Системы теплоснабжения с атомными источниками

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

(из книжки Б.В. Яковлева «Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения», М.: Изд-во «Новости теплоснабжения», 2008 г.)

Выставленные ниже результаты исследовательских работ и разработки использовались в 8090-х гг. прошедшего века в реальных проектах и программных документах развития энергетики бывшего СССР, в том числе Беларуси. Хотя после аварии на Чернобыльской АЭС атомная проблематика растеряла свою остроту, нужно считать, что с течением времени научный и практический задел в области систем энергоснабжения с атомными источниками вновь приобретет свою актуальность и будет нужен.

Предпосылки к применению атомных источников теплоты

Органическое и ядерное горючее являются исчерпаемыми природными ресурсами, потому всегда животрепещущими будут трудности увеличения эффективности их использования как на базе совершенствования энергетического оборудования, так и сотворения новых высокоэффективных технологий производства термический и электронной энергии. В силу ограниченных способностей добычи органического горючего и его значимого удорожания сначала 1980-х гг. обширное развитие начала получать атомная энергетика: исключительно в течение 1981-1985 гг. в СССР намечалось ввести на АЭС 24-25 ГВт мощностей.

Совместно с тем неспешные темпы внедрения атомных ТЭЦ (АТЭЦ) и атомных станций теплоснабжения (АСТ) сдерживали покрытие прирос

та термических нагрузок. В связи с этим как одно из направлений атомной теплофикации начали рассматривать возможность использования АЭС для теплоснабжения городов и агломераций, что определялось последующими соображениями:

■ теплоснабжение от АЭС можно выполнить в сжатые сроки и резвее начать вытеснение органического горючего;

■ АЭС являлись новыми источниками и располагали значительными способностями к совершенствованию и форсированию термический мощности реакторов;

■ при теплоснабжении от АЭС совпадали сроки службы станции и транзитных теплопроводов, в то время как действующие КЭС на органическом горючем, также вероятные источники теплоснабжения, существенно выработали собственный ресурс. Не считая того, КЭС должны были участво

вать в покрытии переменных электронных нагрузок энергосистем;

■ внедрение АЭС для теплоснабжения облагораживало экологическую обстановку городов.

Принципиальным направлением увеличения эффективности атомных станций является их многоцелевое внедрение, к примеру, методом комбинирования технологического процесса производства электроэнергии, теплоты и дистиллята из грязной либо засоленной воды.

Изменение критерий функционирования систем теплоснабжения при внедрении атомных энергетических установок

Рациональные технические свойства и характеристики систем теплоснабжения в значимой степени определяются источниками энергии, которые употребляются в системах. Применение атомных энергетических установок (АЭУ) значимым образом меняет условия функционирования систем теплоснабжения. Для выявления этих конфигураций была составлена структурная модель и рассмотрено функционирование всех звеньев системы централизованного теплоснабжения (ЦТ) для соответствующего промышленного городка (типа Минска). Рассмотрены варианты с АТЭЦ и атомными котельными.

Анализ указывает, что нельзя рассматривать ввод АЭУ как обособленное действие. Возникновение АЭУ вызывает суровые возмущения во всех звеньях системы. Изменяются функции и условия работы имеющихся источников, надежность и характеристики теплоснабжения, структура топливного баланса и экологические (включая радиационную) нагрузки городка, меняются сроки вывода и обновления имеющегося оборудования ТЭЦ, котельных и термических сетей, т.к. становится значимым фактор их морального старения и уровень загрязнения среды, меняется экономика энергоснабжающего комплекса и энергосистемы в целом.

Отсюда следует, что вопросы рационального функционирования систем ЦТ при внедрении АЭУ должны кропотливо прорабатываться на стадии исследования (обоснования решений) и определенного проектирования. Для этого нужно иметь математическую модель и аспекты, на базе которых можно было бы создавать выбор хороших решений и оптимизацию главных характеристик и черт систем теплоснабжения.

Многие рассмотренные положения учитывались при корректировке и разработке «ВНИПИэнергопромом» многообещающих схем теплоснабжения городов, где предусматривались атомные источники теплоты (Москва, Минск, Киев и др.), также при технико-экономическом обосновании внедрения разных источников теплоты, к примеру АЭС.

Рациональные характеристики теплоснабжения от АЭС

В связи со сложностью решаемой задачки и необходимостью проведения всеохватывающей оптимизации характеристик системы теплоснабжения с АЭС была разработана экономико-математическая модель исследования и программка расчета на ЭВМ, учитывающая технические, экономические, экологические и режимные характеристики исследуемого объекта.

