Цель диссертационной работы – обоснование

На правах рукописи
ПОРТЯНКИН Алексей Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СХЕМ, ХАРАКТЕРИСТИК
И СИСТЕМНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДОРОДНЫХ НАДСТРОЕК
НА АЭС С ВВЭР
Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Хрусталев Владимир Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Николаев Юрий Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент
Малов Валерий Тимофеевич
Ведущая организация:
Всероссийский
научно-исследовательский
институт
по
эксплуатации
атомных
электрических станций, г. Москва
Защита состоится 29 июня 2011 г. в 1400 на заседании
диссертационного совета Д 212.242.07 при Саратовском государственном
техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул.
Политехническая,
77,
Саратовский государственный технический университет, корп. 1,
ауд. 159.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической
библиотеке Саратовского государственного технического университета.
Отзыв на автореферат (в двух. экз.), заверенный печатью, просим
выслать по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, каф. ТЭС.
Автореферат разослан «27» мая 2011 г.
Автореферат размещен на сайте СГТУ www.sstu.ru. «27» мая 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Ларин Е.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
3
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.
4
2 Результаты выбора рациональных типов электролизеров для водородной 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
5
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.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы.
В первой главе дан анализ работ, выполненных по теме диссертации.
Приведены основные характеристики водорода как топлива. Приведены
требования, предъявляемые к водороду и кислороду различной частоты.
Показаны рыночные цены на водород и кислород различной чистоты.
Приведены стоимостные показатели производства водорода различными
методами. Анализируются современные разработки получения водорода
электролизом воды. Проведен общий анализ безопасности при получении,
транспортировании, хранении и использовании водорода и кислорода.
Рассмотрены способы хранения и транспорта водорода. Анализируются
схемы использования водорода и кислорода на АЭС.
6
Выполненный обзор по исследованию и обоснованию оптимальных
схем, характеристик и системной эффективности водородных надстроек
на АЭС с ВВЭР выявил некоторые недостатки в имеющихся
научных подходах к решению указанной задачи. Не в полной мере
обосновываются системные технико-экономические решения, требует
доработки и уточнения многофакторная экономико-энергетическая
модель анализа эффективность атомно-водородной энергетики на базе
АЭС с ВВЭР. Не учтена наблюдаемая динамика стоимостных исходных
(базовых) данных. В связи с этим поставлены цель и основные задачи
диссертации.
Во второй главе приводятся результаты расчета схем с
производством и использованием водородных технологий на АЭС.
Рассмотрены
схемы с вытеснением паропарового перегрева пара на АЭС, позволяющие
получать дополнительную электрическую мощность за счет водородных
технологий. Рассмотрены схемы с получением слабоперегретого
свежего пара. Предложены и обоснованы критерии и коэффициенты,
характеризующие эффективность работы водородной надстройки
в составе АЭС с ВВЭР. Разработана схема использования электролиза на
АЭС для повышения эффективности топливоиспользования.
Схемы с вытеснением паропарового перегрева пара на АЭС с
водородной надстройкой позволяют повысить электрическую мощность
турбины АЭС в диапазоне от 1070 до 1100 МВт.
Рассмотрена схема АЭС с водородной надстройкой при повышении
температуры пара перед ЦНД (рис. 1).
пар после пп
впрыск воды
А
8
А
ДДОП
6
7
впрыск воды
2
1
ДН
Д баз
 hбаз
т
т
5
Н2
2О
О2
Д доп  hкс
(Дбаз
Д
)  hвод
т
доп
т
3
4
ДДОП
ДОК
Рис. 1 Схема АЭС с водородной надстройкой
и повышением температуры пара перед ЦНД:
7
1 – ЦНД; 2 – электрогенератор; 3 – конденсатор; 4 – бак-аккумулятор;
5 – блок электролизеров; 6, 7 – хранилище водорода и кислорода;
8 – камера сгорания
Предложено в таких схемах оценивать общий КПД использования
водорода на АЭС с помощью нескольких КПД и коэффициентов, для
условно выделенных процессов, составляющих общий цикл АЭС. Метод
анализа эффективности водородной надстройки АЭС с ВВЭР с учетом
особенностей термодинамических циклов основного и дополнительного
рабочих тел приведен ниже.
