Основные технологии, применяемые для транспортировки тепловой энергии от атомных электростанций на предприятиях энергетической отрасли в РФ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Одно из приоритетных направлений развития экономики России - достижение максимальной энергоэффективности источников энергии. Основой рационального использования энергоресурсов является теплоснабжение на базе комбинированного производства тепловой и электрической энергии, т.е. теплофикация. Классическим решением теплофикации считается теплоснабжение от ТЭЦ, располагаемой, как правило, вблизи от потребителя тепловой энергии. Однако во многих случаях теплоснабжение оправдано и от удаленных ТЭЦ, и это расстояние тем дальше, чем дороже первичные энергоресурсы и больше объем передаваемой тепловой мощности. Передача тепла удаленным населенным пунктам позволяет также решить вопрос повышения эффективности действующих ГРЭС и АЭС.

В 80-х гг. ХХ в. вопрос дальнего транспорта тепловой энергии был проработан известными специалистами в области теплофикации: основоположником теплофикации Е.Я. Соколовым, Б.В. Яковлевым и многими другими. В работах этих авторов обоснована эффективность транспортировки тепловой энергии на расстояние 100-150 км (при соответствующих условиях).

Одним из подтверждений независимости от расстояния технической надежности системы теплоснабжения является 25-летний опыт эксплуатации тепломагистрали значительной протяженности (до 27 км) в г. Омске. Следующий этап освоения дальней передачи тепла начался со строительства в 1986 г. тепломагистрали протяженностью 45 км от Минской АЭС. К сожалению, после аварии на Чернобыльской АЭС было остановлено строительство Минской АЭС и этой тепломагистрали.

Поскольку актуальность вопроса не исчезает, в настоящее время строится тепломагистраль из г. Ангарска в г. Иркутск протяженностью около 30 км.

За рубежом дальнему теплоснабжению также уделяется особое внимание.

Современные предпосылки внедрения атомной теплофикации.

Одно из основных условий внедрения технологии транспорта тепловой энергии от дальних энергоисточников - комплексный подход к проектированию, т.е. разрабатываемая система теплоснабжения должна одновременно включать в свой состав:

- источники тепловой энергии;

- транзитные тепломагистралеи;

- пиковые источники и тепловые сети от них;

- теплопотребителей;

- схему развития городских водопроводных сетей;

- схему развития магистральных и распределительных газопроводов.

В сфере теплоснабжения инновационное решение любой системы складывается из совокупности новых технических решений по всем обозначенным составляющим системы. На этом основании выработаны дополнительные схемные решения транспорта тепловой энергии, позволяющие сократить затраты на транспорт тепла и повысить надежность системы. В результате обоснованность дальнего транспорта тепла сегодня определяется следующими предпосылками.

1. Технические предпосылки:

¦ широко внедрены в практику сильфонные компенсаторы, в 1,3 раза сокращающие металлоемкость и в 2 раза сопротивление теплосетей;

¦ сегодня широко используются пластинчатые теплообменники, торцевые уплотнения на насосах, АСУ ТП систем транспорта тепла, позволяющие повысить надежность системы;

¦ повсеместно используется современная полиуретановая изоляция трубопроводов, позволяющая в 1,3 раза сократить теплопотери;

¦ освоена работа систем передачи тепла по замкнутому контуру теплоснабжения через теплообменники установленной производительностью 700 Гкал/ч;

¦ освоено производство труб для тепломагис- тралей диаметром 1600 мм; теплофикация энергоэффективность трубопровод атомный

¦ разработано турбинное оборудование (КТ-1070-60/1500, КТ-450), позволяющее организовать отборы низкопотенциального тепла в относительно больших количествах и обеспечить коэффициент использования тепла (КИТ) атомной ТЭЦ не менее 80%;

¦ широко внедряются водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР), гарантирующие радиационную безопасность потребителей тепла.

2. Экономические предпосылки:

¦ в соответствии с различными прогнозами, относительно доступных запасов природного газа хватит только на 50-70 лет;

¦ стоимость природного газа растет опережающими темпами относительно всех материалов, используемых в строительстве теплопроводов;

¦ удельная металлоемкость газопроводов и энергозатраты для поставки газа в города на расстояния в 2-3 тыс. км превышают аналогичные показатели доставки эквивалентного тепла на расстояние 100 км от АЭС;

¦ наличие огромного объема базовых тепловых нагрузок существующих котельных, требующих перевода на источник комбинированной выработки энергии, существенно сокращает сроки окупаемости капитальных вложений;

¦ исключаются затраты на расширение и строительство новых теплоисточников, газовых хранилищ и резервных газопроводов;

¦ при появившейся возможности передачи значительных тепловых нагрузок, требующих использования больших диаметров транзитных трубопроводов, удельные затраты на металл снижаются в среднем на 25% по сравнению с трубопроводами меньших диаметров;

¦ на основании Киотского соглашения появилась возможность продажи квот на выброс парниковых газов от сокращения сжигания газа, что позволяет компенсировать до 25% затрат на строительство.

