Модель развивающейся системы атомных энергетических установок

Для определения и учета эффектов, имеющих место в системе ядерной энергетики при наличии в ней СЦТ с атомными источниками теплоты, используется оптимизационная динамическая модель системы атомных энергетических установок (АЭУ), рассчитанная главным образом на применение методов линейного программирования [39J. В качестве критерия оптимальности принят минимум приведенных затрат с учетом последействия посредством включения в критерий затрат за пределами периода оптимизации [40].

Модель нацелена на оптимизацию развития основной составляющей атомной энергетики — системы атомных конденсационных электростанций. Ее основное назначение — оптимизация структуры атомных электростанций по типам реакторов. Эта задача относится к числу важнейших при планировании и прогнозировании развития атомной энергетики. Ее решение позволит установить не только количество необходимых реакторов разных типов и соответствующего оборудования, но также необходимые капиталовложения, объем добычи ядерного сырья, объемы производства по обогащению топлива, изготовлению тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), переработке отработавшего топлива и многие другие показатели, характеризующие развитие атомной энергетики.

Наряду с оптимизацией структуры в результате одного расчета по модели при однозначно заданных исходных данных определяются оптимальные вид топлива, сроки перехода с одного топлива на другое, зона графика нагрузки (база или полупик), в которой следует использовать тот или иной тип реактора. С помощью модели могут оптимизироваться также отдельные параметры топливного цикла. Кроме того, с помощью модели путем расчетов с вариацией исходных данных может проводиться широкий круг технико-экономических исследований с целью:

получения количественной оценки экономической и энергетической эффективности различных мероприятий (например, внедрения нового типа реактора, использования нового вида ядерного горючего, освоения и внедрения химпереработки отработавшего топлива), а также ее изменения в зависимости от сроков реализации этих мероприятий;

выявления зависимости оптимальных решений и соответствующих им показателей системы АЭУ от различных факторов в условиях неопределенности, в частности, определения области устойчивости отдельных важнейших решений и выявления условий конкурентоспособности новой техники. Математическая формулировка модели имеет следующий вид: найти

В описанной модификации модели оптимизация осуществляется при заданных вводах мощности и выработке электроэнергии и теплоты на АЭС, АТЭЦ, АСПТ, а также заданных типах реакторов на АТЭЦ, ACT и АСПТ. Другая модификация модели расширяет возможности оптимизации за счет включения в модель АТЭЦ, ACT и АСПТ с соответствующими дополнительными ограничениями (балансовыми уравнениями) по выработке теплоты. Основной особенностью этой модификации является учет местных условий в отдельных промышленно-жилых агломерациях, снабжаемых теплотой от атомных источников [41]. Такой учет осуществляется для ближайшей части расчетного периода (порядка 10—15 лет), а для более отдаленной перспективы учитывается суммарная потребность в теплоте без выделения отдельных промышленно-жилых агломераций.

На указанную ближайшую перспективу для каждой промышленно-жилой агломерации задается набор вариантов развития системы теплоснабжения, среди которых в процессе расчета по модели выбирается оптимальный по критерию минимума приведенных затрат в моделируемую систему в целом. Таким образом, эта модификация дает возможность оптимально решать ряд дополнительных вопросов, связанных с развитием атомных источников теплоты.

Важнейшие связи рассматриваемой системы со смежными системами могут быть представлены в виде схемы, приведенной на рис. 5.1. На этой схеме под предприятиями внешнего топливного цикла (ВТЦ) имеется в виду вся система топливоснабжения АЭС, включающая предприятия по добыче, обогащению, переработке и изготовлению топлива.

Связь системы АЭУ с системой теплоснабжения определяется участием этих двух систем в производстве общей продукции — теплоты. Учет взаимного влияния решений по развитию этих систем возможен с помощью следующего итерационного процесса. Осуществляется оптимизационный расчет на модели системы АЭУ при заданных (по предварительным данным) суммарной мощности и выработке тепловой энергии на АИТ. В результате получаются удельные затраты на тепловую энергию. С использованием полученного значения затрат для производства тепловой энергии на АИТ производится расчет на модели системы теплоснабжения, в результате которого получаются оптимальные суммарные мощность и выработка тепловой энергии на АИТ. На втором шаге итерации повторно делается расчет на модели системы АЭУ с откорректированными масштабами развития АИТ (в соответствии с результатами расчета на модели системы теплоснабжения). Получаются уточненные значения удельных затрат на тепловую энергию в системе АЭУ. Расчет повторяется до тех пор, пока дальнейшие итерации не перестанут давать сколько-нибудь существенные уточнения.