1) Коэффициент рекуперации электроэнергии:
N доп  пик
,
(1)
к эл 
N затр  пр
где N доп – дополнительно полученная электрическая мощность, МВт;
N затр – затраченная мощность на получение водорода, МВт;  пик , пр –
количество часов работы в пиковое и ночное время, ч/год.
2) КПД использования водородо-кислородной смеси:
N
н2о  доп ,
Q н 2о
(2)
где Q н2о  D н2о  q нр – теплота, образованная при сгорании водорода в
кислородной смеси при стехиометрическом соотношении, МВт(т);
D н2о – расход пара, образовавшегося в результате сжигания Н2, кг/с;
q нр =1,3∙104 – низшая теплота сгорания, (кДж/кг) относится к 1 кг продукта
реакции горения – водяному пару.
3) Коэффициент смешения в камере сгорания Н2/О2-парогенератора:
N
к кс  доп ,
(3)
q кс
где q кс  Qн2о  q впр  Dдоп  h кс – теплота, полученная в Н2/О2-паро-
генераторе после охлаждения впрыском воды, МВт(т); q впр – теплота,
подведенная с охлаждающей водой, МВт(т); Dдоп  Dн2о  Dвпр –
дополнительное количество пара, кг/с; Д впр – количество охлаждающей
воды, кг/с; h кс – энтальпия пара после камеры сгорания Н2/О2парогенератора, кДж/кг.
4) КПД брутто АЭС с водородной надстройкой:
N  N доп
2 О2
Н
 баз
,
(4)
АЭС
q пг  q кс
где N баз – базовая мощность турбоустановки, МВт; q пг – теплота,
подведенная к парогенератору, МВт(т).
8
Теплота, полученная в Н2/О2-парогенераторе, в цикле АЭС условно
делится на две части:
терм
+ q вод
(5)
q кс  q доп
доп ,
терм
вод
баз
 D баз
где q доп
т  (h т  h т ) – теплота, подведенная к базовому циклу,
которая участвует в нем полностью, МВт(т); Dбаз
– расход пара на
т
вод
турбоустановку (базовый), кг/с; h т
– энтальпия пара перед
турбоустановкой
в результате смешения с паром из Н2/О2-парогенератора, кДж/кг; hбаз
–
т
базовая
энтальпия
пара
перед
турбоустановкой,
кДж/кг;
вод
вод
– теплота избыточного рабочего тела,
q доп  D доп  h т
подведенная к циклу, МВт(т).
Полученная дополнительная мощность делится на две части:
N доп = N вод
(6)
доп + N терм ,
вод
П
где N вод
доп = D доп  (h т  h К )  эл.мех. – часть электрической мощности,
полученной при работе дополнительного количества пара в ЦНД, МВт;
h ПК – энтальпия пара перед конденсатором, кДж/кг; N терм – часть
дополнительной электрической мощности, получаемая в результате
повышения параметров пара, МВт.
5) Коэффициент энергоэффективности дополнительного потока пара,
после смешения с основным паром, отводимого из цикла за конденсатором:
N вод
доп
к доп  вод
.
(7)
q доп
6) Коэффициент термодинамического совершенствования цикла
(за счет повышения параметров пара):
N терм
(8)
к терм 
терм .
q доп
7) Коэффициент термодинамического совершенствования всего цикла
АЭС (за счет повышения параметров пара):
терм
к АЭС

N баз  N терм
терм .
q пг  q доп
(9)
8) Коэффициент использования дополнительного потока пара,
отнесенный к циклу АЭС:
N баз  N вод
доп
доп
к АЭС 
(10)
вод .
q пг  q доп
Результаты расчетов повышения температуры пара перед ЦНД
на 20 °C в зависимости от полученной температуры в камере сгорания
550 и 800 °C приведены в (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что наибольший вклад в снижение эффективности
АЭС с водородной надстройкой в таких схемах (рис. 1) с
9
последовательным смешением пара сначала в камере сгорания с
охлаждающей
водой
и, затем, с основным потоком пара перед ЦНД, вносит охлаждающая вода,
т.к. Dвпр составляет 75 – 78 % от D доп .
Например, для того чтобы КПД брутто АЭС с водородной
надстройкой равнялся базовому КПД
АЭС
Н 2 О2
 АЭС
  АЭС  33
%,
температура пара после камеры сгорания должна быть 800 °С, а
температура
пара
перед ЦНД – 270 °C.
