Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атомные станции малой мощности для населенных пунктов в удаленных труднодоступных регионах России. Как осуществлять теплоснабжение потребителей - транспортировкой нагретого теплоносителя или электроотоплением?

А.Н Давыдов

ЗАО “Независимые электростанции”

Москва, Россия

Аннотация

Проведен анализ состояния энергоснабжения населенных пунктов в удаленных труднодоступных регионах России с целью привязки к конкретным регионам возможности использования в качестве энергоисточников атомных станций малой мощности (АСММ). Показано, что проблемы электро- и теплоснабжения в достаточно широком масштабе (на нескольких десятках типовых объектов в регионах Арктического Севера) могут быть эффективно решены с помощью размещения унифицированных АСММ нового поколения типа “Унитерм”. Потребная мощность порядка 1-10 МВт и рассредоточенный характер типичных для этих регионов групп потребителей определяют как более предпочтительную технологию теплоснабжения электроотоплением, а не транспортировкой нагретого теплоносителя. При этом увеличивается возможное расстояние между источником и потребителем, охватывается больший ареал проживания населения, существенно возрастает эффективность и надежность теплоснабжения, упрощается состав и регулировка работаю-щей в конденсационном режиме паротурбинной энергоустановки.

1. Проблемы теплоснабжения

Проведенный анализ существующих и перспективных потребителей электрической и тепловой энергии в российских регионах Арктического Севера и приравненных к ним регионах - Ненецком, Ямало-Ненецком и Таймырском (Долгано-Ненецком) автономных округах, республике Саха (Якутия), Магаданской области, Камчатской области и Хабаровском крае показал, что на этих территориях электрификация потребителей локальна, осуществляется за счет электростанций на органическом топливе, доставка которого связана с дорогостоящим зимним завозом, общие электрические сети и газификация отсутствуют. Теплофикация и имеющиеся в крупных населенных пунктах тепловые сети от ТЭЦ в силу рассредоточенности потребителей не охватывают полностью жилой сектор, требуют постоянного внимания и обслуживания. Теплоснабжение осуществляется децентрализованно преимущественно за счет небольших котельных и печного отопления при остром дефиците топлива. У большинства расположенных в этих регионах населенных пунктов и предприятий потребности в электроэнергии ограничены и лежат в диапазоне 1-10 МВт, лишь в единичных случаях поднимаясь до 20 МВт.

Основной функцией энергоустановок, расположенных в регионах с экстремально холодным климатом, должно являться теплоснабжение потребителей. В варианте организации теплоснабжения с помощью транспортировки нагретой воды расстоя-ние между источником тепла и потребителем ограничено длиной теплотрассы.

В таблице 1 на основе данных (Нормативы 1974) приведены основные параметры и минимальная стоимость работ по прокладке теплотрасс для источников тепла малой мощности. Прокладка наземная, компенсаторы П-образные, толщина изоляции - 40 мм. Сметная стоимость дана без учета накладных расходов и плановых накоплений. В соответствии с нормативами Госстроя России, учтены только работы по теплотрассе, а работы по строительству опор не учитываются.

Таблица 1. Основные параметры и минимальная стоимость работ по прокладке теплотрасс

Диаметр труб, мм	Мощ-ность, Гкал/час	Параметры теплоносителя	Базовая стоимость работ* Бс, руб/м	Cтоимость материалов труб и изоляции, М, руб/м.	Макс. расстояние транспор-тировки тепла**, м	Стоимость тепло-трассы***, Ст,руб./м
50	0,1	0,6 МПа, 115°C	4,74	81,0	до 800	365,4
70	0,2		5,49	144,0		473,4
80	0,4		6,08	252,0		616,8
100	0,6		6,80	378,0		786,0
125	1,2		8,60	410,0		926,0
150	2,0		10,65	504,0		1143,0
50	0,3	1,6 МПа, 180°С	6,17	81,0	до 1200	451,2
70	0,8		6,81	144,0		552,6
80	1,3		7,48	252,0		700,8
100	2,2		9,16	378,0		927,6
125	3,9		11,60	410,0		1106,0
150	6,5		13,90	504,0		1338,0
100	3,0	1,6 МПа, 300°С	16,75	436,0	до 2000	1441,0
150	8,4		19,20	607,0		1759,0

^* Базовая стоимость приведена в ценах 1984 г.

