УДК 621.039.533.6 Оценка эффективности использования водородных надстроек на АЭС 1 2 (диссертант), инж., 3 , доктор техн. наук ОЭП СНЦ РАН 2 — ГОУ ВПО СГТУ 3 Рассматривается вариант малозатратной модернизации АЭС с сохранением основного профиля (типоразмера) энергоблока и с незначительными изменениями эксплуатационных параметров турбоустановки. Эти изменения заключаются во введении небольшого начального перегрева пара перед ЦВД и некоторого увеличения проектного перегрева пара перед ЦНД. Кроме того, дан анализ вариантов обеспечения подогрева рабочего пара до задаваемых температур в камере смешения Н 2 /О 2 -парогенератора. Вопросам внепикового производства водорода на атомных электростанциях (АЭС), прежде всего для выравнивания графиков электрической нагрузки, и первым схемам водородного перегрева пара на АЭС и оценке его эффективности были посвящены работы, опубликованные в нашей стране и за рубежом (Германия, США и др.) в конце 70-х — начале 80-х годов . В настоящее время эти разработки интенсивно продолжаются. Как показано во многих публикациях (например, ), производство водорода по замещаемым (наиболее рентабельным) технологиям более выгодно, чем его получение обычным электролизом. Вместе с тем применение высоких технологий электролиза с уменьшенным удельным расходом электроэнергии (ниже 4кВт?ч/м 3 Н 2 ) при многозонных тарифах (сниженных в ночной период), современных безопасных технологиях хранения Н 2 на месте производства и, что самое важное, при использовании Н 2 для повышения КПД цикла всей АЭС может оказаться термодинамически и технико-экономически эффективным. К тому же нужно учитывать, что водород, полученный электролизом, на 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 09-08-00496-а, 09-08-13533 офи-ц). 2 410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. ОЭП СНЦ РАН. 3 410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. ГОУ ВПО иболее чистый (примесей менее 1 %). Использование водорода приобретает новые перспективы в связи с разработкой компактных и относительно недорогих Н 2 /О 2 -парогенераторов , единичная тепловая мощность которых в ближайшее время может достигнуть 70…100 МВт при относительно невысокой капиталоемкости (50 дол/кВт). Надежное охлаждение стенок камер сгорания, регулирование температуры водяного пара, получаемого при сгорании Н 2 , высокая экологичность (нет выбросов NO x ), практическое отсутствие затрат на транспортировку Н 2 на дальние расстояния и другие позитивные сопутствующие системные факторы позволяют уже сегодня ставить задачу анализа эффективности комплексного применения электролизного водорода на АЭС. Следует отметить, что при высоких планируемых темпах ввода АЭС с ВВЭР в энергосистемах России решение такой задачи может стать очень важным при непрерывном использовании Н 2 /О 2 -парогенераторов для замещения паро-парового перегрева в основном цикле, а также (частично) регенеративного подогрева в подогревателях высокого давления (ПВД). Возможны и другие комбинированные способы непрерывно-циклического использования водорода на многоблочных АЭС для выравнивания диспетчерских графиков нагрузки. Кроме того, по оценкам специалистов, при реализации внереакторного перегрева свежего пара перед тур Рис. 1. Циклы влажно-паровой турбоустановки в Т, s-диаграмме. а — на влажном насыщенном паре; б — на смеси пара из ПГ и пара, полученного в Н 2 /О 2 -парогенераторе модинамического эффекта можно добиться повышения маневренности установки, а также надежности лопаточного и соплового аппаратов первых и последних ступеней ЦВД влажно-паровой турбины. Мощность последней без существенной реконструкции и без замены электрогенератора может быть увеличена не более чем на 10 % номинального значения. Далее рассматриваются обычный влажно-паровой цикл (рис. 1, а) и цикл с использованием Н 2 /О 2 -парогенератора (рис. 1, б), для которого достигается небольшой перегрев основного свежего пара и более высокий, чем в обычном цикле (см. рис. 1, а), перегрев промежуточного пара. При этом повышается средняя температура подвода тепла как в процессе 1—2—3—3″ (по сравнению с 1—2—3), так и в процессе 5″—6″ (в сравнении с 5—6). Однако реализация значительных перегревов пара при фиксированном по условиям реакторной установки давлении свежего пара сопряжена со снижением давления сепарации и промежуточного перегрева и сдвигом процесса расширения 6″—7 вправо ра, что нежелательно из-за роста отводимого количества тепла в конденсаторе и снижения механической надежности последнего. Поэтому следует рассматривать относительно невысокие значения Т 3 » и Т 6 » (до 340 °С), что позволяет использовать унифицированное