Таблица 1
Основные результаты расчетов эффективности АЭС с водородной
надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД на 20°С
Параметр
N доп , МВт
Температура пара после камеры сгорания, ºC
550
800
85,5
56,2
N затр , МВт
315,6
188,2
к эл ,%
27,1
29,9
 н 2о , %
37,3
41,1
D н2о , кг/с
17,6
10,0
D впр
62,2
31,1
D доп , кг/с
79,8
41,1
к кс ,%
29,9
32,9
32,7
33

Н 2 О2
АЭС
терм
q доп ,
,%
МВт(т)
48,1
N терм , МВт
q вод
доп , МВт(т)
N вод
доп , МВт
25,1
237,9
122,5
60,5
31,1
к терм , %
52,2
к доп , %
25,4
к терм ,%
33,3
АЭС
к доп ,%
АЭС
32,5
32,7
В табл. 2 приведены результаты расчетов схемы АЭС на
слабоперегретом паре при использовании водородных технологий
согласно (рис. 2).
10
Таблица 2
Характеристики турбины К-1000-60/1500 на слабоперегретом паре
с дополнительной подачей пара в голову турбины
Основные параметры
Расход дополнительного количества пара ДДОП, кг/с
Увеличение электрической мощности ΔN, МВт
Увеличение внутреннего относительного КПД ЦВД/ЦНД, %
КПД использования водородо-кислородной смеси, %
Температура ТСМ/ТПП, 0C
280/255
285/260
63,7
113,7
65
118
0,6/0,2
1/0,38
35,5
36,1
Рис. 2. Схема АЭС с водородной надстройкой на слабоперегретом паре:
1 – ПГ; 2 – цилиндр высокого давления (ЦВД); 3 – цилиндр низкого давления (ЦНД);
4 – сепаратор; 5, 6 – первая и вторая ступень пароперегревателя (ПП); 7 –
электрогенератор; 8 – конденсатор; 9 – блок электролизеров; 10, 11 – хранилище
водорода и кислорода; 12 – камера сгорания; 13 – бак-аккумулятор
Предложена схема использования электролиза на АЭС для повышения
эффективности топливоиспользования. На рис. 3 приведен способ работы
АЭС с водоводяными энергетическими ядерными реакторами с
удлиненным топливным циклом на основе патента № 2361298.
11
концентрация D2O,
равная 65 %
4
3
2
1
8
7
6
5
обычная вода
пониженная концентрация D2O
9
Рис. 3. Способ работы АЭС с водоводяными энергетическими
ядерными реакторами (патент РФ № 2361298):
1-4 – реакторы, 5-8 – буферные емкости, 9 – электролизная установка
Предлагаемый способ позволяет уменьшить расход обычной воды,
используемой для продувки а.з. реакторов, за счет использования
многократно одной и той же воды для продувки нескольких реакторов,
снизить затраты на получение тяжелой воды, за счет использования её в
качестве замедлителя а.з. реакторов, после продувки обогащая ее до
нужной концентрации, используя при этом электроэнергию этой же
станции в периоды минимума электрической нагрузки, исключив, тем
самым,
затраты
на транспортировку тяжелой воды с мест ее производства.
Следовательно, рассмотренные схемы позволяют повысить системную
эффективность АЭС с водородными технологиями.
В третьей главе произведен выбор электролизного оборудования
и произведена укрупненная оценка надежности и безопасности всего
комплекса водородной надстройки. Рассмотрена схема хранения и
транспорта водорода и кислорода на АЭС. Показана методика расчета
затрат
и себестоимости на получение водорода, по которой выбраны
электролизеры, работающие под давлением. Произведена оценка
надежности и безопасности АЭС и всего комплекса водородной
надстройки на основании расчета безопасного расстояния по действию
воздушных ударных волн при взрыве водорода. Предложена методика
оценки надежности и безопасности АЭС при взрыве водорода по
вероятной частоте аварий с плавлением активной зоны.
12
Схема хранения и транспорта водорода и кислорода на АЭС приведена
на рис. 4.
