Союз ТЭС и АЭС
Святой Грааль мировой энергетики — источник энергии, который не наносил бы вреда экологии и в то же время был высокоэффективным. Ни современные АЭС, ни ТЭС по отдельности не обладают такими качествами. Профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского федерального университета Сергей Щеклеин анализирует возможности синергетического использования ТЭС и АЭС и создания гибридной АТЭС.
Биография эксперта
Сергей Евгеньевич Щеклеин родился в Свердловске в 1950 году. Окончил теплоэнергетический факультет Уральского политехнического института им. С. М. Кирова (УПИ) по специальности «Атомные электростанции и установки». Работал в отделе физико-технических проблем энергетики Уральского научного центра АН СССР.
В 1977 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук. С 1977 по 1991 год работал в УПИ ассистентом, доцентом. В 1987 году был избран на должность заведующего кафедрой «Атомная энергетика» Уральского государственного технического университета (сейчас — УрФУ). В 1992 году получил ученое звание профессора.
Сергей Евгеньевич — эксперт в области атомных электростанций, возобновляемых источников энергии и энергосбережения. Автор более 500 научных работ, в том числе 11 монографий и учебников, 160 статей, опубликованных в рецензируемых научных журналах, более 70 патентов на изобретения. Основатель научного направления «Активное управление характеристиками гидродинамики и теплопереноса в двухфазных паро-пленочных течениях».
Профессор, доктор технических наук, заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
В 1977 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук. С 1977 по 1991 год работал в УПИ ассистентом, доцентом. В 1987 году был избран на должность заведующего кафедрой «Атомная энергетика» Уральского государственного технического университета (сейчас — УрФУ). В 1992 году получил ученое звание профессора.
Сергей Евгеньевич — эксперт в области атомных электростанций, возобновляемых источников энергии и энергосбережения. Автор более 500 научных работ, в том числе 11 монографий и учебников, 160 статей, опубликованных в рецензируемых научных журналах, более 70 патентов на изобретения. Основатель научного направления «Активное управление характеристиками гидродинамики и теплопереноса в двухфазных паро-пленочных течениях».
Профессор, доктор технических наук, заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
Сегодня проблемы снижения влияния энергетики на биосферу и минимизации углеродного следа в энергетическом секторе чрезвычайно актуальны. Ряд стран приняли экономические меры и проводят жесткую политику отказа от наиболее углеродоемких видов энергетического производства.
Рис. 1. Эмиссия эквивалента СО2 на жизненном цикле по видам генерации, г/кВт·ч
В то же время непрерывно возрастающие потребности человечества в энергии, удовлетворяющиеся сегодня более чем на 80% тепловыми электростанциями, работающими на ископаемом топливе, приводят к обострению вопроса о климатическом влиянии энергопроизводства.
Для преодоления данного противоречия ищутся политические и экономические способы ограничения и регулирования выбросов СО2, создаются новые методы улавливания и консервации СО2, замыкания углеродного цикла путем преобразования СО2 в метанол, развиваются атомные и возобновляемые источники энергии, совершенствуются технологии использования углеводородных топлив в энергетике путем повышения термодинамической эффективности ТЭС.
Уже получены ощутимые результаты. Так, повышение термодинамических параметров рабочих тел паровых турбин до суперсверхкритических значений, создание паро-газовых технологических схем ТЭС привели к значительному росту КПД, снижению удельных расходов топлива и выброса продуктов сгорания в атмосферу более чем в 1,5 раза.
Однако сам принцип получения тепловой энергии из углеводородов с использованием окислительной реакции горения является основой для возникновения продуктов сгорания. Например, при использовании наилучшего с точки зрения экологии топлива — природного газа — объемы продуктов сгорания составляют более 11 м3.
Один из путей радикального снижения влияния энергопроизводства на окружающую среду — использование атомных электростанций. Однако хорошо освоенный и нашедший широкое применение в атомной энергетике мира тип АЭС с реакторами на тепловых нейтронах с легководным теплоносителем имеет существенные физические и термодинамические ограничения, не позволяющие получить КПД выше 30−35%. В то же время современные проекты тепловой энергетики позволяют достигать КПД ТЭС до 50−60%. Низкий КПД АЭС приводит к высокому уровню выбросов тепла и паров воды в биосферу, что, так же как и парниковые газы, усугубляет эффекты климатических изменений.
Рассмотрим теоретическую возможность создания гибридной атомно-тепловой электростанции (АТЭС), оказывающей минимальное воздействие на окружающую среду (см. Рис. 2).
Для преодоления данного противоречия ищутся политические и экономические способы ограничения и регулирования выбросов СО2, создаются новые методы улавливания и консервации СО2, замыкания углеродного цикла путем преобразования СО2 в метанол, развиваются атомные и возобновляемые источники энергии, совершенствуются технологии использования углеводородных топлив в энергетике путем повышения термодинамической эффективности ТЭС.