3. Экологические предпосылки:

¦ на 90% сокращаются выбросы оксидов азота и парниковых газов от сжигания газа в атмосферу для эквивалентных тепловых нагрузок;

¦ на 70% сокращается объем теплового загрязнения атмосферы от градирен;

¦ на 90% сокращаются сбросы продувочных вод из циркуляционных систем охлаждения АЭС.

Как видно из вышесказанного, в вопросе дальнего транспорта тепла произошли существенные изменения, а вот оценка целесообразности его внедрения осталась на уровне 80-х гг. ХХ в. и не отличается от методик, применяемых для источников с углеводородным топливом.

Теплофикация от АЭС должна рассматриваться по более глубоким и широким критериям. Нельзя, чтобы решение такого вопроса зависело от людей, не вооруженных всесторонне и объективно проработанными проектными материалами в современных условиях.

При комплексном подходе к оценке замещения природного газа ядерным топливом (за счет использования бросового тепла АЭС) в том или ином регионе целесообразность такого решения всегда будет очевидна.

Обоснование атомной теплофикации в Санкт-Петербурге.

Характерным примером обоснования атомной теплофикации является вариант теплоснабжения г. Санкт-Петербурга от Ленинградской АЭС-2 (ЛАЭС-2). Дополнительно к перечисленным выше аргументам в пользу транспорта тепла от АЭС предрасполагает ситуация по электробалансу, которая складывается в городе.

В связи с освоением парогазовых технологий удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении в настоящее время составляет 1,4 МВт/Гкал. Соответственно при интенсивном строительстве парогазовых установок (ПГУ) с целью повышения эффективности систем энергоснабжения, установленная электрическая мощность в 2025-2030 гг. на тепловом потреблении от углеводородных источников в г: Санкт-Петербурге может достичь 12 тыс. МВт. Завершение строительства ЛАЭС-2 в 2016 г. добавит еще 4 тыс. МВт. В то же время перспективные прогнозы необходимой электрической мощности для г. Санкт-Петербурга на 2025 г. составляют 9 тыс. МВт.

Очевидно, что при избытке дешевой электрической мощности в регионе и ее сбалансированности, стоимость электроэнергии от АЭС (с КИТ 35%) из-за неиспользования бросового тепла будет не конкурентоспособной.

В случае приращения указанной тепловой мощности для нужд города от АЭС показатель энергетической эффективности региона будет повышен на 0,14 МВт/Гкал. Приращения такой же мощности за счет мероприятий, предложенных в «Генеральной схеме теплоснабжения г. Санкт-Петербурга на период до 2015 г. с учетом перспективы до 2025 г.», позволят повысить показатель энергоэффективности всего лишь на 0,05 МВт/Гкал.

Действующая ЛАЭС и строительство новой ЛАЭС-2 дают возможность вместо сброса тепла в окружающую среду передать в качестве базовой нагрузки более 7000 Гкал/ч тепловой энергии потребителям г. Санкт-Петербурга. При этом будет сэкономлено около 5 млрд м3 природного газа.

Основываясь на перечисленных выше предпосылках, инициативная группа Невского филиала ОАО «ВНИПИэнергопром» выполнила «Технико-экономическое обоснование возможности создания системы теплоснабжения г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области от Ленинградской АЭС-2».

Выбранный регион характеризуется следующими факторами:

¦ относительно близкое расположение АЭС от крупного потребителя тепловой энергии - 70 км до границы города;

¦ 50% тепловой нагрузки г. Санкт-Петербурга (около 9000 Гкал/ч) и 100% тепловой нагрузки Ленинградской области обеспечивается котельными;

¦ объем потребности в тепловой энергии позволяет полезно использовать все бросовое тепло ЛАЭС-2, вытеснив на котельных базовую нагрузку;

¦ в связи со сжиганием больших объемов углеводородного топлива в городе, особенно в зимнее время, резко усугубляется экологическая обстановка;

¦ система теплоснабжения г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области монотопливная (на 99,5% источниках основным топливом является газ), что обуславливает низкую энергетическую безопасность.

Описание схемы.