Всеохватывающие технико-экономические исследования проявили последующее (исследования проводились в 80-90 гг. прошедшего века с учетом действовавших в тот период цен на ТЭР прим. ред.).

1. Финансовая конкурентоспособность АЭС как источников теплоснабжения в сопоставлении с вариациями теплоснабжения от районных котельных на угле, газе, мазуте и АСТ смотрится таким макаром.

При удалении АЭС от городка на 30-40 км теплоснабжение от нее находится вне конкуренции с хоть какими 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 горючем и АСТ при удалении до 55-75 км.

Повышение мощности системы ЦТ, увеличение температуры теплоносителя в транзитном теплопроводе, издержек на органическое горючее, 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. Совместно с тем пологий оптимум издержек в систему теплоснабжения зависимо от температуры теплоносителя дает определенную свободу выбора технических решений по использованию станции для теплоснабжения и сначала турбины. Лучшая температура теплоносителя слабо зависит и от расстояния транспорта теплоты. Увеличение температуры составляет приблизительно 0,5 ОС на каждый километр роста расстояния.

3. Если АЭС как источник теплоснабжения подключается к приготовленной термический нагрузке, то наилучшее значение часового коэффициента теплофикации аАЭС находится в границах 0,5-0,6. Для вновь создаваемых систем теплоснабжения аАЭс=0,7-0,8.

4. Применение однотрубного транспорта теплоты целенаправлено в этом случае, когда мало вероятная мощность реконструируемых конденсационных турбин либо устанавливаемых на АЭС теплофикационных турбин существенно меньше суммарной термический нагрузки системы теплоснабжения (городка) и соизмерима с нагрузкой ГВС. При однотрубном транспорте теплоты предельное расстояние от АЭС до городка может превосходить 100 км. Тут вероятны варианты аккумулирования сетевой воды или ее использования для подпитки смежных районов теплоснабжения городка.

5. Повышение числа зон теплоснабжения (числа самостоятельных теплопроводов) от АЭС, т.е. разукрупнение термических нагрузок, приводит к уменьшению экономически оправданного расстояния транспорта теплоты в 1,52,7 раза зависимо от числа транзитных теплопроводов (см. набросок). В то же время подключение к общему транзитному теплопроводу попутных потребителей слабо оказывает влияние на предельное расстояние транспорта теплоты по сопоставлению с выдачей теплоты по нескольким теплопроводам, что очень значительно.

6. Учет эколого-экономического фактора значительно увеличивает конкурентоспособность АЭС как источника теплоснабжения. К примеру, при замещении районных котельных на мазуте и угле экономически предельное расстояние транспорта теплоты от АЭС растет на 30-100%.

7. Желаемым вариантом модернизации турбин АЭС для отпуска теплоты является организация нерегулируемых отборов для многоступенчатого обогрева сетевой воды. Как проявили расчеты, лучший отбор нужного количества пара на теплофикацию из проточной части турбин не вызовет значимых колебаний давлений в отборах, не приведет к приметному изменению экономичности работы последних ступеней и мощности турбины. Более обычным вариантом модернизации, к примеру, турбины К-500-65/3000 является устройство 1-го отбора пара после ЦВД. Но при всем этом значительно понижается мощность турбины.

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

В то же время, как проявили проектные проработки, размещение дополнительного оборудования на действующих АЭС для отпуска теплоты в огромных количествах (от турбин либо реакторов) является достаточно сложным. Потому было предложено в проекты новых станций либо последующих очередей закладывать компоновочные и технические решения, дозволяющие превращать АЭС в АТЭЦ, в том числе за счет установки теплофикационных турбин типа ТК-500 с хорошими для этих критерий работы параметрами отборов и низкопотенциальной части. Площадки для новых АЭС — возможных источников теплоснабжения — должны выбираться с учетом выполненных исследовательских работ.