Уже получены ощутимые результаты. Так, повышение термодинамических параметров рабочих тел паровых турбин до суперсверхкритических значений, создание паро-газовых технологических схем ТЭС привели к значительному росту КПД, снижению удельных расходов топлива и выброса продуктов сгорания в атмосферу более чем в 1,5 раза.
Однако сам принцип получения тепловой энергии из углеводородов с использованием окислительной реакции горения является основой для возникновения продуктов сгорания. Например, при использовании наилучшего с точки зрения экологии топлива — природного газа — объемы продуктов сгорания составляют более 11 м3.
Один из путей радикального снижения влияния энергопроизводства на окружающую среду — использование атомных электростанций. Однако хорошо освоенный и нашедший широкое применение в атомной энергетике мира тип АЭС с реакторами на тепловых нейтронах с легководным теплоносителем имеет существенные физические и термодинамические ограничения, не позволяющие получить КПД выше 30−35%. В то же время современные проекты тепловой энергетики позволяют достигать КПД ТЭС до 50−60%. Низкий КПД АЭС приводит к высокому уровню выбросов тепла и паров воды в биосферу, что, так же как и парниковые газы, усугубляет эффекты климатических изменений.
Рассмотрим теоретическую возможность создания гибридной атомно-тепловой электростанции (АТЭС), оказывающей минимальное воздействие на окружающую среду (см. Рис. 2).
Рис. 2. Концептуальная схема атомно-тепловой электростанции
В этой схеме ядерная паропроизводящая установка (ЯППУ) АЭС, включающая реактор, парогенератор и другое оборудование первого контура, генерирует насыщенный пар, который далее поступает в котел-пароперегреватель, обогреваемый органическим топливом. Способ повышения КПД цикла путем перегрева пара, успешно использованный на кипящих реакторах канального типа АМБ (Россия) и корпусного типа «Гроссвальцгейм» (ФРГ), не получил дальнейшего развития, главным образом из-за необходимости применять высокотемпературные стали, снижающие эффективность использования уранового топлива в реакторах на тепловых нейтронах. Применение неядерного огневого перегрева пара в 1960—1970-х годах на АЭС «Индиан-Пойнт‑1», «Элк-Ривер» (США), «Линген» (ФРГ) было вынужденной мерой борьбы с большой влажностью пара в турбинах, вызывающей трудности при их эксплуатации вследствие низких начальных параметров генерируемого пара.
Уровень термодинамических параметров пара современных АЭС существенно выше, как и экологические требования к современным ТЭС. В связи с этим возникает интерес к анализу возможностей синергетического использования ТЭС и АЭС.
Уровень термодинамических параметров пара современных АЭС существенно выше, как и экологические требования к современным ТЭС. В связи с этим возникает интерес к анализу возможностей синергетического использования ТЭС и АЭС.
Подробности
В данной работе при помощи пакета United Cycle выполнен анализ эффективности экологического воздействия гибридной атомно-тепловой электростанции на базе ЯППУ российского проекта АЭС с реактором ВВЭР‑1200.
Выполнено моделирование трех вариантов АТЭС:
- Проектный цикл К‑1200−6,8/50 для АЭС с реактором ВВЭР‑1200.
- Цикл с начальным перегревом и одной ступенью промперегрева.
- Цикл с компрессией, перегревом и двумя ступенями промперегрева.
Первый вариант основан на принятых проектных решениях с использованием паровой турбины, работающей на насыщенном паре, генерируемом в парогенераторе АЭС.
Второй вариант предполагает использование огневого перегрева насыщенного пара (за счет газового топлива) без изменения давления пара в котле-пароперегревателе и в промежуточном пароперегревателе.
Третий вариант предполагает компрессию и огневой перегрев пара до уровня суперсверхкритических параметров, достигнутого в современной тепловой энергетике (30 МПа, 650 °С) с двумя ступенями промежуточного перегрева.
Результаты расчетов приведены в Табл. 1.
Таблица 1. Интегральные характеристики результатов расчета
Рис. 3. Сравнительные характеристики базового и модифицированных вариантов АТЭС
На Рис. 3 приведены характеристики базового (ВВЭР‑1200) и модифицированных вариантов АТЭС на основе базового варианта.
Из приведенных данных следует, что использование насыщенного пара, производимого ЯППУ, для дальнейшего перегрева органическим топливом позволяет значительно повысить электрическую мощность и КПД комплекса при существенном снижении удельного расхода органического топлива.
Для сравнения приведем характеристики Пермской ГРЭС, имеющей электрическую мощность 2400 МВт, с турбинами К‑800−240−5 на сверхкритические параметры пара (ТЭС СКП), основное и резервное топливо которой — природный газ (см. Табл. 2).
Из приведенных данных следует, что использование насыщенного пара, производимого ЯППУ, для дальнейшего перегрева органическим топливом позволяет значительно повысить электрическую мощность и КПД комплекса при существенном снижении удельного расхода органического топлива.