Связь системы АЭУ с электроэнергетической системой по своему характеру близка к связи системы АЭУ с системой теплоснабжения. В данном случае обе системы также производят общую продукцию — электроэнергию. Поэтому при изучении связи с электроэнергетической системой целесообразно использовать тот же методический подход, что и при учете связи с системой теплоснабжения.

Показанная на рис. 5.1 связь с ЭК отражает случай связи, учитываемой не через модели систем теплоснабжения и электроэнергетики, а непосредственным (прямым) способом, например, когда задача оптимизации масштабов развития АИТ решается не на модели системы теплоснабжения, а на модели ЭК.

Связь с предприятиями ВТЦ определяется объемом поставок различных видов ТВЭЛов в систему АЭУ, а также обратными потоками отработавшего ядерного горючего. Некоторые элементы этой связи учтены путем включения топливодобывающих предприятий ВТЦ в модель системы АЭУ. Такие объекты представлены в модели в упрощенном виде как источники ядерного сырья с заданными удельными затратами на их работу. Это позволяет учесть зависимость затрат на добычу ядерного сырья от объема его потребления (извлечения).

Специализированные модели системы топливоснабжения ядерной энергетики позволяют оптимизировать сроки ввода предприятий ВТЦ, их мощность и загрузку, а также определить замыкающие затраты на ядерное топливо в виде ТВЭЛов [42]. Может быть организован итерационный процесс последовательного уточнения (согласования) оптамальных решений, получаемых с помощью моделей системы АЭУ и предприятий ВТЦ. Основой такого процесса служит обмен информацией по экономическим и энергетическим показателям, характеризующим указанные выше потоки продукции по связи с предприятиями ВТЦ (замыкающие затраты и величины потоков продукции).

Связь с машиностроением, в первую очередь с атомным, представляется существенной вследствие большой доли стоимости оборудования в приведенных затратах на сооружение и эксплуатацию АЭУ и соответственно большого потока продукции из системы машиностроения. Взаимоувязка оптимальных планов развития системы АЭУ и машиностроения позволит уточнить стоимость различных видов оборудования для АЭУ, учитываемую в модели системы АЭУ, а также оптимизировать производственные мощности и сроки вводов основных машиностроительных заводов, сроки и масштабы их реконструкции. Второй (упрощенный) вариант учета связи с машиностроением предусматривает ввод в модель системы АЭУ ограничений, обусловленных располагаемыми производственными мощностями в машиностроении и нежелательностью резких изменений выпуска основных видов оборудования, таких, например, как корпуса для ВВЭР.

Связи с моделями отдельных типов АЭУ так же, как и в рассмотренных выше случаях, могут учитываться на основе последовательного уточнения стоимостных показателей и вводимых ограничений при поочередной оптимизации по связываемым моделям. При этом, как показывают проведенные в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского исследования, полезным и эффективным является построение характеристик, отражающих влияние основных обобщающих (комплексных) показателей (параметров) АЭУ на суммарные затраты в систему АЭУ и, таким образом, позволяющих оценить соответствующий системный эффект. Указанные характеристики были построены применительно к АЭС с быстрыми реакторами (БР), работающими на плутониевом топливе, для различных возможных значений основных неопределенных факторов, влияющих на эффективность БР и оптимизацию их параметров [43].

При использовании упомянутого выше способа оптимизации параметров топливного цикла АЭУ с помощью модели системы АЭУ осуществляется прямой (безытерационный) учет связи между системой АЭУ и рассматриваемым типом АЭУ. Этот способ может применяться для оптимизации параметров АЭУ, если в используемой модели предусматривается оптимизация данного типа АЭУ. Бели же рассматриваемый тип АЭУ в модели не оптимизируется, то оптимизация параметров может осуществляться путем вариантных расчетов.

Рассмотрим этот случай более подробно на примере ACT. Поставим задачу найти оптимальное из я возможных значений вектора топливных параметров ACT по критерию минимума приведенных затрат в развивающуюся (в течение заданного расчетного периода) систему АЭУ. В качестве топливных параметров могут выступать глубина выгорания, обогащение, длительность кампании, частота перегрузок и другие топливные показатели, взаимосвязь которых учитывается с помощью соответствующих физико-технических расчетов реактора ACT. Масштабы развития ACT в течение расчетного периода будем считать заданными.

Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.