Системы теплоснабжения с атомными источниками

Маневренные способности АТЭЦ в системе теплоснабжения

Строительство атомных электрических станций ухудшало делему регулирования графика электронных нагрузок энергосистем ввиду отсутствия особых маневренных установок и исчерпания регулировочных способностей у привлекаемых для этих целей имеющихся морально и на физическом уровне стареющих конденсационных блоков на органическом горючем. Потому не исключалась в перспективе работа в маневренном режиме и атомных электрических станций. В отличие от станций на органическом горючем на атомных станциях имеется жесткое ограничение по разгрузке реактора, что не согласуется с вероятной глубиной разгрузки по электронной мощности турбин. Это соответственно обусловливает выбор метода и технических решений по их разгрузке. И более применимой для АТЭЦ представляется разгрузка аккумулированием термический энергии и за счет особых котельных (тщательно вопросы аккумулирования термический энергии от ТЭЦ (АТЭЦ) рассмотрены в книжке Б.В. Яковлева — прим. ред.). А именно, в свое время задачка аккумулирования теплоты решалась при проектировании и сооружении пригородной Минской АТЭЦ, строительство которой велось в 1980-х гг. в 40 км от г. Минска, но после аварии на Чернобыльской АЭС ее строительство было прекращено. В текущее время на этой площадке сооружается газомазутная Минская ТЭЦ-5, предположительно, с 4-мя парогазовыми блоками по 450 МВт (в 1999 г. введен только конденсационный паротурбинный блок 330 МВт; в текущее время ведется установка второго энергоблока — парогазового — электронной мощностью 450 МВт — прим. ред.). Минская АТЭЦ проектировалась электронной мощностью 2000 МВт и термический 2100 МВт (1800 Гкал/ч), с реакторами ВВЭР-1000 и турбоустановками ТК-450/500-60. Для далекого транспорта водяного теплоносителя с неизменной температурой 145 ОС транзитные теплосети должны были иметь два подающих и два оборотных трубопровода поперечником по 1200 мм при сооружении на трассе подкачивающей насосной станции либо поперечником по 1400 мм без нее. АТЭЦ должна была работать в базе термических нагрузок вместе с существующими городскими источниками теплоснабжения (ТЭЦ, котельными).

Разгрузка станции по электронной мощности в ночные часы может выполняться повышением расхода пара в теплофикационный отбор до очень вероятного с целью зарядки аккума сетевой воды или отключением 1-го из турбогенераторов и внедрением высвобождающейся теплоты пара реакторной установки для зарядки аккума жаркой воды.

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

Внедрение аккумов теплоты при автономной работе АТЭЦ может дать значимый экономический эффект благодаря приметному повышению ее номинальной мощности в часы прохождения максимума нагрузок энергосистемы. Выполненные исследования проявили перспективность внедрения систем аккумулирования теплоты на АТЭЦ, работающих в изолированных энергосистемах.

Вместе с аккумулированием была изучена эффективность использования АТЭЦ в маневренном режиме при совместной работе со особыми котельными, компенсирующими недоотпуск теплоты. Отсутствие серьезных вложений при использовании запасных котельных в качестве компенсирующих термических источников наращивает конкурентоспособность данного метода получения маневренной мощности на АТЭЦ. Результаты исследовательских работ 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 предназначения

В комплексе заморочек энергообеспечения больших промышленных городов более животрепещущими являются трудности водообеспече- ния и чистки сточных вод. Потому значимый энтузиазм представляет возможность использования атомной энергии как источника низкопотенциальной теплоты для опреснения и чистки соленых, солончаковых и сточных вод. Если дистилляционные установки для опреснения соленых вод уже получают промышленное применение, то способности чистки сточных вод с применением атомных установок пока находятся на стадии исследовательских работ и технических предложений, и идеологом этого направления является «БелНИПИэнергопром». Типы и характеристики опреснительных установок тоже еще далековато не изучены. Значимым является и таковой момент, что АЭС и АТЭЦ обязаны иметь мощность 2000-4000 МВт и поболее, что приводит к огромным потребностям в технической воде. К примеру, дневная компенсация утрат воды в системе обратного водоснабжения с градирнями для АТЭЦ мощностью 2000 МВт, которая может обеспечить теплопотребление городка с полумиллионным популяцией, составляет 0,25 — 0,3 млн м3, что составляет суточное водопотреб- ление самого городка. И в критериях аква недостатка могут появиться трудности с размещением АТЭЦ, что имело место при выборе площадки для Минской АТЭЦ.

Вероятное развитие атомной теплофикации, опыт в области теплового опреснения соленых вод, также проведенные исследования по дистилляции городских сточных вод делают реальную возможность для практического внедрения атомных станций трехцелевого предназначения — атомных водотеплоэлектроцент- ралей (АВТЭЦ). Они являются по существу теми же АТЭЦ, в каких теплофикационные агрегаты совмещены с дистилляционными установками. Эти станции позволяют сразу создавать электроэнергию, теплоту и дистиллированную воду.

