ОСОБЕННОСТИ АТОМНЫХ ТЭЦ И МЕТОДОВ ИХ ОПТИМИЗАЦИИ
К числу основных особенностей, характерных для АТЭЦ, относится следующие:
1) работа теплофикационных турбин на насыщенном паре, что предопределяет более низкую по сравнению с ТЭЦ на органическом топливе удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении и повышенный (примерно в 1,5 раза) удельный расход охлаждающей воды при работе по конденсационному режиму;
2) существенно более высокая (при прочих равных условиях) по сравнению с ТЭЦ на органическом топливе удельная стоимость строительства и значительно большее влияние на нее единичной мощности основного оборудования;
3) значительно меньшая по сравнению с КЭС на органическом топливе топливная составляющая себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на АТЭЦ по конденсационному режиму;
4) значительная радиационная активность теплоносителя первого и частично второго контуров, что исключает возможность выдачи тепла потребителям без организации дополнительного контура на атомной ТЭЦ; при тепловой нагрузке в горячей воде таким контуром являются сетевые подогреватели, а при паровой нагрузке необходима установка специальных паропреобразователей;
5) потенциальная опасность (при аварийных условиях) распространения радиоактивных выделений, ввиду чего АТЭЦ должны сооружаться на определенном удалении от центров теплопотребления. Зарубежный опыт показывает, что возможно их размещение и в непосредственной близости от городов (на расстоянии 3—5 км), однако в этом случае требование более высокой радиационной безопасности атомной ТЭЦ приводит к необходимости локализующих средств защиты от распространения радиоактивных выделений при аварии.
При разработке методики технико-экономических расчетов по выбору оптимальных направлений развития теплофикации на базе ядерной энергии и ее эффективности следует иметь в виду, что результаты таких расчетов в значительной мере определяются исходной предпосылкой о роли ядерной энергетики в целом в топливно-энергетическом комплексе страны. Ядерная энергетика в настоящее время развивается высокими темпами, и ее роль в топливно-энергетическом комплексе будет все более возрастать.
Представляется правомерным выделить четыре этапа развития ядерной энергетики в течение обозримого периода, на каждом из которых ее роль буде? существенно различной.
На первом этапе (ориентировочно до 1985—1990 гг.) масштабы и темпы развития ядерной энергетики будут ограничены возможностями энергомашиностроительной базы, промышленности по добыче и переработке ядерно- го горючего и производственными мощностями строительно-монтажных организаций, осуществляющих строительство атомных электростанций.
На этом этапе в связи с указанными ограничениями строительство каждой АТЭЦ будет вызывать необходимость сокращения программы строительства АКЭС и сооружения вместо них КЭС на органическом топливе, замыкающих в этот период баланс по выработке электроэнергии и по мощности в базисной части графика электрических нагрузок европейской части страны.
В этих условиях сооружение АТЭЦ вместо ТЭЦ на органическом топливе с оборудованием на закритические начальные параметры пара не приведет к экономии органического топлива, а расход ядерного топлива также практически не изменится [36].. Однако, как будет показано ниже, при этом может быть получена экономия капиталовложений до 15—20 млн. руб. на 1 млн. кВт мощности АТЭЦ.
Кроме того, АТЭЦ будут вытеснять также ТЭЦ с оборудованием на докритические начальные параметры и раздельную схему в случаях, когда ТЭЦ на органическом топливе окажутся неэффективными. С учетом этого уже на первом этане развития ядерной энергетики АТЭЦ могут привести к расширению области эффективного применения теплофикации и обеспечить существенную экономию органического топлива.
На втором этапе развития ядерной энергетики, когда КЭС на органическом топливе для работы в базисной части графика электрических нагрузок строиться не будут, основным ограничением масштабов и темпов строительства АКЭС будет возможность их размещения в ба- 180 зисной части графика электрических нагрузок. В этих условиях строительство АТЭЦ вместо ТЭЦ на органическом не будет приводить к вытеснению АКЭС, т. е. будет приводить к расширению сферы применения ядерной энергии и к соответствующему вытеснению органического топлива. При этом эффективность АТЭЦ будет существенно выше, чем на первом этапе.
На третьем этапе развития ядерной энергетики новые ТЭЦ на органическом топливе (в районах эффективного применения ядерной энергии) строиться не будут, так же как и КЭС для работы в базисной части графиков электрических нагрузок. В этих условиях АТЭЦ будут конкурировать с раздельной схемой (АКЭС плюс районные котельные на органическом топливе). Таким образом, на этом этапе АТЭЦ будут вытеснять органическое топливо, расходуемое на производство тепло- энергии, а расход ядерного топлива при этом практически изменяться не будет. На этом этапе будут также строиться крупные районные атомные котельные (АРК) вместо котельных на органическом топливе.