7
7
6
Вариант 1
0,1 МПа
6
6 МПа
4 ст
4 ст
6 МПа
7
4
3
1
Вариант 2
2
5
6
6 МПа
6 МПа
4 ст
6 МПа
Рис. 4. Схема хранения и транспорта водорода и кислорода:
вариант 1 –электролизеры ФВ-500; варианты 2 – электролизеры под давлением
1 – электролизная установка; 2 – компрессор водорода и кислорода;
3 – хранилище водорода и кислорода; 4 – дожимной компрессор;
5 – потребитель водорода и кислорода; 6 – холодильник (газоохладитель) поршневых
компрессоров; 7 – охлаждающая вода
Затраты на производство
водорода, млн руб.
800
750
700
650
600
550
500
450
400
1000
2000
Число часов использования
электролизеров в году, ч/год
3000
Себестоимость водорода, руб/нм^3
Расчет затрат и себестоимости на получение водорода по рис. 4
выполнен по общепринятым технико-экономическим показателям,
результаты расчета представлены на рис. 5.
16
15
14
13
вариант 1
12
вариант 2.1
11
вариант 2.2
10
9
вариант 2.3
вариант 2.4
8
вариант 2.5
7
6
5
1000
2000
3000
Число часов использованмя, ч/год
Рис. 5 Затраты и себестоимость получения водорода на АЭС:
вариант 1 – удельные капиталовложения в электролизер ФВ-500 60 тыс. руб./1м3/ч Н2;
варианты 2.1–2.5 66–90 тыс. руб./1м3/ч Н2 (электролизеры под давлением)
Из анализа рис. 5) можно сделать вывод, что при увеличении
количества часов использования для электролизеров, работающих под
давлением, себестоимость водорода снижается значительнее, чем для
13
электролизеров, работающих при атмосферном давлении. Поэтому
целесообразно использовать электролизеры под давлением.
Расчет безопасного расстояния по действию воздушных ударных
волн при взрыве водорода выполнен по общепринятой методике в
пересчете на тротиловый эквивалент вещества, результаты представлены в
табл. 3.
Таблица 3
Безопасное расстояние объектов водородной надстройки до АЭС
Объект водородной надстройки
Электролизный цех
Здание водородо-кислородного парогенератора
Трубопровод водорода
Хранилище водорода
Безопасное расстояние, м
125
125
125
2130
Методика и оценка надежности и безопасности АЭС при взрыве
водорода приведена ниже.
Для оценки надежности АЭС воспользуемся показателем
дополнительно привносимого при взрыве водорода на АЭС вклада в
-1
частоту плавления активной зоны (ПАЗ) вз
ПАЗ , (реакт.·год) :
– при расположении водородо-кислородного парогенератора в
турбинном отделении
бл. АЭС
вз
),
(11)
ПАЗ  вз  (1  Р АЗ
-1
где вз = 0,02 – 0,1 (год) – принятая частота взрыва водорода на АЭС с
АЭС
водородной надстройкой, (год)-1; Рбл.
– вероятность автоматических
АЗ
защит включится и штатно отработать по предотвращению аварии с ПАЗ
на 1 одном блоке АЭС;
– при расположении водородо-кислородного парогенератора в
отдельном здании

тр.пара
зд.
вз
)  (1  Р бл.АЭС
),
(12)
ПАЗ  вз  (1  Р АЗ )  (1  Р АЗ
АЗ
тр.пара
где Р АЗ
– вероятность автоматических защит включиться и штатно
отработать в здании водородо-кислородного парогенератора и
примыкающих участках паропроводов до турбинного отделения главного
корпуса АЭС.
Для варианта 1 расположения водородо-кислородного парогенератора
АЭС
в турбинном отделении Рбл.
принята от 0,9999 до 0, исходя из того,
АЗ
что последствия взрыва на АЭС могут быть различными: от полного
или частичного разрыва основного паропровода в турбинном отделении,
до полного разрушения главного корпуса АЭС включая вышесказанную
автоматическую защиту.
Для варианта 2 вероятность отсечь в здании водородо-кислородного
парогенератора паропровод дополнительного количества пара в
14
зависимости от последствий взрыва Рзд.
АЗ принята от 0,99 до 0. Вероятность
аварийной защиты отсечь паропровод дополнительного количества пара
тр.пара
перед турбинным отделением и в нем Р АЗ
= 0,99. Таким образом при
несрабатывании аварийной защиты на паропроводе произойдет утечка
основного пара в здание Н2/О2-парогенератора и(или) в окружающую
среду,

т.е. разрыв основного паропровода. В данном варианте 2 Рбл.АЭС
от 0,9999
АЗ
до 0,999, т.к. здание водородо-кислородного парогенератора находится
на безопасном расстоянии и последствия взрыва не приведут к
разрушению главного корпуса АЭС.