В выбранной зоне теплоснабжения котельные переводятся в пиковый режим работы совместно с базовой теплофикационной мощностью 7240 Гкал/ч от четырех энергоблоков ЛАЭС-2. Присоединенная нагрузка потребителей котельных с учетом перспективы составляет 14620 Гкал/ч. Отбор тепла от турбин для теплоснабжения региона снизит электрическую мощность АЭС с 4680 до 3316 МВт. Для компенсации недовыработки электроэнергии предлагается заменить отработавшие свой ресурс паротурбинные энергоблоки ТЭЦ на ПГУ, или надстроить их газовыми турбинами.

Рассмотрим одну из четырех разработанных схем передачи тепловой энергии от АЭС.

Рис. 1

С целью снятия психологического барьера по причине протяженности, на схеме (см. рисунок 1) транзитная магистраль делится на два независимых контура (на схеме контур 3 и 4). В результате самый протяженный гидравлически связанный участок транзитной магистрали составляет около 40 км.

2-й контур АЭС с реакторами ВВЭР отделен от 1-го поверхностью нагрева и является не радиоактивным.

3-й контур - «теплофикационная установка АЭС - теплообменная станция» - исключает даже теоретическую возможность радиоактивности теплоносителя. При среднеотопительной температуре наружного воздуха и температурном графике транзитной тепломагистрали 175/15С для этого контура требуются четыре прямых тепломагистрали (диаметром 1400 мм) и четыре обратных (диаметром 1600 мм).

Этот контур обеспечивает оптимальную границу раздела ответственности (без промежуточных насосов) и снижает в 2 раза протяженность транзитных тепловых сетей.

4-й контур - «теплообменная станция - пиковая котельная, потребитель» - работает по температурному графику 165/5С. Для передачи тепла потребителям Санкт-Петербурга (с открытой системой теплоснабжения) по однотрубной схеме требуется три тепломагистрали (диаметром 1400 мм) с насосными станциями.

Теплоноситель 3-го контура через теплообменное оборудование передает тепловую энергию холодной воде питьевого качества, поступающей на теплообменную станцию из дополнительно построенного водозабора или магистральных водоводов г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Вода проходит деаэрацию, нагревается до 165С и по прямой тепломагистрали подпитывает контуры котельных, переводимых в пиковый режим, передавая при этом базовую тепловую мощность.

Выгоды от реализации такого проекта.

1. Для потребителя:

¦ снижение на 30% тарифов на тепловую энергию (только для потребителей, подключенным к пиковым котельным системы теплоснабжения на базе ЛАЭС-2, после окончания срока окупаемости проекта);

¦ улучшение экологической обстановки (в 10 раз снижается выброс пара и продувочной воды из градирен ЛАЭС-2, парниковых и токсичных газов от котельных города).

2. Для Правительства г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области:

¦ повышается надежность системы теплоснабжения за счет появления второго источника тепловой энергии. На существующих котельных замещаемая базовая мощность остается в резерве. Снижается зависимость региона от газа на 5 млрд. м3. ежегодно;

¦ без дополнительных затрат перераспределяются высвободившиеся объемы природного газа (с учетом развития региона);

¦ сокращаются капитальные вложения в перспективные теплоисточники.

3. Для ГК «Росатом»:

¦ повышение более чем в 2 раза КИТ АЭС и увеличение объема реализации энергии;

¦ снижение негативного влияния АЭС на окружающую среду;

¦ обеспечивается конкурентоспособность на рынках тепловой и электрической энергии.

4. Для ОАО «Газпром»:

¦ нет необходимости на высвобождаемый объем природного газа разрабатывать месторождения и строить дополнительные мощности газопроводов;

¦ сохраняются запасы газа или появляется возможность увеличить отпуск газа на внешний рынок.

Проведенный экономический анализ планируемого развития энергетики региона, учитывающий все дополнительные капиталовложения в системы топливоснабжения, систем теплоснабжения, генерации и распределения энергии, показал, что предлагаемая система по инвестиционным издержкам в два раза, а по эксплуатационным затратам в пять раз дешевле.

Даже без учета исключаемых затрат система передачи тепловой энергии от ЛАЭС-2 до пиковых котельных города стоимостью около 57 млрд. руб. при принятых условиях окупится за 6,7 лет.

Предварительная реакция заинтересованных ведомств.

Понимая важность вопроса и необходимость дальнейшего участия в его решении широкого круга специалистов, предложение на различных стадиях проработки было направлено для рассмотрения в заинтересованные ведомства. Ниже приведена хронология обращений и суть ответов.

В апреле 2008 г предложение направлено на имя губернатора г Санкт-Петербурга. Ответ получен от Комитета по энергетике и инженерному обеспечению Правительства г Санкт-Петербурга, его суть: технически реализация возможна, но нецелесообразна, т.к. в предложении имеется ряд неточностей, связанных с поверхностной проработкой; влияние энергетики на экологию не велико. Получаемый государственный интерес от внедрения проекта Комитетом по энергетике и инженерному обеспечению не рассматривался.

