний давлений в отборах, не приведет к заметному изменению экономичности работы последних ступеней и мощности турбины. Наиболее простым вариантом модернизации, например, турбины К-500-65/3000 является устройство одного отбора пара после ЦВД. Но при этом существенно снижается мощность турбины.

Возможные варианты приспособления такой турбины для отпуска теплоты в блоке с реактором были проработаны совместно с ХТГЗ и «Гидропроектом» применительно к Курской АЭС при разработке обосновывающих материалов по использованию станции для теплоснабжения. Далее такие проработки были выполнены для Балаковской АЭС.

В то же время, как показали проектные проработки, размещение дополнительного оборудования на действующих АЭС для отпуска теплоты в больших количествах (от турбин или реакторов) является довольно сложным. Поэтому было предложено в проекты новых станций или следующих очередей закладывать компоновочные и технические решения, позволяющие превращать АЭС в АТЭЦ, в том числе за счет установки теплофикационных турбин типа ТК-500 с оптимальными для этих условий работы параметрами отборов и низкопотенциальной части. Площадки для новых АЭС - потенциальных источников теплоснабжения - должны выбираться с учетом выполненных исследований.

атомный теплоснабжение ядерный

Маневренные возможности АТЭЦ в системе теплоснабжения

Строительство атомных электростанций усугубляло проблему регулирования графика электрических нагрузок энергосистем ввиду отсутствия специальных маневренных установок и исчерпания регулировочных возможностей у привлекаемых для этих целей существующих морально и физически стареющих конденсационных блоков на органическом топливе. Поэтому не исключалась в перспективе работа в маневренном режиме и атомных электростанций. В отличие от станций на органическом топливе на атомных станциях имеется жесткое ограничение по разгрузке реактора, что не согласуется с возможной глубиной разгрузки по электрической мощности турбин. Это соответственно обусловливает выбор способа и технических решений по их разгрузке. И наиболее приемлемой для АТЭЦ представляется разгрузка аккумулированием тепловой энергии и за счет специальных котельных (подробно вопросы аккумулирования тепловой энергии от ТЭЦ (АТЭЦ) рассмотрены в книге Б.В. Яковлева - прим. ред.). В частности, в свое время задача аккумулирования теплоты решалась при проектировании и сооружении загородной Минской АТЭЦ, строительство которой велось в 1980-х гг. в 40 км от г. Минска, однако после аварии на Чернобыльской АЭС ее возведение было прекращено. В настоящее время на этой площадке сооружается газомазутная Минская ТЭЦ-5, предположительно, с четырьмя парогазовыми блоками по 450 МВт (в 1999 г. введен только конденсационный паротурбинный блок 330 МВт; в настоящее время ведется монтаж второго энергоблока - парогазового - электрической мощностью 450 МВт - прим. ред.). Минская АТЭЦ проектировалась электрической мощностью 2000 МВт и тепловой 2100 МВт (1800 Гкал/ч), с реакторами ВВЭР-1000 и турбоустановками ТК-450/500-60. Для дальнего транспорта водяного теплоносителя с постоянной температурой 145 ^ОС транзитные теплосети должны были иметь два подающих и два обратных трубопровода диаметром по 1200 мм при сооружении на трассе подкачивающей насосной станции или диаметром по 1400 мм без нее. АТЭЦ должна была работать в базе тепловых нагрузок совместно с существующими городскими источниками теплоснабжения (ТЭЦ, котельными).

Разгрузка станции по электрической мощности в ночные часы может производиться увеличением расхода пара в теплофикационный отбор до максимально возможного с целью зарядки аккумулятора сетевой воды либо отключением одного из турбогенераторов и использованием высвобождающейся теплоты пара реакторной установки для зарядки аккумулятора горячей воды.

Особую актуальность приобретает применение аккумулирования теплоты на ядерных энергоисточниках, работающих в изолированных системах электро- и теплоснабжения. Примером может служить Билибинская АТЭЦ, участвующая в регулировании графика электрической нагрузки, хотя такой режим противоречит экономической сути производства электроэнергии и теплоты на ядерном горючем.