Таким образом, в варианте 1 для вз = 0,02 (реакт.·год)-1 можно
принять оценочно крайний оптимистичный сценарий развития
-6
-1
последствий взрыва вз
ПАЗ = 2·10 (реакт.·год) , а в варианте 2 для вз =
0,1 (реакт.·год)-1 даже при наиболее консервативной оценке
-6
-1
пессимистичный сценарий вз
ПАЗ = 1·10 (реакт.·год) .
Для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 в России частота аварий
с плавлением активной зоны (ПАЗ), обоснованная вероятностным
АЭС
анализом безопасности (ВАБ),  ПАЗ
имеет приемлемо низкое значение.
Поэтому, для варианта 2 даже при крайней пессимистичной оценке величины
АЭС
  ПАЗ
 вз
АЭС с водородной надстройкой МАГАТЭ
=
вз
ПАЗ
ПАЗ
ПАЗ
= 10-5 (реакт.·год)-1, что удовлетворяет современным рекомендациям
МАГАТЭ и, напротив, вариант 1 с встроенным водородо-кислородным
парогенератором в турбинном отделении даже при наиболее
оптимистичном подходе не соответствует этим рекомендациям.
В четвертой главе рассмотрена системная эффективность
водородных надстроек на АЭС с ВВЭР. Оценена эффективность
производства водорода и кислорода на АЭС методом электролиза воды в
сравнении с другими методами. Предложен физический метод разделения
себестоимости водорода и кислорода при электролизе воды. Проведены
технико-экономические расчеты разных методов получения водорода и
кислорода. Произведено сравнение тарифов на пиковую электроэнергию
от водородной надстройки на АЭС и от энергосистемы. Осуществлена
оценка эффективности водородных надстроек на АЭС и ГАЭС для
покрытия переменных графиков электрических нагрузок с учетом
прогнозов роста пиковых тарифов на электроэнергию.
Для определения системной эффективности предложена экономикоэнергетическая модель АЭС с водородной надстройкой, которая
представлена на рис. 6.
15
Продажа H2,
газа, квот СО2
а
6
H2
2
7
б
D 2О
9
1
э/э
8
O2
3
3
4
Продажа O2
5
Рис. 6. Предложенная экономико-энергетическая модель АЭС с водородной надстройкой:
а – производство водорода и кислорода; б – производство пиковой электроэнергии
1 – АЭС; водородная надстройка 2 – 5: 2 – электролизный цех; 3 – транспорт
водорода и кислорода; 4 – хранилища водорода и кислорода;5 – здание водородокислородного парогенератора; альтернатива водородной надстройки 6 – 8:
6 – риформинг природного газа; 7 – разделение воздуха; 8 – ГАЭС;
9 – получение и использование тяжелой воды на АЭС (патент РФ № 2361298).
Для оценки эффективности производства водорода и кислорода на
АЭС методом электролиза воды в сравнении с другими методами в работе
обоснован метод разделения себестоимости водорода и кислорода при
электролизе.
Рыночная цена 1 кг высокотемпературного пара с температурой более
3000 °С, полученного при горении водорода в кислородной среде, будет
равна
Δm H  Ц Н  Δm О  Ц О  Ц Н О ,
(13)
2
где Δm H =0,11, Δm О
2
2
2
2
2
= 0,88 – доли массы водорода и кислорода,
2
отнесенные к 1 кг воды (пара); Ц Н = 13000–14000, Ц О = 238–560 –
2
2
рыночные цены на водород и кислород чистотой 99,999 %, руб./кг; Ц Н
2О
–
средняя цена 1 кг возвратного продукта пара, руб./кг.
Доли цены водорода и кислорода, отнесенные к цене 1 кг
высокотемпературного пара:
Δm
Ц Н 
2
H
Ц
Ц
2
Н
Δm
2
; Ц
О2
Н О
2

О
Ц
Ц
2
О
2
,
(14)
Н О
2
Затраты на водород и кислород, отнесенные к цене 1 кг воды (пара), руб.:
16
З Н  Ц Н  З Н
2
где ЗН
2 /О 2
2
2 /О 2
; ЗО  Ц О  З Н /О ,
2
2
2
(15)
2
– затраты на получение водорода и кислорода электролизом
(затраты в получение высокотемпературного пара из Н2 и О2), руб..