^** Максимальное расстояние транспортировки тепла (эмпирический показатель, приня-тый при проектировании теплотрасс) зависит от передаваемой тепловой мощности и параметров теплоносителя. На расстояниях, превышающих этот показатель, работа тепловой сети становится неэффективной по условиям тепловых и гидравлических потерь в трубопроводах. Так, при температуре воды в диапазоне 115-300°С и избыточном давлении 0,6-1,6 МПа для мощности 100 кВт это расстояние составляет 800 м, а для 10 МВт - 2000 м.

^*** Формула для расчета стоимости теплотрассы: С_т = Б_с К_р К_ц + М, где К_р - районный коэффициент места прокладки (в зависимости от региона изменяется от 1 до 2) и местный коэффициент провода цен К_ц с 1984 г. (например, в Санкт-Петербурге он равен 60, в Республике Саха (Якутия) и в Республике Коми - 50). В таблице для оценки минимальных затрат принято К_р = 1,0 и К_ц = 60.

Учитываются следующие работы:

укладка труб, установка компенсаторов и арматуры, установка отводов подвиж-ных и неподвижных опор, спускников с задвижками, воздушников, врезка штуцеров для ответвлений и перемычек, контроль качества сварных швов, гидравлическое испытание и трехкратная промывка трубопроводов;

очистка поверхностей от ржавчины, защита наружной поверхности труб и компенсаторов от коррозии;

установка тепловой изоляции и защитного покрытия из оцинкованной тонколис-товой кровельной стали на изолированной поверхности трубопровода.

Реальный характер расположения по территории потребителей тепла в рассматриваемых регионах - преимущественно рассредоточенный, расстояния между входящими в группу потребителей объектов в значительном числе случаев превышают максимально допустимые расстояния транспортировки тепла.

Даже тогда, когда эти расстояния не превышают максимально допустимых, опыт их строительства и эксплуатации показывает, что в случае использования АСММ сочетание высокой стоимости и низкой надежности теплотрасс делает технологию теплоснабжения с помощью транспортировки нагретого теплоносителя менее рациональной и эффективной, чем электроотопление.

Сравнение экономических показателей двух систем теплоснабжения (нагретым теплоносителем и электроотоплением) должно производиться, как будет показано ниже, при условии одинаковой надежности транспортировки энергии от источника к потребителю. Это предполагает резервирование теплотрасс и поддержание их в рабочем состоянии в течение отопительного сезона, что приводит к значительному удорожанию варианта с теплотрассой по сравнению с линией электропередачи.

Проведенный с использованием стоимостных показателей, приведенных в таблице 1, технико-экономический анализ ряда выбранных типичных объектов показал, что снабжать теплом группы мелких рассредоточенных потребителей, легко объединяемых электросетью, но расположенных на расстояниях от энергоисточника, больших, чем максимальное расстояние транспортировки тепла, с помощью уста-новки индивидуальных источников тепла с соответствующим запасом привозного топлива также технологически нерационально и экономически неэффективно.

Для таких групп потребителей наиболее рациональным и эффективным теплоснабжением может оказаться электроотопление, а источником электроэнергии - АСММ. Потребителя энергии с производителем связывает не тепловая сеть и линия электропередачи, а только линия электропередачи, поэтому энергоустановку можно располагать на большем удалении от потребителя, что потенциально определяет возможность создания локальных электрических сетей на базе нескольких АСММ для энергоснабжения групп распределенных потребителей.

Приведенные выше довыды в пользу электроотопления могут показаться “крамольными”. Принято считать электроэнергию дорогой, а тепловую энергию дешевой. По нормативно установленному в течение многих десятилетий “физичес-кому” методу при расчете себестоимости электроэнергии и тепла, производимых на электростанциях с комбинированной выработкой, основные затраты относятся на электроэнергию. При этом полученные величины себестоимости являлись (и в значительной степени до сих пор являются) обоснованием для установления тарифов на электроэнергию и тепло.

На наш взгляд, для удаленных труднодоступных регионов Крайнего Севера, где отсутствует развитая инфраструктура, включая электрические и тепловые сети, а электро- и теплоснабжение носят изолированный и локальный характер, расчеты в обоснование устанавливаемых тарифов не могут использоваться для сопоставления экономической эффективности разных технологий энергоснабжения.