Использование аккумуляторов теплоты при автономной работе АТЭЦ может дать значительный экономический эффект благодаря заметному увеличению ее номинальной мощности в часы прохождения максимума нагрузок энергосистемы. Выполненные исследования показали перспективность применения систем аккумулирования теплоты на АТЭЦ, работающих в изолированных энергосистемах.

Наряду с аккумулированием была исследована эффективность использования АТЭЦ в маневренном режиме при совместной работе со специальными котельными, компенсирующими недоотпуск теплоты. Отсутствие капитальных вложений при использовании резервных котельных в качестве компенсирующих тепловых источников увеличивает конкурентоспособность данного способа получения маневренной мощности на АТЭЦ. Результаты исследований апробированы при разработке обосновывающих материалов по теплоснабжению от Курской АЭС, где рассмотрен вариант получения маневренной мощности на Курской АЭС за счет передачи части нагрузки системы теплоснабжения г. Курска на выведенные в резерв котельные.

Атомные станции трехцелевого назначения

В комплексе проблем энергообеспечения крупных индустриальных городов наиболее актуальными являются проблемы водообеспечения и очистки сточных вод. Поэтому значительный интерес представляет возможность использования атомной энергии как источника низкопотенциальной теплоты для опреснения и очистки соленых, солончаковых и сточных вод. Если дистилляционные установки для опреснения соленых вод уже получают промышленное применение, то возможности очистки сточных вод с применением атомных установок пока находятся на стадии исследований и технических предложений, и идеологом этого направления является «БелНИПИэнергопром». Типы и параметры опреснительных установок тоже еще далеко не исследованы. Существенным является и такой момент, что АЭС и АТЭЦ должны иметь мощность 2000-4000 МВт и более, что приводит к большим потребностям в технической воде. Например, суточная компенсация потерь воды в системе оборотного водоснабжения с градирнями для АТЭЦ мощностью 2000 МВт, которая может обеспечить теплопотребление города с полумиллионным населением, составляет 0,25 - 0,3 млн м³, что составляет суточное водопотреб- ление самого города. И в условиях водного дефицита могут возникнуть трудности с размещением АТЭЦ, что имело место при выборе площадки для Минской АТЭЦ.

Возможное развитие атомной теплофикации, опыт в области термического опреснения соленых вод, а также проведенные исследования по дистилляции городских сточных вод создают реальную возможность для практического применения атомных станций трехцелевого назначения - атомных водотеплоэлектроцентралей (АВТЭЦ). Они являются по существу теми же АТЭЦ, в которых теплофикационные агрегаты совмещены с дистилляционными установками. Эти станции позволяют одновременно производить электроэнергию, теплоту и дистиллированную воду.

За счет выработки дистиллята на тепловом потреблении отборов турбины значительно снижается расход теплоты на получение дистиллята и его стоимость по сравнению с получением дистиллята в отдельных опреснительных установках. Это позволяет использовать дистилляцию как экономически выгодный способ опреснения соленых вод и глубокой очистки сточных вод в больших масштабах. Осуществляя дистилляцию городских сточных вод и вовлекая в повторное использование дистиллят, полученный из них, можно, во-первых, создать оборотные системы водоснабжения городов по замкнутому циклу, а во-вторых, прекратить сброс сточных вод в природные водные источники и этим в значительной мере предотвратить или полностью исключить их загрязнение.

Результаты сравнения усредненных годовых показателей потребления электрической энергии, воды и сброса сточных вод города с населением порядка 1 млн чел., отнесенные на единицу потребляемой теплоты, с усредненными годовыми показателями производства электрической энергии, дистиллята и забора сточных вод на АВТЭЦ с турбинами ТК-450/500-60, также отнесенными на единицу отпускаемой теплоты, показали, что при покрытии определенной доли тепловых нагрузок (а_АЭс) города за счет АВТЭЦ можно полностью обеспечить его электропотребление и осуществить дистилляцию всех сточных вод, что на 70-80% обеспечит во- допотребление города.

Дистилляционные установки, комплектуемые с теплофикационными агрегатами на АВТЭЦ, фактически заменяют системы водоснабжения (при равной производительности по воде) и могут значительно сократить производительность городских очистных сооружений предприятий, высвобождая большое количество металла, строительного материала, земельных площадей и трудовых ресурсов.