Себестоимость водорода и кислорода, руб./нм3(кг):
З
З
H
О
2
2
; SО 
,
SH 
2
2
год
год
год
год
V (m )
V (m )
H
2
H
О
2
2
О
(16)
2
где V год (mгод ) , V год (mгод ) – объем и масса запасенного водорода и
H
2
H
2
О
2
О
2
кислорода в течение года, нм3(кг).
Проведенное технико-экономическое сопоставление предложенной
экономико-энергетической модели (рис. 6 – вариант а) показало, что
устойчивая конкурентоспособность электролиза будет наблюдаться в
ближайшей перспективе при следующих условиях – консервативный
подход: цена природного газа 300 долл./1000 м3 (для получения водорода
методом риформинга); цена электроэнергии 1,5 руб./кВт·ч (ночной тариф
для получения кислорода разделением воздуха).
Сравнение пиковых тарифов на электроэнергию от водородной надстройки на АЭС и тарифов на пиковую энергию от энергосистемы в
условиях долгосрочных тарифных прогнозов, показало, что в ближайшие
5-7 лет целесообразно начинать коммерческую продажу пиковой
электроэнергии от данного источника.
Произведена оценка эффективности водородных надстроек на АЭС
в сравнении с ГАЭС для покрытия переменных графиков нагрузок по
экономико-энергетической модели (рис. 6 – вариант б) для покрытия
переменных графиков нагрузок. При этом учтена динамика изменения
пиковых тарифов на электроэнергию в условиях долгосрочных прогнозов.
Результаты расчетов показали, что водородные надстройки станут
устойчиво конкурентоспособными по сравнению с ГАЭС, начиная с 2025–
2028 года.
Дополнительно рассмотрен вариант комбинирования водородных
надстроек с ГАЭС при условии обеспечения базовой нагрузкой АЭС в
ночное время и выработки пиковой электроэнергии от ГАЭС, а для
водородной надстройки только производство и продажа водорода и
кислорода. При комбинировании водородных надстроек с ГАЭС
результаты представлены в табл. 4.
Таблица 4
Исходные данные и результаты расчета эффективности
комбинирования водородных надстроек с ГАЭС
Показатель
ГАЭС + ВН
17
Вариант
ВН + риформинг метана
Срок строительства, год
Удельные
капиталовложения,
тыс.руб./кВт:
Начало строительства, год
Ввод в эксплуатацию, год
Горизонт расчета, год
ЧДД, млрд. руб.
Срок окупаемости, лет
ГАЭС
ВН
5
3
+ разделение воздуха
риформ
разделени
ВН
инг
е воздуха
метана
3
45
85
85
2015
2017
30
17,1
2017
2020
2030
3,6
10
1,4
10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 Использование водородных надстроек на действующих АЭС
для уплотнения графиков электрических нагрузок и покрытия пиков
в энергосистеме позволяет повысить электрическую мощность турбины
АЭС в диапазоне: в случае вытеснения паропарового перегрева
до 1070–1100 МВт; в случае введения легкого перегрева свежего и
повышения температуры промежуточного пара до 1120 МВт. В условиях
экономики России системный эффект состоит в росте КИУМ, вытеснении
природного газа на ПГУ, ГТУ и ТЭС и снижении выбросов углекислого
газа в виде дополнительных валютных поступлений от экспорта газа
и продажи квот на выбросы.
2 Разработан метод анализа эффективности водородной надстройки на
АЭС с ВВЭР с учетом особенностей основного и дополнительного
термодинамических циклов на основе предложенных дополнительных
КПД
и коэффициентов. Метод позволяет оценить отдельно работу стороннего
пара, отводимого из цикла АЭС, а также его эффективность на АЭС с
водородной надстройкой. Эффект от внедрения водородной надстройки
на действующей АЭС с ВВЭР возникает и растет в сравнении с базовым
циклом при его КПД 33 % при повышении температуры пара перед ЦНД
на 20 0С, что соответствует температуре пара в водородо-кислородном
парогенераторе – 800 0С.