Для сравнения приведем характеристики Пермской ГРЭС, имеющей электрическую мощность 2400 МВт, с турбинами К‑800−240−5 на сверхкритические параметры пара (ТЭС СКП), основное и резервное топливо которой — природный газ (см. Табл. 2).
Таблица 2. Пермская ГРЭС
Рис. 4. Удельная эмиссия парниковых газов в зависимости от типа электростанции, г/кВт·ч
На Рис. 4 приведены сравнительные характеристики ТЭС, АЭС и АТЭС, а также данные по углеродоемкости производства энергии на новом парогазовом блоке Пермской ГРЭС.
Очевидно, что повышение параметров пара и снижение расхода органического топлива на единицу произведенной энергии приводят к снижению выхода продуктов сгорания, в том числе газов, создающих опасность повышения парникового эффекта, что радикально повышает экологическую толерантность использования органического топлива на ТЭС. Подобная технологическая схема (выработка пара на АЭС, а затем перегрев до максимально достигнутых в теплоэнергетике параметров за счет органического топлива) становится еще более привлекательной при использовании ЯППУ, способных генерировать пар высоких параметров (БН, БР, СВБР, ВТГР).
Очевидно, что повышение параметров пара и снижение расхода органического топлива на единицу произведенной энергии приводят к снижению выхода продуктов сгорания, в том числе газов, создающих опасность повышения парникового эффекта, что радикально повышает экологическую толерантность использования органического топлива на ТЭС. Подобная технологическая схема (выработка пара на АЭС, а затем перегрев до максимально достигнутых в теплоэнергетике параметров за счет органического топлива) становится еще более привлекательной при использовании ЯППУ, способных генерировать пар высоких параметров (БН, БР, СВБР, ВТГР).
Выводы
Рассмотренные термодинамические циклы: базовый (АЭС с ВВЭР‑1200); с генерацией насыщенного пара (ЯППУ с ВВЭР‑1200) и «огневым» перегревом; с генерацией насыщенного пара (ЯППУ с ВВЭР‑1200), «огневым» перегревом и компрессией пара до суперсверхкритических параметров — показали их энергетическую и экологическую эффективность.
Электростанции, реализующие такие циклы, — это примеры сочетания свойств АЭС и ТЭС. По сравнению с обычными АЭС они обладают более высоким КПД, меньшей величиной удельных капиталовложений, а по сравнению с обычными ТЭС — потребляют меньше топлива, выбрасывают в окружающую среду меньше продуктов сгорания, топливная составляющая себестоимости их энергии также меньше.
С термодинамической, экологической и экономической точек зрения все перечисленные варианты модификации обладают практически одинаковой эффективностью. Отсюда следует, что достижение суперсверхкритических параметров пара на АЭС с ВВЭР‑1200 путем компрессии пара не приводит к значительному увеличению КПД, в отличие от тепловой энергетики. Главным образом это объясняется тем, что паровой компрессор потребляет значительную часть внутренней мощности ПТУ. Следовательно, создание АЭС с «огневым» перегревом пара — приоритетное решение.
Ключевое достоинство рассмотренного комплекса ЯППУ-ТЭС — его реализуемость в короткий период времени со значительным снижением углеродного следа в единице произведенной энергии; это важное условие устойчивого роста энергетического производства при сохранении экологического равновесия в геосфере.
Рассмотренные термодинамические циклы: базовый (АЭС с ВВЭР‑1200); с генерацией насыщенного пара (ЯППУ с ВВЭР‑1200) и «огневым» перегревом; с генерацией насыщенного пара (ЯППУ с ВВЭР‑1200), «огневым» перегревом и компрессией пара до суперсверхкритических параметров — показали их энергетическую и экологическую эффективность.
Электростанции, реализующие такие циклы, — это примеры сочетания свойств АЭС и ТЭС. По сравнению с обычными АЭС они обладают более высоким КПД, меньшей величиной удельных капиталовложений, а по сравнению с обычными ТЭС — потребляют меньше топлива, выбрасывают в окружающую среду меньше продуктов сгорания, топливная составляющая себестоимости их энергии также меньше.
С термодинамической, экологической и экономической точек зрения все перечисленные варианты модификации обладают практически одинаковой эффективностью. Отсюда следует, что достижение суперсверхкритических параметров пара на АЭС с ВВЭР‑1200 путем компрессии пара не приводит к значительному увеличению КПД, в отличие от тепловой энергетики. Главным образом это объясняется тем, что паровой компрессор потребляет значительную часть внутренней мощности ПТУ. Следовательно, создание АЭС с «огневым» перегревом пара — приоритетное решение.
Ключевое достоинство рассмотренного комплекса ЯППУ-ТЭС — его реализуемость в короткий период времени со значительным снижением углеродного следа в единице произведенной энергии; это важное условие устойчивого роста энергетического производства при сохранении экологического равновесия в геосфере.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #1–2_2021