турбинное оборудование без существенной модернизации. В предлагаемой схеме (см. рис. 1, б) водород сгорает в среде кислорода с получением высокотемпературного пара. Затем после смешения с основным паром из парогенератора (ПГ) и подогрева до необходимой температуры он служит дополнительным рабочим телом в цикле АЭС. Анализ эффективности таких энергоустановок следует проводить с соблюдением общего материального баланса пара в цикле АЭС. Для значений удельного подводимого тепла ?q ПГ , ?q П , ?q ПП к потокам пара D ПГ , D П , D ПП балансовые уравнения подвода тепла и выработки электроэнергии имеют вид: подвод тепла (кВт) D ПГ ?q ПГ + D П ?q П + D ПП ?q ПП = Q ? ; выработка электроэнергии (кВт) D ПГ D П +() H ЦВД действ k pег ЦВД, ПП ————————————————-D ЦНД D ПП +() H ЦНД действ k pег ЦНД, С, ТП ——————————————————— + ? ? эл.мех ? с.н АЭС ? N ? = , где D ПГ — расход пара из парогенератора, кг/с; D П — расход пара, получаемого и добавляемого в цикл в Н 2 /О 2 -парогенераторе, кг/с; D ПП — расход пара, добавляемого в цикл после промежуточного перегрева пара, кг/с; ?q ПГ , ?q П , ?q ПП — удельные затраты тепла на получение пара с расходами D ПГ , D П , D ПП , кДж/кг; D ЦНД — расход пара, поступающего в ЦНД, кг/с; H действ ЦВД , H действ ЦНД — действительные теплоперепады, срабатываемые в ЦВД и ЦНД с учетом их внутреннего относительного КПД, кДж/кг; k ЦВД, ПП рег и k ЦНД,С,ТП рег — коэффициенты регенерации, которые учитывают потерю полезной работы с отборным паром, идущим из ЦВД и ЦНД на соответствующие подогреватели, а также недовыработку из-за поступления пара на ПП (пароперегреватель); ? эл.мех — КПД, учитывающий электрические и механические потери турбогенератора; ? АЭС с.н — КПД собственных нужд АЭС (учитывает и расход энергии на компримирование Н 2 и О 2 перед Н 2 /О 2 -парогенератором). Из соотношения полезной выработки электроэнер Рис. 2. Схема АЭС с водородной надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД. 1 — ЦНД; 2 — электрогенератор; 3 — конденсатор; 4 — бак-аккумулятор; 5 — блок электролизеров; 6, 7 — хранилище водорода и кислорода; 8 — камера сгорания АЭС (см. рис. 1, б) с водородной надстройкой можно определить его КПД: ? АЭС H 2 = ? эл.мех ? с.н АЭС ? D ПГ D П +() H ЦВД действ k pег ЦВД, ПП ————————————————-D ЦНД D ПП +() H ЦНД действ k pег ЦНД, С, ТП ——————————————————— + D ПГ ? q ПГ D П ? q П D ПП ?q ПП ++ ——————————————————————————————————————- ? . Эффективность рассматриваемой схемы модернизации с включением водородного перегрева пара при небольшом повышении температуры рабочих тел с термодинамической точки зрения мала, однако подобные схемы могут быть реализованы для выравнивания графика нагрузки на типовых энергоблоках АЭС с ВВЭР-1000 с минимальной модернизацией основного и вспомогательного оборудования. В этом их главное преимущество. На АЭС может быть реализована также упрощенная технология, ориентированная на циклическое сжигание Н 2 /О 2 в пиковые периоды для получения дополнительной мощности за счет, например, осуществления паро-парового перегрева в специальном водородном, а не в обычном пароперегревателе или по другим схемам, например, разработанным в ОЭП СНЦ РАН и СГТУ . Анализ некоторых термодинамических и технико-экономических аспектов применения водорода для получения дополнительной мощности в электроэнергетике приведен в . Для примера рассматривается схема увеличения температуры пара на 20 °С перед ЦНД (рис. 2) и приводятся результаты оценочных расчетов повышения Общий КПД использования водорода на АЭС целесообразно анализировать с помощью нескольких КПД и коэффициентов для условно выделенных процессов, составляющих общий цикл АЭС. Коэффициент рекуперации электроэнергии K эл = N доп /N затр , где N доп — дополнительно полученная электрическая мощность, МВт; N затр — мощность, затраченная на выработку водорода, МВт. В стационарном режиме работы этот коэффициент представляет собой отношение дополнительно полученной мощности в результате использования в цикле стороннего пара, произведенного в Н 2 /О 2 -парогенераторе, к требуемой для производства водорода мощности. Коэффициент полезного действия использования водородно-кислородной смеси ? H 2 O N доп / Q H 2 O = , Q H 2 O D H 2 O q н p = где — тепловая мощность, полученная при сгорании водорода в кислородной смеси при стехиометрическом соотношении, МВт; — расход пара, образовавшегося в результате сжигания Н 2 , кг/с; q н р = 1,3?10 4 g516 низшая теплота сгорания, отнесенная к 1 кг продукта реакции горения (водяного пара), кДж/кг. Этот КПД представляет отношение получаемой до D H 2 O вой мощности потока стороннего пара, образовавшегося в Н 2 /О 2 -парогенераторах (без впрыска). Коэффициент смешения в камере сгорания Н 2 /О 2 -парогенератора K к.