Geum.ru

Федеральное агентство по атомной энергии фгуп «цнииатоминформ» центр «атом-инновация» материалы инновационного форума росатома июнь, 2007 год москва партнеры форума

Вид материалаДокументы

Содержание


Система аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) повысит конкурентоспособность АЭС в условиях суточного регулирования электрическ
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   60

Система аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) повысит конкурентоспособность АЭС в условиях суточного регулирования электрических нагрузок


Сопленков К.И., Чаховский В.М., Воронин А.Л., ОАО «ВНИИАЭС»

Утвержденная в 2006 году Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года» предполагает масштабное строительство новых атомных энергоблоков, призванных заменить выбывающие мощности и удовлетворить непрерывный рост энергетических потребностей населения и хозяйства страны. Если до 2012 года в строй войдут строящиеся сейчас энергоблоки АЭС, то в 2011-2015 году планируется построить десять энергоблоков АЭС и начать строить столько же. В целях ускорения строительства атомных энергоблоков предусматривается их строительство по типовому проекту, получившему условное название «АЭС-2006». Именно такие темпы строительства новых энергоблоков необходимы, чтобы обеспечить рост доли ядерной генерации в производстве энергии.

Задача строительства новых энергоблоков и повышения доли атомной генерации актуальна также в связи с растущей степенью износа генерирующих мощностей, причем темпы старения оборудования электростанций опережают их обновление. Износ активной части фондов в электроэнергетике находится на уровне 60-65%. К настоящему времени доля оборудования на электростанциях, выработавшего свой ресурс, превысила 15% всех мощностей, которые по этой причине не могут привлекаться к работе в маневренных режимах. Ситуация усугубилась ещё и тем, что за последние 10 лет вводы мощностей сократились в 5 раз по сравнению с 1980-ми годами.

За последние годы неоднократно говорилось, что решение имеющихся энергетических проблем невозможно без использования атомной энергии. Применительно к нашей ситуации это означает, что в ближайшие 5-10 лет складывающееся состояние в электроэнергетике ведет к неизбежной постановке задачи по изысканию возможностей участия АЭС в регулировании нагрузки в ЕЭС России. Институт «Энергосетьпроект» прогнозирует, что покрытие переменной зоны графика электрических нагрузок в отдельных объединенных энергосистемах (ОЭС) невозможно будет обеспечить без участия АЭС, начиная с 2015 г.

Однако при увеличении роли АЭС в энергообеспечении возникает такая проблема, как регулирование подачи тепла в разное время суток – увеличение мощности в дневное время, когда работают промышленные предприятия и увеличено потребление электроэнергии населением и, соответственно, ночное время, когда потребности в энергии, и, соответственно, мощности, значительно снижаются. Обеспечить такое регулирование мощности технологически нетрудно для тепловых и гидроэлектростанций, однако произвольно менять мощность ядерного реактора значительно труднее. В принципе, есть два пути решения проблемы – либо создание АЭС с улучшенными маневренными характеристиками (позволяющими в определенных пределах менять мощность реактора в зависимости от потребностей в энергии), либо создание механизмов, позволяющих в ночное время, когда потребности в вырабатываемой энергии минимальны, запасать вырабатываемую тепловую тем, чтобы днем, когда энергетические потребности как промышленности, так и населения резко возрастут, выдавать запасенную энергию потребителям.

На АЭС решать эту задачу возможно одним из следующих способов:

- разработка специализированных высокоманевренных АЭС, допускающих изменение мощности энергоблока в широком диапазоне. Несомненно, что для этого потребуются многомиллиардные затраты. Важно, что использование специализированных маневренных АЭС ведет к снижению КИУМ и к росту упущенной выгоды от недовыработки электроэнергии;

- создание систем аккумулирования тепловой энергии (САТЭ), которые обеспечат возможность участия АЭС во всех видах регулирования электрической нагрузки (на действующих АЭС в пределах перегрузочного резерва турбогенератора, допустимого по ТУ), и с широким диапазоном изменения мощности, но на вновь проектируемых АЭС с ВВЭР-1000, в частности, на АЭС, сооружаемых в рамках проекта «АЭС-2006», а также на реакторных установках (РУ) нового поколения;

- возможно и третье направление, сочетающее два вышеотмеченных, но таким образом, что требуемый диапазон регулирования мощности достигается: с одной стороны, за счет частичного снижения мощности РУ, при котором существенно смягчаются условия работы тепловыделяющих элементов и РУ, а с другой, за счет накопления избыточной теплоты в САТЭ. В режиме выдачи пиковой мощности САТЭ выполняет двоякую роль, а именно, одновременно обеспечивает выдачу пиковой мощности и поддерживает безопасный режим выхода РУ на номинальную нагрузку.