Предварительные проработки были направлено также в ОАО «Атомэнергопром» (март 2009 г) и ГК «Росатом» (январь 2010 г).

Суть ответов: технически реализация возможна, требует более глубокой проработки; реализация проекта нецелесообразна, т.к. первая очередь ЛАЭС-2 в стадии строительства, утверждаемые сегодня тарифы на отпуск тепла от АЭС нам не выгодны. Получаемый государственный интерес и возможность теплоснабжения от второй очереди ЛАЭС-2 при внедрении проекта также не рассматривались.

В ноябре 2009 г предложение было направлено в ОАО «Газпром». В ответ была получена копия ответа Комитета по энергетике и инженерному обеспечению Правительства г Санкт-Петербурга.

На некоторые обращения в прочие организации ответы так и не были получены.

Имеющаяся информация наглядно показывает фактическое отсутствие заинтересованности различных собственников и государственных структур в экономии топливных ресурсов, улучшении экологической обстановки и снижении тарифов на энергию.

Анализ возможности теплоснабжения от существующих и планируемых АЭС. Руководствуясь наработанным опытом создания системы теплоснабжения и полученными технико-экономическими удельными показателями от других авторов, проведен укрупненный расчет, показывающий обоснованность передачи базового тепла в пиковые котельные городов на расстояние до 130 км.

В целях привязки такой возможности к строящимся и планируемым АЭС, проведен укрупненный анализ нагрузок 35 больших и малых городов, расположенных от теплоисточников на расстоянии до 130 км. При этом учитывались следующие допущения:

¦ расчет тепловых нагрузок определен по удельным показателям и численности населения;

¦ исключение (замещение) до 50% комбинированной выработки тепла в городах от местных ТЭЦ;

¦ передача только базового тепла и только для существующих котельных;

¦ по карте принималось кратчайшее расстояние от источника до города;

¦ использовано предложение по разделению протяженности транзитной тепломагистрали на два гидравлически независимых контура.

Результаты расчета по каждой АЭС отражены в таблице, из которой видно, что в случае подвода бросового тепла от АЭС к потребителям в радиусе 130 км, даже за вычетом 50%-й погрешности, возможна суммарная экономия около 28 млн. т у.т.

Табл. 1

Более подробная проработка задачи дальнего транспорта тепловой энергии от АЭС для определения конкретных значений размеров капитальных вложений и сроков окупаемости проектов возможна при объединении желаний и усилий регионов совместно с ГК «Росатом» или создании целевой Федеральной программы.

В целом по России, на основе имеющихся данных, экономия топлива за счет перевода существующей базовой нагрузки котельных на АЭС, ГРЭС и ТЭЦ может составить около 30% сжигаемого сегодня топлива. Для осуществления таких проектов необходимы законодательные документы по следующим вопросам:

¦ внедрение повсеместно количественного показателя региональной энергоэффективности;

¦ определение государственной структуры, имеющей обязанности контроля и организации независимой экспертизы технических обоснований (предложений) нового строительства и реконструкции, направленных на повышение энергоэффективности преобразования природных ресурсов в энергию в соответствии с показателем энергоэффективности;

¦ определение государственной структуры, имеющей право организации работ разных ведомств и собственников для реализации проектов, обеспечивающих общегосударственные интересы;

¦ оформление госзаказов на выполнение обоснования передачи тепловой мощности на котельные во всех регионах, расположенных на экономически обоснованном расстоянии от электрогенерирующих источников разных видов, имеющих потенциальную тепловую базовую мощность;

¦ при обосновании целесообразности реконструкции перевода в пиковый режим котельных, собственники котельных и базовых источников обязаны участвовать в проекте, если не могут представить альтернативный по энергоэффективности вариант;

¦ лимиты высвобождаемого газа должны оставаться в распоряжении региона или инициаторов реконструкции, либо учитываться, компенсирующим затраты, фактором;

¦ выручка после возврата инвестиций должна использоваться администрацией региона на сдерживание роста тарифов;

¦ показатели эффективности АЭС на стадии выбора площадки строительства должны формироваться на основе не только схем электроснабжения, но и схем теплоснабжения регионов. Для действующих АЭС такие разработки должны выполняться уже сейчас;

¦ тарифы на тепловую энергию от АЭС должны формироваться исходя из сохранения объема реализации не меньше, чем при выработке только электроэнергии в конденсационном режиме, с учетом дополнительных затрат, связанных с отпуском тепла.

Размещено на Allbest.ru