Введение к работе
Актуальность проблемы и объект исследования. В настоящее время одной из особенностей энергетики России является существенное количество работающих и находящихся в резерве турбоустановок, построенных еще в середине прошлого века, которые давно отработали свой расчетный срок службы. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет практически не вводились в эксплуатацию новые электрические станции из-за трудной экономической ситуации в стране.
С ростом экономики и развитием промышленности может возникнуть дефицит электрических мощностей в энергосистемах, поэтому необходимо выводить из эксплуатации устаревшие турбоустановки и строить новые, современные электрические станции. Восполнить вывод электрических мощностей в ближайшие 5-8 лет можно в основном только за счет строительства АЭС, что подтверждается программой развития энергетической стратегии России на период до 2020 и 2030 года.
С дальнейшим ростом выработки электроэнергии на АЭС появится необходимость в увеличении доли их разгрузки, что связано с диспетчерскими ограничениями в часы провала графика электрических нагрузок, особенно в европейской части страны. Это приведет к снижению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) и росту удельных затрат в производство электрической энергии, что весьма неэффективно. Поэтому к АЭС будут предъявляться следующие весьма актуальные требования:
– базовые режимы работы, в том числе в часы провала графика электрических нагрузок энергосистем;
– работа с повышенной электрической мощностью и КПД станции
в пиковые часы графика электрических нагрузок.
Один из способов повышения КИУМ на АЭС – это сооружение водородных надстроек (ВН), где базовые режимы работы обеспечиваются
за счет выработки водорода и кислорода в электролизных установках. Работа с повышенной мощностью и КПД турбоустановки АЭС может обеспечиваться за счет использования в тепловой схеме дополнительного количества пара, полученного при сжигании водорода в кислородной среде. В связи с этим актуальным является исследование и обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.
Связь диссертационной работы с приоритетными НИР. Данная диссертационная работа выполнялась на базе бюджетных фундаментальных научных исследований Отделения энергетики, механики, машиностроения и процессов управления РАН: «Обоснование приоритетных направлений развития энергогенерирующих мощностей с учетом обеспечения безопасности, устойчивого развития и долгосрочных интересов страны» 2006 – 2008 гг.; «Разработка научных основ повышения коэффициента использования установленной мощности АЭС в энергосистеме» 2009 – 2011 гг.; в рамках гранта РФФИ «Разработка научных основ построения водородных циклов на АЭС» 2007 – 2009 гг.
Цель диссертационной работы – обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.
Основные задачи диссертации:
1 Разработка метода анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного рабочих тел.
2 Обоснование стоимостных показателей и выбор электролизного оборудования основного комплекса водородной надстройки на АЭС
по показателю себестоимости водорода и затрат в его производство.
3 Разработка новых схем водородных надстроек на АЭС и анализ
их эффективности с учетом комплекса системных факторов.
4 Обоснование физического метода раздельного расчета и сравнения себестоимости водорода и кислорода, полученных электролизом на АЭС
и другими способами.
5 Оценка эффективности водородных надстроек на АЭС и ГАЭС
для покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов.
Направления исследований. Работа направлена на исследование
и обоснование оптимальных схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек на АЭС с ВВЭР.
Методы исследования: методы анализа термодинамической эффективности циклов влажно-паровых АЭС; методика оценки и обоснования технико-экономических показателей в энергетике; методика оценки надежности и расчета безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием апробированных и широко распространенных в энергетике методик расчета термодинамической эффективности циклов влажно-паровых АЭС, системного технико-экономического анализа экономичности энергокомплексов, методик расчета безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн,
а также приемлемой сопоставимостью основных результатов данной работы с результатами других авторов.
На защиту выносятся:
1 Метод анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного рабочих тел.
2 Результаты выбора рациональных типов электролизеров для водо-
родной надстройки на АЭС по показателю себестоимости водорода и затрат в производство водорода.
3 Схемные решения водородных надстроек на АЭС с учетом комплекса системных факторов.
4 Физический метод расчета себестоимости водорода и кислорода,
полученных электролизом и сравнение технико-экономической эффективности получения этих продуктов на АЭС с риформингом газа и разделением воздуха.
5 Результаты технико-экономического сопоставления АЭС с водородной надстройкой и ГАЭС для покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов.
Научная новизна:
1 Обоснованы дополнительные критерии и коэффициенты, оценивающие эффективность работы водородной надстройки в составе АЭС
с ВВЭР с учетом особенностей термодинамических циклов основного
и дополнительного рабочих тел;
2 Разработан метод оценки себестоимости водорода и кислорода
различной чистоты при электролизе, позволяющий сопоставить электролиз
по эффективности с производством этих продуктов другими способами;
3 Предложены приоритетные схемы водородных надстроек на действующих и проектируемых АЭС, повышающие их эффективность,
в том числе за счет: вытеснения паропарового перегрева, повышения
температуры пара перед ЦВД и ЦНД и использования переменной концентрации тяжелой воды в обычном водном теплоносителе;
4 Обоснована вынесенная схема компоновки водородо-кислородного парогенератора на АЭС взамен встроенной, что удовлетворяет требованию МАГАТЭ к современным реакторным установкам по непревышению частоты аварий с плавлением активной зоны.
Практическая значимость результатов диссертационной работы.
Произведенные расчетные оценки экономической эффективности водородных надстроек на АЭС показали условия, при которых необходимо сооружать их в целях коммерческой продажи водорода и кислорода
и (или) с их помощью вырабатывать пиковую электроэнергию.
Производство водорода и кислорода за счет использования внепиковой электроэнергии электролизом воды позволяет попутно получать тяжелую воду, которая может эффективно использоваться на АЭС с ВВЭР как компонент теплоносителя.
Схема компоновки водородо-кислородного парогенератора на АЭС
в отдельном здании должна использоваться для действующих, так и перспективных АЭС, что удовлетворяет требованиям МАГАТЭ к современным и перспективным реакторным установкам. Сооружение отдельного здания не приведет к серьезной реконструкции турбинного отделения
по сравнению с встроенной компоновкой водородо-кислородного
парогенератора. Присоединение паропровода от водородо-кислородного парогенератора к основному паропроводу турбины в этом случае можно осуществить в период планового ремонта турбоустановки и в короткие сроки.
Разработанная методика разделения себестоимости водорода и кислорода может быть использована в составе многопродуктовой модели экономической эффективности на энергопредприятиях, включая энергокомплексы производящие водород и кислород электролизом воды.
Разработанные схемы и методики анализа АЭС с водородной надстройкой могут использоваться в учебном процессе, аспирантами в НИР и студентами в дипломном проектировании, а также при проектировании оборудования перспективных АЭС.
Апробация результатов диссертационной работы. Изложенные
в диссертации материалы докладывались: на внутривузовских конференциях молодых ученых СГТУ в 2007, 2008 гг.; на Международных научных конференциях «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» в г. Саратове 29-31 октября 2008 г. и 26-29 октября 2010 г.
Публикации. По исследуемой проблеме опубликованы 6 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен
1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, направление дальнейших исследований, список использованных источников, включающий 140 наименований, содержит 37 рисунков, 30 таблиц. Объем диссертации составляет 142 страницы.