Наиболее приемлемым, по нашему мнению, является подход, разработанный в Институте систем энергетики СО РАН (Клер 2000; Kler 2002), который можно рекомендовать для сопоставительных расчетов энергообеспечения конкретных потребителей. В несколько упрощенном виде этот подход состоит в следующем. Сопоставление экономической эффективности производится по цене энергии у конечных потребителей для сравниваемых систем при одинаковом энергетическом эффекте у потребителей, то есть при одинаковой мощности, числе часов ее использования и надежности. Эта цена принимается в качестве критерия экономической эффективности варианта (чем дешевле энергия при одинаковом значении нормы возврата капитальных вложений, тем эффективнее система). Такие расчеты необходимо проводить при разработке конкретных технико-инвестици-онных предложений энергообеспечения потребителей.

Отсутствие необходимости максимального приближения АСММ к пользователям при электроотоплении повышает в экстраординарных ситуациях радиационную безопасность их применения.

2. Ядерный энергоисточник

В качестве основного источника энергии для АСММ предлагаются реакторные установки (РУ) типа “Унитерм”. Соответствуя по терминологии ASME четвертому поколению реакторов, они отвечают самым современным требованиям по безопасности, надежности, экологической чистоте, условиям нераспространения ядерного оружия. Изготовленные и испытанные полностью в заводских условиях, привезенные на место эксплуатации крупными блоками и смонтированные за короткий строительный сезон, они в течение всего срока службы (20-25 лет) не требуют перегрузки активной зоны, а по окончании его эвакуируются, оставляя после себя “зеленую лужайку”.

На рис. 1 представлен общий вид реакторной установки АСММ “Унитерм” наземного исполнения, которая может стать основой типоряда электростанций для энергоснабжения в удаленных труднодоступных регионах России. В зависимости от запросов потребителей, исполнение реакторной установки и паротурбинного энергоблока станции может быть различным. энергоснабжение атомный удаленный регион

Концепция создания РУ “Унитерм” основана на нескольких основных положениях:

РУ предназначена для использования в удаленных труднодоступных регионах, не имеющих развитой инфраструктуры. Поэтому она спроектирована так, что не требует для работы квалифицированного оперативного персонала, удержание которого на постоянной основе в подобных условиях затруднительно. Подразу-мевается, что РУ планово или экстренно профессионально обслуживается из регионального центра, единого для нескольких АСММ.

Для повышения надежности в РУ не используется постоянно действующая автоматика, работа которой связана с сопутствующими ей отказами. Регулирование мощности, отслеживающей нагрузку АСММ, производится за счет саморегулирования активной зоны. РУ не имеет оперативной арматуры и побудителей циркуляции в контурах. Все управление ею в штатных и аварийных условиях пассивно и основано на естественных процессах.

Для повышения безопасности персонала АСММ в РУ использована трех-контурная схема передачи мощности от активной зоны к потребителям тепловой энергии (турбогенераторной и другим установкам и устройствам, если они есть).

В РУ используются полностью пассивные системы безопасности (аварийная защита активной зоны, постоянно действующая автономная система отвода мощности, обеспечивающая расхолаживание установки в аварийных ситуациях и горячий резерв при кратковременных ремонтных работах на АС, требующих прекращения отбора мощности от РУ). Аккумуляторные батареи РУ обеспе-чивают работу СУЗ и КИП установки в течение 72 часов с переводом ее в режим горячего резерва при полном обесточивании АСММ.

Кампания активной зоны, равная ресурсу РУ, повышает безопасность, устраняя потенциально опасные работы, связанные с перегрузкой активной зоны на площадке АС, и обеспечивает условия нераспространения ядерных материалов.



Рис. 1. Реакторная установка.

1 - бак железоводной защиты, 2 - баллоны хранения газообразных радиоактивных отходов, 3 - система подачи жидкого поглотителя, 4 - теплообменник системы расхолаживания, 5 - оболочка противоударной защиты, 6 - защитная оболочка, 7 - реактор, 8 - блоки биологической защиты, 9 - агрегат электронасосный, 10 - хранилище жидких и твердых радиоактивных отходов, 11 - фундамент.

Интегральный реактор и все гидравлически связанное с ним оборудование размещено в прочно-плотном контейменте, пассивно локализующим внутри себя все последствия аварии типа LOCA.

Чтобы исключить зависимость АСММ от наличия незамерзающего водоема, в РУ предусмотрена воздухоохлаждаемая система автономного отвода мощности, а в ТГУ - сухая градирня.

Модульная конструкция позволяет обеспечить серийное производство РУ, ее заводской монтаж и испытания, что приводит к повышению качества и снижению стоимости изготовления, обеспечивает возможность транспортировки готового изделия с минимумом монтажных и строительных работ на месте при наземном, наплавном или плавучем исполнении станции.