Рассмотрим, для примера, первый вариант. В простейшем случае энергоблоки АЭС будут вынуждены разгружаться на ночь, а утром восстанавливать мощность до номинального уровня. Этот режим предстоит обосновывать для энергоблоков с ВВЭР-1000 со специализированными твэлами, допускающими ежесуточную разгрузку до 75-80% номинальной мощности. В этом случае число циклов нагрузка/разгрузка для основного оборудования троекратно возрастает и достигнет 900 за 1 год, а за 30 лет - не менее 27000 циклов. При этом для твэлов число циклов составит на уровне 2700-4500 (в зависимости от длительности кампании).

Предстоит провести комплекс работ по обоснованию допустимости такого количества циклов нагрузка/разгрузка для топлива и основного оборудования АЭС в зависимости от диапазона (амплитуды) изменения нагрузки.

При этом необходимо иметь в виду, что технологическим регламентом работа АЭС в маневренных режимах (в части регулирования суточного графика нагрузки) не предусмотрена и, более того, является экономически невыгодной для АЭС. Кроме того, следует иметь в виду, что работа АЭС в режиме маневрирования будет сопровождаться снижением КИУМ и, следовательно, уменьшением выработки электроэнергии. В этой связи тариф на электроэнергию по зонам суточного графика должен компенсировать возможные потери от недовыработки электроэнергии при работе АЭС в маневренных режимах.

С точки зрения технической реализации возможен следующий набор вариантов:

1) АЭС с улучшенными маневренными характеристиками;

2) Энергокомплексы АЭС + газотурбинная установка (ГТУ) или АЭС + парогазовая установка (ПГУ);

3) Энергокомплексы с аккумулированием энергии: АЭС+ГАЭС (гидроаккумулирующая станция) либо АЭС+САТЭ (система аккумулирования тепловой энергии).

Такие варианты, как создание энергокомплекса АЭС+ГТУ, АЭС+ПГУ или АЭС+ГАЭС не требует новых технических разработок и обосновывается исключительно экономической целесообразностью.

Сравнение вариантов участия АЭС в регулировании суточного графика электрических нагрузок указывает на относительно низкую эффективность вариантов АЭС с дооснащением их ГТУ или ПГУ. Срок окупаемости ГТУ, ПГУ превышает 20 лет по отношению к варианту АЭС со спецтвэлами.

Наиболее же экономически эффективным представляется вариант создания АЭС с системой аккумулирования тепловой энергии (САТЭ). Ее основные преимущества по сравнению с другими вариантами состоят в следующем: во-первых, АЭС в составе энергокомплекса АЭС+САТЭ эксплуатируется в стационарном (базовом) режиме. При этом коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) системы АЭС+САТЭ в маневренных режимах близок к значению КИУМ для АЭС, работающей в базовом режиме.

Дополнительные технические и потребительские качества энергокомплекса АЭС+САТЭ могут быть раскрыты и обоснованы при разработке технического проекта, например:

- участие в регулировании мощности при аварийном изменении частоты в энергосистеме;

- возможность оптимизации собственной нагрузки в суточном регулировании, исходя из экономической целесообразности, и т.п.

Аккумуляторы теплоты в энергетике используются достаточно давно. Их применение началось еще в начале ХХ столетия. Первая энергетическая пиковая турбинная установка с аккумулятором теплоты (АТ) была сооружена 1920 г. в Мальме (Швеция). Крупная система аккумулирования питательной воды была построена в 1920 г. в Мангейме (Германия), а в 1929 г. – энергоустановка мощностью 50 МВт (э) в г. Шарлоттенбурге, которая по прошествии более 50 лет, по-прежнему, несет круглосуточную службу пиковой и резервной станции в энергосистеме г. Берлина.

Фирма “Дженерал электрик” разработала САТЭ для ТЭС на сверхкритических параметрах с нагрузкой в базе 741 МВт (эл) и в часы “пик” 400МВт (эл). При этом используется водомасляные теплообменники в контуре САТЭ (косвенное аккумулирование).

Считается, что тепловое аккумулирование на АЭС еще более перспективно, чем на тепловых электростанциях, во-первых, по причине низкой топливной составляющей (ядерное топливо сравнительно недорого), во-вторых, по причине того, что высокие капитальные затраты на АЭС оправдывают применение аккумулирование энергии в большей мере, чем на ТЭС на органическом топливе.

С середины 1970-х годов существует повышенный интерес к теплоаккумулирующим системам, главным образом, в связи с необходимостью экономии и замены нефтепродуктов при выработке теплоты и электроэнергии. Наибольшее применение в энергетике получило аккумулирование питательной воды (прямое аккумулирование). При использовании базисных энергоустановок, работающих на угле и ядерном топливе, замена пиковых установок на САТЭ обеспечит, с одной стороны, экономию жидкого топлива и природного газа, с другой, рост КИУМ на АЭС и ТЭС на угле.

В России наибольшее применение аккумулирования тепловой энергии получило на ТЭЦ, главным образом, в крупных городах с развитой системой централизованного теплоснабжения. В основе применяются аккумуляторы теплоты атмосферного типа суммарной мощностью до 100 000 м3 для хранения горячей воды с температурой 950С.