3 Предложена и обоснована расчетами вынесенная схема компоновки
водородо-кислородного парогенератора на АЭС взамен встроенной, что
удовлетворяет требованию МАГАТЭ к современным реакторным
установкам по непревышению интенсивности плавления активной зоны
10-5 (реакт.·год)-1. В диссертации рассмотрены и рекомендованы к
применению только такие вынесенные схемы.
4 Разработана схема АЭС с водородной надстройкой с учетом
системных факторов, которые позволяют повысить эффективность. Так,
предложено попутное производство при электролизе тяжелой воды с
18
использованием ее на многоблочной АЭС как компонента теплоносителя с
переменной концентрацией, что позволяет улучшить эффективность
топливоиспользования.
5 Обоснован выбор электролизного оборудования основного
комплекса водородной надстройки на действующих АЭС только по
показателю затрат и себестоимости водорода. Выбраны электролизеры,
работающие под давлением. Проведенное технико-экономическое
сравнение производства водорода и кислорода электролизом на АЭС в
сравнении с другими основными методами их получения показало, что
устойчивая конкурентоспособность электролиза будет наблюдаться в
ближайшей перспективе при следующих условиях – консервативный
подход: цена природного газа 300 долл./1000 м3 (для получения водорода
методом риформинга); цена электроэнергии 1,5 руб./кВт·ч (ночной тариф
для получения кислорода разделением воздуха). Для этого предложен
физический метод раздельного расчета себестоимости водорода и
кислорода при электролизе.
6 Выполнено сопоставление тарифов на пиковую электроэнергию
от водородной надстройки на АЭС с тарифами на пиковую
электроэнергию от энергосистемы в условиях долгосрочных прогнозов,
показывающее, что в ближайшие 5-7 лет целесообразно начинать
коммерческую продажу пиковой электроэнергии от данного источника.
7 Произведенное прогнозное технико-экономическое сравнение
водородной надстройки на АЭС и альтернативной ГАЭС для покрытия
переменных графиков нагрузок показало, что водородные надстройки
станут устойчиво конкурентоспособными, начиная с 2025–2028 года, а при
комбинировании ГАЭС и водородных надстроек с 2020 года.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1 Портянкин А. В. Новые подходы повышения электрической
мощности АЭС с ВВЭР при применении водородных технологий / М. К.
Крылов, А. В. Портянкин // Проблемы энергетики. – Казань: Изд-во Казан.
гос. энерг. ун-та, 2006, № 7-8. С.110-114.
Патент
2 Пат. № 2361298 Российская Федерация, МПК G 21 D 3/10.
Способ работы АЭС с водо-водяными энергетическими ядерными
реакторами / В.А. Хрусталев, А.И. Баженов, А.В. Портянкин,
П.В. Данилов – №2007144948/06; заявл. 03.12.07; опубл. 10.07.09,
Бюл. № 19. – 2 с.
Публикации в других изданиях
19
3 Портянкин А. В. Эффективность использования дополнительного
количества пара, полученного в водородной надстройке на АЭС с ВВЭР1000 // Проблемы совершенствования топливно-энергетического
комплекса: сб. науч. тр. Вып. 4. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. С.
66-71.
4 Портянкин А. В. Вопросы эффективности водородного производства
на базе энергии АЭС / В. А. Хрусталев, А. В. Портянкин // Проблемы
совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. – Вып.
4. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2006. С. 62-66.
5 Портянкин А. В. Схемно-параметрическое совершенствование
энергоблоков АЭС с реактором ВВЭР-1000 на основе водородных
технологий // Молодые ученые – науке и производству : материалы конф.
молодых ученых / СГТУ. – Саратов, 2007. С. 176-179.
6 Портянкин А. В. Использование водородных технологий для
повышения температуры пара перед турбоустановкой АЭС с ВВЭР-1000 /
В. А. Хрусталев, А. В. Портянкин // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.
тр. – Саратов: СГТУ, 2008. С.32-36.
7 Портянкин А. В. Выбор системы хранения и транспортировки водорода
и кислорода на площадке АЭС // Проблемы совершенствования топливноэнергетического комплекса: Сб. науч. тр. Вып. 5. – Саратов: Изд-во Сарат.
ун-та, 2008. С. 65-73.
20
Подписано в печать 25.05.11
Формат 6084 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,16 (1,25)
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 100
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: izdat@sstu.ru
21