На четвертом этапе развития ядерной энергетики на органическом топливе будут строиться только пиковые источники тепла и электроэнергии и установки малой мощности. В этих условиях АТЭЦ будут конкурировать с раздельной схемой в составе АКЭС+АРК. При этом они будут обеспечивать экономию ядерного топлива, а органическое топливо на этом этапе будут вытеснять АРК.
Очевидно, что изложенная последовательность развития ядерной энергетики не является бесспорной, поскольку основана на предпосылке о большей эффективности использования ядерного топлива на АТЭЦ, чем в атомных котельных. Такая точка зрения не разделяется рядом специалистов, утверждающих, что использование ядерного топлива в АРК с учетом более низкой, чем на АТЭЦ, температуры отвода тепла от тепловыделяющих элементов обеспечит большую глубину выгорания и позволит применять топливо с меньшим обогащением. Кроме того, утверждается, что применение реакторов меньшей единичной мощности на пониженные параметры для атомных котельных позволит обеспечить значительно большую степень заводской готовности реакторного оборудования, что при массовом производстве существенно снизит их удельную стоимость.
Приведенные доводы представляются весьма убедительными. Однако следует также иметь в виду, что применение большого числа АРК вместо АТЭЦ потребует привлечения значительно большего количества специалистов достаточно высокой квалификации для их строительства и обслуживания. Решение этой задачи потребует, видимо, много времени. Кроме того, обеспечить высокое качество обслуживания и строительно-монтажных работ несомненно легче на сравнительно небольшом числе объектов. В связи с этим представляется, что достигнуть высокой радиационной безопасности проще при развитии теплоснабжения от АТЭЦ, чем от АРК.
С учетом изложенного все расчеты, результаты которых изложены в настоящей главе, выполнялись применительно к первому этапу развития ядерной энергетики.
Одной из важнейших задач в течение этого периода будет решение вопроса о том, где наиболее целесообразно. использовать ограниченное количество оборудования и ядерного топлива — на АКЭС или на АТЭЦ. Характерной особенностью этой задачи является неопределенность значительной части исходной информации, что определило особенности методики технико-экономических расчетов.
Характерной особенностью развития ядерной энергетики на первом этапе является преимущественное применение реакторов большой мощности типов ВВЭР и РБМК, обеспечивающих получение насыщенного пара при относительно низком начальном давлении. В этих условиях разработка приемлемых технических решений при проектировании мощных паровых турбин, особенно теплофикационных, оказалась весьма сложной задачей.
В научно-методическом плане весьма сложен и до настоящего времени до конца не решен вопрос о выборе профиля теплофикационных турбин для АТЭЦ большой мощности. С одной стороны, применение на АТЭЦ реакторов тех же типоразмеров, что и на АКЭС, обеспечивая минимальную удельную стоимость их строительства, дает исключительно большой экономический эффект. С другой стороны, применение в этом случае теплофикационных турбин традиционного типа — с минимальным (вентиляционным) расходом пара в ЦНД при номинальном режиме, практически трудно осуществимо. Номинальная теплопроизводительность отборов турбин одного блока п Этом случае более чеМ в 5 раз превысила бы теплопроизводительность отборов наиболее крупной из применяемых в настоящее время теплофикационных турбин (Т-250-240).
Очевидно, что такие теплофикационные энергоблоки не смогли бы получить широкого распространения или использовались бы при режимах с частичной нагрузкой отборов. Кроме того, использование столь мощных ЦНД при вентиляционных расходах пара в течение длительного периода экономически не может быть оправдано. В связи с изложенным появилось предложение создать теплофикационно-конденсационную турбину (типа ТК). Выполненные к настоящему времени проработки показали, что такая турбина имеет целый ряд преимуществ, а ее создание технически осуществимо.
Возникла также необходимость решения задачи выбора оптимальной и максимально допускаемой теплопроизводительности отборов. В то же время задача выбора оптимальной теплопроизводительности отборов, как будет показано ниже, должна решаться совместно с выбором оптимального значения расчетного коэффициента теплофикации (аТр).
Профиль теплофикационной турбины, наряду с ее типом (Т, ТК или Г1Т и т. д.) и значением аТр, в значительной мере определяется соотношением расчетной пропускной способности ЦВД и ЦНД. В СССР выпускаются турбины двух видов, существенно различающиеся по величине этого соотношения:
а) турбины с ограниченной пропускной способностью ЦНД, в результате чего электрическая мощность, развиваемая при чисто конденсационном режиме, меньше номинальной (ПТ-135—130) или равна ей (Т-100-130). При этом номинальный расход пара через ЦВД при конденсационных режимах существенно меньше номинального расхода при теплофикационных режимах;
б) турбины без ограничения по пропускной способности ЦНД, у которых при всех нормальных режимах расход пара через ЦВД может быть равен номинальному (Т-175-130, Т-250-240).