Капиталовложения в АВТЭЦ при одних и тех же электрических и тепловых мощностях электростанции и производительностях опреснительных установок оказываются меньше, чем в альтернативном варианте (АТЭЦ плюс система водоснабжения и традиционные очистные сооружения). Пики потребления воды имеют место летом, а потребления теплоты и электроэнергии - зимой, что обеспечивает высокую загрузку теплофикационных отборов турбин на протяжении года. Это приводит к увеличению выработки электроэнергии на тепловом потреблении и дает возможность эксплуатировать реактор в номинальном или близком к номинальному режиме, что способствует высоким показателям работы электростанции.

Выполнены исследования профиля АВТЭЦ по мощности, составу оборудования, технологической схеме, режиму работы. Как и у АТЭЦ, эффективность АВТЭЦ возрастает с увеличением мощности и укрупнением оборудования и может доходить до 4000-5000 МВт для городов с населением в 1 млн чел. (относительная экономическая эффективность АВТЭЦ по сравнению с АТЭЦ в свое время была рассмотрена в ТЭО и перспективных схемах теплоснабжения конкретных городов - Москвы, Минска, Одессы).

Приготовление на АВТЭЦ воды высокого качества, которая может быть использована для технического и горячего водоснабжения, создает предпосылки для применения однотрубного транспорта теплоты как при открытой, так и при закрытой системах теплоснабжения.

В связи с постоянной работой дистилляци- онных установок почти на 50% снижается расход воды на компенсацию потерь в градирнях, причем компенсация может производиться за счет сточных вод, прошедших дополнительную очистку, или дистиллята без привлечения воды из природных источников. Это дает свободу выбора площадок для АВТЭЦ по водному фактору.

Исследованы оптимальная технологическая схема АВТЭЦ, ее маневренные свойства и экономическая эффективность как объекта трехцелевого назначения.

В качестве объекта исследования рассматривалась атомная водотеплоэлектроцентраль, в состав блока которой входят реактор типа ВВЭР-1000 с турбинами ТК-450/500-60 и многоступенчатая дистилляционная установка (МДУ) с выпарными аппаратами (ВА) или мгновенного вскипания. Выполнение дистилляционной установки по принципу комбинированной выработки электрической энергии и дистиллята на тепловом потреблении приводит к уменьшению не только расхода теплоты на получение дистиллята, но и числа ступеней опреснения по сравнению с известными опреснительными установками с концевыми конденсаторами. Для АВТЭЦ, в отличие от АТЭЦ, дорогостоящим дополнительным элементом является многоступенчатая дистилляционная установка (затраты в нее могут составить 10-15% от затрат на АВТЭЦ), поэтому необходимо правильно определить ее оптимальные параметры и прежде всего число ступеней.

Исследования выявили, что оптимальное число ступеней МДУ с ВА, работающей с утилизацией теплоты в тепловую сеть, находится в диапазоне 6-9 и зависит от замыкающих затрат на воду. Это на 4-1 ступень меньше по сравнению с 10-корпусной установкой одинаковой производительности с концевым конденсатором. По капитальным вложениям МДУ с утилизацией теплоты в тепловую сеть мало отличается от установки с концевым конденсатором.

Высокая термодинамическая эффективность АВТЭЦ обеспечивается за счет комбинированной выработки трех видов продукции: электроэнергии, теплоты и дистиллята. Теплота, подводимая к дистилляционной установке, в основном передается в тепловую сеть, за исключением частичного ее расхода на регенеративный подогрев исходной воды и потерь через поверхности теплообменных аппаратов и коммуникаций.

Выбор параметров, производительности и числа ступеней МДУ в комплексе с АВТЭЦ возможен при двух подходах. По зимнему режиму, когда имеет место полная тепловая загрузка турбин и соответственно максимальное количество получаемого на внешнем тепловом потреблении дистиллята. Тогда в летний период производительность по дистилляту на тепловом потреблении (ГВС) будет минимальной и потребуется производить дистиллят по конденсационному режиму либо иметь в районе энергоснабжения от АВТЭЦ резервный источник пресной воды.

При выборе технических характеристик и, прежде всего, максимальной производительности МДУ по дистилляту по летнему режиму, когда тепловая нагрузка минимальна, в отопительный период производительность по дистилляту снижается и требуется его восполнение замыкающим источником. Такой подход целесообразен, если источник пресной воды ограничен, а потребление ее в летний период резко возрастает (санитарно-курортные зоны).