За счет выработки дистиллята на термическом потреблении отборов турбины существенно понижается расход теплоты на получение дистиллята и его цена по сопоставлению с получением дистиллята в отдельных опреснительных установках. Это позволяет использовать дистилляцию как экономически прибыльный метод опреснения соленых вод и глубочайшей чистки сточных вод в огромных масштабах. Осуществляя дистилляцию городских сточных вод и вовлекая в повторное внедрение дистиллят, приобретенный из их, можно, во-1-х, сделать обратные системы водоснабжения городов по замкнутому циклу, а во-2-х, закончить сброс сточных вод в природные водные источники и этим в значимой мере предупредить либо стопроцентно исключить их загрязнение.

Результаты сопоставления усредненных годичных характеристик употребления электронной энергии, воды и сброса сточных вод городка с популяцией порядка 1 млн чел., отнесенные на единицу потребляемой теплоты, с усредненными годичными показателями производства электронной энергии, дистиллята и забора сточных вод на АВТЭЦ с турбинами ТК-450/500-60, также отнесенными на единицу отпускаемой теплоты, проявили, что при покрытии определенной толики термических нагрузок (аАЭс) городка за счет АВТЭЦ можно стопроцентно обеспечить его электропотребление и выполнить дистилляцию всех сточных вод, что на 70-80% обеспечит во- допотребление городка.

Дистилляционные установки, комплектуемые с теплофикационными агрегатами на АВТЭЦ, практически подменяют системы водоснабжения (при равной производительности по воде) и могут существенно уменьшить производительность городских очистных сооружений компаний, высвобождая огромное количество металла, строительного материала, земляных площадей и трудовых ресурсов.

Финансовложения в АВТЭЦ при одних и тех же электронных и термических мощностях электростанции и производительностях опреснительных установок оказываются меньше, чем в другом варианте (АТЭЦ плюс система водоснабжения и классические очистные сооружения). Пики употребления воды имеют место летом, а употребления теплоты и электроэнергии — зимой, что обеспечивает высшую загрузку теплофикационных отборов турбин в протяжении года. Это приводит к повышению выработки электроэнергии на термическом потреблении и дает возможность эксплуатировать реактор в номинальном либо близком к номинальному режиме, что содействует высочайшим показателям работы электростанции.

Выполнены исследования профиля АВТЭЦ по мощности, составу оборудования, технологической схеме, режиму работы. Как и у АТЭЦ, эффективность АВТЭЦ растет с повышением мощности и укрупнением оборудования и может доходить до 4000-5000 МВт для городов с популяцией в 1 млн чел. (относительная финансовая эффективность АВТЭЦ по сопоставлению с АТЭЦ в свое время подверглась рассмотрению в ТЭО и многообещающих схемах теплоснабжения определенных городов — Москвы, Минска, Одессы).

Изготовление на АВТЭЦ воды высочайшего свойства, которая может быть применена для технического и жаркого водоснабжения, делает предпосылки для внедрения однотрубного транспорта теплоты как при открытой, так и при закрытой системах теплоснабжения.

В связи с неизменной работой дистилляци- онных установок практически на 50% понижается расход воды на компенсацию утрат в градирнях, при этом компенсация может выполняться за счет сточных вод, прошедших дополнительную чистку, либо дистиллята без вербования воды из природных источников. Это дает свободу выбора площадок для АВТЭЦ по аква фактору.

Изучены лучшая технологическая схема АВТЭЦ, ее маневренные характеристики и финансовая эффективность как объекта трехцелевого предназначения.

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) либо моментального вскипания. Выполнение дистилляционной установки по принципу комбинированной выработки электронной энергии и дистиллята на термическом потреблении приводит к уменьшению не только лишь расхода теплоты на получение дистиллята, да и числа ступеней опреснения по сопоставлению с известными опреснительными установками с концевыми конденсаторами.

Для АВТЭЦ, в отличие от АТЭЦ, дорогостоящим дополнительным элементом является многоступенчатая дистилляционная установка (издержки в нее могут составить 10-15% от издержек на АВТЭЦ), потому нужно верно найти ее рациональные характеристики и сначала число ступеней.

Исследования выявили, что наилучшее число ступеней МДУ с ВА, работающей с утилизацией теплоты в термическую сеть, находится в спектре 6-9 и находится в зависимости от замыкающих издержек на воду. Это на 4-1 ступень меньше по сопоставлению с 10-корпусной установкой схожей производительности с концевым конденсатором. По серьезным вложениям МДУ с утилизацией теплоты в термическую сеть не достаточно отличается от установки с концевым конденсатором.