Турбины первого вида условно могут быть названы турбинами с гарантированной номинальной мощностью, турбины второго вида — турбинами с гарантированным номинальным расходом пара.
Из условий необходимости обеспечения стабильной работы реакторов бесспорное преимущество имеют турбины с гарантированным расходом пара. Такая точка зрения практически возражений не вызывала, поэтому ниже принята в качестве исходной предпосылки. В связи с этим профиль теплофикационных турбин АТЭЦ практически однозначно определяется их типом (Т, ПТ, ТК или ПТК) и значением расчетного коэффициента теплофикации.
Изложенное показывает, что оптимизация основных направлений развития теплофикации на базе атомной энергии требует решения целого комплекса взаимосвязанных задач.
Решение этих задач потребовало применения различных методических подходов, позволяющих учесть особенности этих задач и свойства исходной информации, такие, как динамичность, дискретность и целочисленность, нелинейность взаимосвязей переменных и т. д.
Для решения некоторых задач удалось применить эффективные математические методы.
Так, задача выбора оптимальной единичной мощности, состава и сроков ввода оборудования атомной ТЭЦ решалась с помощью рассмотренного выше (см. гл. 2) метода динамического программирования. Разработанная программа, в которой реализован этот метод, в отличие от программы для ТЭЦ на органическом топливе, позволяет проводить расчеты для энергоблоков, каждый из которых может включать несколько турбин. Перебор вариантов развития АТЭЦ осуществляется не по числу турбин, а в целом по числу блоков, заданных на последний год рассматриваемого периода. В программе предусмотрена возможность установки на АТЭЦ реакторов одного или двух типоразмеров. При этом число пиковых водогрейных котлов выбирается исходя из условий выхода из строя наиболее крупного реактора. При аварийном отключении турбины предусматривается отпуск тепла от парогенераторов через РОУ, как это показано на рис. 7-1.
Разработанная методика позволяет [35]:
1) выбирать оптимальные типоразмеры и число ядер- ных блоков;
2) находить оптимальные сроки ввода основного оборудования АТЭЦ;
насыщенный пар (2-й контур)
конденсат йода (2-й контур)
3)оценивать сравнительную эффективность ТЭЦ на органическом топливе и АТЭЦ в зависимости от многообразия исходных условий.
При оптимизации развития ТЭЦ как на ядерном, так и органическом топливе большое значение имеет правильное определение зависимости электрической мощности теплофикационных турбин от тепловой нагрузки их регулируемых отборов.
Применительно к теплофикационной турбине типа Т или ТК с двумя регулируемыми отборами пара и двухступенчатым подогревом сетевой воды к числу изменяющихся параметров (при переменных режимах работы турбины) относятся: мощность турбины ЛТурб, расход свежего пара D0. расход сетевой воды G, энтальпия сетевой воды на входе ti и на выходе i2 из сетевых подогревателей. Поэтому в общем случае при тепловом расчете теплофикационной турбины необходимо решить систему уравнений с пятью переменными
Очевидно, что в методике теплового расчета теплофикационной турбины должны быть предусмотрены все возможные режимы ее работы:
1. Работа турбин по тепловому графику нагрузки, где можно выделить: а) режим работы в отопительный период с полной тепловой нагрузкой; б) режим работы в отопительный период с неполной тепловой нагрузкой; в) режим работы в неотопительный период.
2. Работа турбин по электрическому графику нагрузки: а) без ограничения отпуска тепла; б) с ограничением отпуска тепла.
Кроме того, при всех указанных режимах возможно ограничение по расходу свежего пара, что может иметь место при аварийных ситуациях.
Решение системы уравнений (7-1) вручную сопряжено с рядом трудностей, которые оказываются особенно существенными для проектируемых теплофикационных турбин и, в частности, для турбин, предназначенных к установке на атомных ТЭЦ. С целью автоматизации и ускорения расчетов разработана математическая модель, в основу которой положен метод последовательных приближений, позволяющий решать систему уравнений (7-1) для турбин как с отопительными, так и производственными отборами пара (с сепарацией или без сепарации, при наличии или отсутствии промперегрева). При этом:
1) производится расчет бойлерной установки;
2) определяется распределение давлений по отсекам турбины;
3) находятся характеристики каждого отсека, начиная с первого;
4) вычисляется мощность по отдельным отсекам и в целом по турбине;
5) находится отпуск тепла из регулируемых отборов.
По разработанной методике произведены техникоэкономические исследования по выбору профиля теплофикационной турбины для АТЭЦ, оборудованных водоводяными реакторами типа ВВЭР-1000. Результаты расчетов приводятся ниже.