Несмотря на усложнение технологической схемы АВТЭЦ совмещение комбинированного производства электроэнергии, теплоты и дистиллята имеет определенные преимущества в плане маневренных свойств энергоисточника. АВТЭЦ имеет лучшие маневренные показатели по сравнению с АТЭЦ за счет возможности изменения выработки дистиллята по конденсационному циклу МДУ При отпуске теплоты от АВТЭЦ в теплосеть в соответствии с годовым графиком теплопотребления к концу отопительного периода ее электрическая мощность возрастает на 8% при коэффициенте теплофикации, равном 0,64. В неотопительный период регулировочный диапазон АВТЭЦ достигает 12%.

Однако предпочтительные маневренные возможности АВТЭЦ могут быть реализованы лишь при определенных условиях. АВТЭЦ является элементом систем электро-, тепло- и водоснабжения, которые имеют свои определенные суточные и годовые режимы работы. Такие качества системы водоснабжения, как простота и удобство аккумулирования воды, и, как уже отмечалось, несовпадение сезонных пиков потребления воды с пиками тепловой и электрической энергии позволяют лучше загрузить теплофикационные отборы. Это обеспечивает маневренный режим работы АВТЭЦ в течение всего года за счет ограничения (отключения в неотопительный период) теплофикационных отборов турбин.

Реализация маневренных свойств АВТЭЦ существенно повышает ее общую экономичность. Высокая значимость и высокая энергетическая и экономическая эффективность АВТЭЦ открывают им перспективу как единым комплексам энерговодоснабжения городов.

Условия и параметры теплоснабжения от атомных котельных

При анализе системы централизованного теплоснабжения с атомными котельными (АК) и АТЭЦ выявлены следующие их основные особенности:

¦ целесообразные масштабы концентрации тепловых нагрузок при сооружении АТЭЦ значительно превосходят оптимум укрупнения теплофикационных систем с ТЭЦ и котельными на органическом топливе, тогда как для АК они находятся примерно в этих же масштабах;

¦ в крупных системах теплоснабжения существенно возрастает влияние затрат в тепловые сети. Например, при тепловых нагрузках около 3500 МВт (3000 Гкал/ч) и трех радиальных выводах тепломагистралей от АТЭЦ капиталовложения в тепловые сети почти вдвое превышают капиталовложения в АТЭЦ. В этих условиях возрастают требования к обеспечению надежности теплоснабжения;

¦ экономически целесообразный масштаб концентрации тепловых нагрузок для АТЭЦ свыше 1750 МВт, что вызывает размещение большой электрической мощности вблизи крупных городов;

¦ для АК имеется техническая возможность создания низкотемпературного реакторного оборудования - экономически эффективного и экологически безопасного. На АК использование теплоты топлива близко к 100%, т.к. в реакторе ее получают почти при той же температуре, которая требуется для системы теплоснабжения.

По предварительным исследованиям, зона возможной конкурентоспособности систем теплоснабжения с АК находится в диапазоне тепловых нагрузок 900-1700 МВт. Вместе с тем предполагается, что экономическая конкурентоспособность АК в результате изменения стоимостных показателей на газомазутное топливо и существенных преимуществ АК при размещении их относительно потребителей теплоты будет находиться в более широком диапазоне тепловых нагрузок, начиная с 600-700 МВт. В некоторых районах со специфическими условиями (изолированность, сложность доставки топлива и оборудования, отсутствие или ограниченность энергетических ресурсов и др.) целесообразным может быть сооружение АК малой и средней мощности при нагрузках 30-100 МВт.

Выбор единичной мощности (модуля) реактора и числа реакторов на АК определяется приростами тепловых нагрузок и условиями работы АК в системах теплоснабжения.

Исследования систем теплоснабжения с АК показали их возможную энергетическую и народнохозяйственную эффективность. При этом выбор оптимального профиля реакторного оборудования для АК и оптимизация параметров теплоснабжающих систем с атомными источниками теплоты имеют определяющее значение, однако необходимы дальнейшие всесторонние исследования и проектно-конструкторские разработки.

Размещено на Allbest.ru