Высочайшая термодинамическая эффективность АВТЭЦ обеспечивается за счет комбинированной выработки 3-х видов продукции: электроэнергии, теплоты и дистиллята. Теплота, подводимая к дистилляционной установке, в главном передается в термическую сеть, кроме частичного ее расхода на регенеративный обогрев начальной воды и утрат через поверхности теплообменных аппаратов и коммуникаций.

Выбор характеристик, производительности и числа ступеней МДУ в комплексе с АВТЭЦ вероятен при 2-ух подходах. По зимнему режиму, когда имеет место полная термическая загрузка турбин и соответственно наибольшее количество получаемого на наружном термическом потреблении дистиллята. Тогда в летний период производительность по дистилляту на термическом потреблении (ГВС) будет малой и будет нужно создавать дистиллят по конденсационному режиму или иметь в районе энергоснабжения от АВТЭЦ запасный источник пресной воды.

При выборе технических черт и, сначала, наибольшей производительности МДУ по дистилляту по летнему режиму, когда термическая нагрузка мала, в отопительный период производительность по дистилляту понижается и требуется его восполнение замыкающим источником. Таковой подход целесообразен, если источник пресной воды ограничен, а потребление ее в летний период резко растет (санитарно-курортные зоны).

Невзирая на усложнение технологической схемы АВТЭЦ совмещение комбинированного производства электроэнергии, теплоты и дистиллята имеет определенные достоинства в плане маневренных параметров энергоисточника. АВТЭЦ имеет наилучшие маневренные характеристики по сопоставлению с АТЭЦ за счет способности конфигурации выработки дистиллята по конденсационному циклу МДУ При отпуске теплоты от АВТЭЦ в теплосеть в согласовании с годичным графиком теплопотребления к концу отопительного периода ее электронная мощность растет на 8% при коэффициенте теплофикации, равном 0,64. В неотопительный период регулировочный спектр АВТЭЦ добивается 12%.

Но желательные маневренные способности АВТЭЦ могут быть реализованы только при определенных критериях. АВТЭЦ является элементом систем электро-, тепло- и водоснабжения, которые имеют свои определенные дневные и годичные режимы работы. Такие свойства системы водоснабжения, как простота и удобство аккумулирования воды, и, как ранее говорилось, несовпадение сезонных пиков употребления воды с пиками термический и электронной 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 параметров АВТЭЦ значительно увеличивает ее общую экономичность.

Высочайшая значимость и высочайшая энергетическая и финансовая эффективность АВТЭЦ открывают им перспективу как единым комплексам энерговодоснабжения городов.

Условия и характеристики теплоснабжения от атомных котельных

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

■ целесообразные масштабы концентрации термических нагрузок при сооружении АТЭЦ существенно превосходят оптимум укрупнения теплофикационных систем с ТЭЦ и котельными на органическом горючем, тогда как для АК они находятся приблизительно в этих же масштабах;

■ в больших системах теплоснабжения значительно растет воздействие издержек в термические сети. К примеру, при термических нагрузках около 3500 МВт (3000 Гкал/ч) и 3-х круговых выводах тепломагистралей от АТЭЦ финансовложения в термические сети практически в два раза превосходят финансовложения в АТЭЦ. В этих критериях растут требования к обеспечению надежности теплоснабжения;

■ экономически целесообразный масштаб концентрации термических нагрузок для АТЭЦ выше 1750 МВт, что вызывает размещение большой электронной мощности поблизости больших городов;

■ для АК имеется техно возможность сотворения низкотемпературного реакторного оборудования — экономически действенного и экологически неопасного. На АК внедрение теплоты горючего близко к 100%, т.к. в реакторе ее получают практически при той же температуре, которая требуется для системы теплоснабжения.

По подготовительным исследованиям, зона вероятной конкурентоспособности систем теплоснабжения с АК находится в спектре термических нагрузок 900-1700 МВт. Совместно с тем подразумевается, что финансовая конкурентоспособность АК в итоге конфигурации стоимостных характеристик на газомазутное горючее и существенных преимуществ АК при размещении их относительно потребителей теплоты будет находиться в более широком спектре термических нагрузок, начиная с 600-700 МВт. В неких районах со специфичными критериями (изолированность, сложность доставки горючего и оборудования, отсутствие либо 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 термических нагрузок и критериями работы АК в системах теплоснабжения.

Исследования систем теплоснабжения с АК проявили их вероятную энергетическую и народнохозяйственную эффективность. При всем этом выбор рационального профиля реакторного оборудования для АК и оптимизация характеристик теплоснабжающих систем с атомными источниками теплоты имеют определяющее значение, но нужны последующие всесторонние исследования и проектно-конструкторские разработки.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

recuperatio.ru