Ставится задача найти технические решения и средства по обеспечению участия АЭС в регулировании нагрузки и определить при каких условиях экономически выгодно реализовать их на действующих и вновь проектируемых АЭС, включая и сооружаемые в рамках проекта «АЭС-2006».

Такая система разрабатывается во Всероссийском Научно-исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций (ОАО ВНИИАЭС) под руководством доктора технических наук В.М.Чаховского. В период 1981-83 гг. был выполнен проект АЭС+САТЭ с ВВЭР-1000. В тот период планировалось реализовать этот проект на Татарской АЭС, строительство которой в то время было начато. Однако после Чернобыльской аварии строительство Татарской АЭС было прекращено, и проект остался нереализованным. Однако теперь, когда на повестке дня стоит задача строительства новых атомных генерирующих мощностей для обеспечения растущих энергетических потребностей экономики страны, задача создания такой системы вновь стала актуальной.

Применение на АЭС систем аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) позволит решить следующие задачи:

- режимно-системные, в т.ч., покрытие пиковых и полупиковых нагрузок в любое время суток; прохождение ежесуточных снижений нагрузки (главным образом ночных провалов нагрузки); поддержание частоты в режимах общего первичного регулирования частоты;

- режимно-технологические, в т.ч., поддержание постоянной нагрузки ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ) с обеспечением выдачи пиковой мощности; снижение термоциклической усталости металла оборудования при работе энергоблока в режиме регулирования нагрузки; создание текущего и многочасового (суточно-недельного) резерва мощности; в условиях вынужденной глубокой разгрузки поддерживает безопасный режим выхода РУ на номинальную нагрузку;

- системно-экономические, в т.ч., повышение конкурентоспособности АЭС с САТЭ в условиях свободных цен на электроэнергию на оптовом рынке; повышенная прибыльность АЭС с САТЭ при работе в режиме регулирования мощности; обеспечение высоких значений КИУМ при работе АЭС в режиме отслеживания суточного графика электрических нагрузок (на уровне 0,8 и выше).

Применение САТЭ давно освоено в традиционной и нетрадиционной теплоэнергетике, они применяются на тепловых электростанциях РФ для покрытия пиковых тепловых и электрических нагрузок.

До настоящего времени АЭС эксплуатируются в базовом режиме. Это вызвано жесткими требованиями обеспечения надежной и безопасной работы АЭС и экономической целесообразностью (высокие удельные капиталовложения в АЭС и низкие топливные издержки предполагают обеспечение высоких значений КИУМ, что возможно при работе АЭС в базовом режиме).

Атомный энергоблок с САТЭ, участвуя в регулировании мощности и поддержании частоты, обеспечит:

- дополнительную выработку электроэнергии в пиковой и полупиковой зонах суточного графика электрических нагрузок, благодаря переброски запасаемой в ночное время дешевой избыточной энергии в аккумуляторе теплоты (АТ) и выдачи её по более дорогому тарифу в часы пиковой нагрузки;

- постоянную нагрузку ЯППУ в течение суток при участии энергоблока в регулировании нагрузки и КИУМ на уровне его значений в базовом режиме

В 2003-2004 годах во ВНИИАЭС проведены предварительные проработки по оценке эффективности новых решений по использованию САТЭ на АЭС с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1500, проведены исследования по обоснованию модернизированной САТЭ для АЭС с ВВЭР, разработана принципиальная тепловая схема подключения САТЭ к энергоблоку, произведен выбор основного оборудования и органического теплоносителя; определены маневренные характеристики САТЭ при участии АЭС в суточном регулировании мощности, получены экспертные оценки технико-экономического обоснования (ТЭО) проекта САТЭ, проведен анализ и выбор высокотемпературного теплоносителя (ВТТ) из числа применяемых в энергетике в качестве аккумулирующих сред (АМТ-300; миарол МТ-250; МТ-270), выполнены обоснование размеров и выбор баков-аккумуляторов, применяемых в энергетике, емкостью до 30000 м3, выполнено обоснование по использованию серийных теплообменных аппаратов (конструкции НПО ЦКТИ, изготовитель завод «Красный котельщик»).

24 ноября 2004 года в Росатоме состоялось совместное заседание секции №4 "Эксплуатация АЭС, продление их ресурса и снятие с эксплуатации" НТС №1 Росатома и НТС концерна "Росэнергоатом" с повесткой дня, посвященной внедрению системы аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) на действующих и вновь проектируемых АЭС в режимах регулирования суточного графика электрических нагрузок. С основным докладом выступил один из основных разработчиков САТЭ доктор технических наук В.М.Чаховский. На основе его доклада и была подготовлена настоящая статья.

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что в условиях дифференцированного суточного тарифа на электроэнергию энергокомплекс АЭС+ САТЭ будет обладать повышенной конкурентоспособностью в сравнении с традиционными электростанциями. Создание «маневренного» энергокомплекса АЭС+САТЭ может быть организовано как коммерческий проект с относительно низкой стоимостью установленной регулировочной мощности и сроком окупаемости не более 6 лет.