В общем случае АСММ “Унитерм” предназначена для комбинированной выработки электрической энергии, технологического и бытового тепла, опреснения соленой воды. Конкретные требования сказываются на параметрах генерируемого РУ пара, конструкции РУ и составе оборудования АСММ.

При получении тепловой энергии (генерация электроэнергии подразумевается во всех случаях) целесообразно использование турбин с противодавлением. Это повышает общий к.п.д. станции, хотя последний не может служить самоцелью, ибо топливная составляющая не определяет стоимости энергии.

В энергоблоке конденсационный режим реализуется удалением из состава оборудования агрегатов для производства тепла. При этом весь пар из реакторной установки поступает на вход турбины, а регулировка энергоблока осуществляется не по двум вырабатываемым продуктам - теплу и электроэнергии, а только по электроэнергии. Очевидно, что при этом упрощается состав оборудования, система управления техническими средствами и регулировка энергоблока.

Выводы

В рамках приводимого обобщенного анализа нельзя делать категоричных выво-дов о приемлемости того или иного варианта энергоснабжения для указанных регионов с помощью таких энергоисточников, как АСММ. Однако при разработке технико-инвестиционных предложений для конкретных потребителей, учитывая несомненные преимущества электроотопления, необходимо принимать его как вариант для сопоставления.

Хладостойкость линий электропередачи и возможность их дублирования увели-чивают надежность энергоснабжения и обеспечивают безопасность населения, проживающего в экстремально холодных условиях. Отсутствие необходимости максимального приближения АСММ к пользователям при электроотоплении повы-шает в экстраординарных ситуациях радиационную безопасность их применения.

Кроме технико-экономических, технологических доводов, а также надежности и безопасности в пользу теплоснабжения потребителей электроотоплением от АСММ можно отметить некоторые его психологические преимущества. Так, для потребителя более приемлемым представляется ситуация, когда он обеспечи-вается теплом не “водой из реактора” (пусть даже через несколько контуров теплообменников), а привычной электроэнергией.

Такая постановка задачи энергоснабжения унифицирует проблему создания источников энергии, вводя единственный параметр, характеризующий местные условия, - мощность. В этом случае резервные источники, предназначенные для покрытия пиковых нагрузок или энергоснабжения в аварийных ситуациях, будут также однородны по своему составу и динамичны по вводу в действие.

Выполненные проработки для атомных станций малой мощности типа “Унитерм” показывают, что возможно создание модульных конструкций необслуживаемых реакторных, турбогенераторных, конденсатно-питательных установок, целиком изготавливаемых на машиностроительных заводах, транспортируемых в готовом виде на место эксплуатации и монтируемых в минимальные сроки. Отсутствие теплофикационного блока упрощает схему, конструкцию, строительную часть и управление АСММ. Воздухоохлаждаемые конденсаторы турбин и систем безопасности обеспечивают независимость станций от водных ресурсов региона. Серийное производство модулей минимизирует их стоимость и сделает себесто-имость энергии, особенно в условиях труднодоступных регионов, сопоставимой с показателями источников, работающих на углеводородном топливе.

Параметры, достижимые в легководных реакторах, позволяют получать пар с кондициями, обеспечивающими получение среднего значения к.п.д. АСММ в диапазоне используемых мощностей около 25%. Срок службы реакторного модуля без перегрузки активной зоны составит 20-25 лет, ресурс турбогенера-тора до заводского ремонта - 10-12 лет.

Литература

Нормативы, 1974 “Нормативы удельных капитальных вложений строительства тепло-магистралей” (С последующими добавлениями и уточнениями до 2002 г.) (Минэнерго)

Kler A M, Potanina Yu M, 2002 “Technical and economic studies on optimization of perspective fossil thermal power plants” Proceedings of International Conference “Energy Cooperation in Northeast Asia: Prerequisites, Condition, Ways”, 9-13 September 2002, Irkutsk, Russia (Irkutsk: Energy Systems Institute) 266-278

Клер A M, Санеев Б Г, Соколов А Д, Тюрина Э А, 2000 “Перспективы развития новых технологий производств и транспорта энергии” В кн. Беляев Л С, Санеев Б Г, Филиппов С П и др «Системные исследования проблем энергетики» под ред. Воропая Н И (Новосибирск: Наука) 135-144

Размещено на Allbest.ru