с = N доп /q к.с , где q к.с = Q Н 2 О + q впр = D доп h к.с — тепловая мощность Н 2 /О 2 -парогенератора после смешения пара с водой, МВт; q впр — тепловая мощность, соответствующая подводимой охлаждающей воде, МВт; D доп = D Н 2 О + + D впр — дополнительный расход пара, кг/с; D впр — расход охлаждающей воды, кг/с; h к.с — энтальпия пара после камеры сгорания Н 2 /О 2 -парогенератора, кДж/кг. Коэффициент K к.с — это отношение дополнительной мощности к располагаемой тепловой мощности смешения в Н 2 /О 2 -парогенераторе. Он учитывает также тепловой поток, привносимый с впрыском охлаждающей воды. Количество отводимого тепла через стенки в Н 2 /О 2 -парогенераторе, т.е. тепловые потери, принимались равными нулю. Коэффициент полезного действия брутто АЭС с водородной надстройкой ? АЭС H 2 /O 2 N баз N доп +() / q ПГ * q к.с +()= , где N баз — базовая мощность турбоустановки, МВт; q * ПГ — тепловая мощность, подведенная в парогенераторе, МВт. Тепловая мощность Н 2 /О 2 -парогенератора в цикле АЭС состоит из двух частей q к.с = ?q терм доп + ?q п доп, где ?q терм доп = D баз т (h п т – h баз т ) — тепловая мощность, подведенная в базовом цикле, МВт; ?q п доп = D доп h п т — тепловая мощность, подведенная в цикле с избыточным рабочим телом, МВт; D баз т — расход пара на турбоустановку (базовый), кг/с; h п т — энтальпия пара перед турбоустановкой после смешения с паром Н 2 /О 2 -парогенератора, кДж/кг; h т баз — базовая энтальпия пара перед турбоустановкой, кДж/кг. Для поддержания неизменного базового расхода в турбине D баз т необходимо отводить избыточный конденсат D доп в баки-аккумуляторы (см. рис. 2). Мощность циркуляционных насосов конденсатора в базовом цикле и цикле АЭС с водородной надстройкой из-за незначительной разницы в ее значениях принималась в расчетах постоянной, поэтому все КПД и коэффициенты рассчитывались только по прямому ба траченной. Таким образом, в расчетах не учитывалась дополнительная тепловая мощность, отводимая в конденсаторах и с избыточным потоком рабочего тела, направляемого в баки-аккумуляторы за конденсационными насосами. Полученная дополнительная мощность условно состоит из двух частей N доп = ?N доп п + ?N терм , где ?N доп п = D доп (h т п – h к п )? эл.мех — часть электрической мощности, полученная при работе дополнительного количества пара в ЦНД, МВт; h к п — энтальпия пара перед конденсатором, кДж/кг; ?N терм — часть дополнительной электрической мощности, получаемая в результате повышения параметров пара, МВт. Коэффициент энергоэффективности избыточного потока пара, смешанного с основным паром и отведенного из цикла за конденсатором в бак-аккумулятор: K доп = ?N доп п /?q доп п . Этот коэффициент характеризует отношение мощности, вырабатываемой дополнительным количеством пара в проточной части, к тепловой мощности дополнительного потока пара. Коэффициент термического совершенствования цикла K терм = ?N терм /?q доп терм представляет собой отношение мощности, полученной в результате повышения параметров пара, к тепловой мощности, подведенной к базовому циклу. Термический коэффициент совершенствования всего цикла АЭС вследствие повышения параметров пара K терм АЭС = (N баз + ?N терм )/(q * ПГ + ?q доп терм ). Коэффициент использования дополнительного потока пара в цикле АЭС K доп АЭС = (N баз + ?N доп п )/(q * ПГ + ?q доп п ). В расчетах принималось, что значение температуры на выходе из Н 2 /О 2 -парогенератора составляет Т доп = = 550…800 °C, а расход электроэнергии на электролизеры R = 4 (44,44) кВт?ч/м 3 Н 2 (кВт?ч/кг Н 2 ). Результаты расчетов эффективности АЭС с водородной надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД приведены в таблице. С увеличением температуры пара, полученного в Н 2 /О 2 -парогенераторе, возрастают значения K эл , ? ? H 2 /O 2 , K , и K доп , од н а к о K терм (зави Результаты расчетов эффективности АЭС с водородной надстройкой при повышении температуры пара перед ЦНД Параметр Температура пара после камеры сгорания, °C 550 800 N доп , МВт 85,5 56,2 N затр , МВт 315,6 188,2 K эл , % 27,1 29,9 D Н 2 О , кг/с 17,6 10,0 ? H 2 O , % 37,3 41,1 D доп , кг/с 79,8 41,1 K к.с , % 29,9 32,9 ? АЭС H 2 /O 2 , % 32,7 33,0 ?q доп терм , МВ т 48,1 48,1 ?N терм , МВт 25,1 25,1 ?q доп п , МВт 237,9 122,5 ?N доп п , МВт 60,5 31,1 K терм , % 52,2 52,2 K доп , % 25,4 25,4 K терм АЭС , % 33,3 33,3 K доп АЭС , % 32,5 32,7 сит только от повышения температуры пара перед ЦНД) остается постоянным. Если увеличить температуру пара перед ЦНД на 20 °C, т.е. до 270 °C, с дальнейшим доведением ее, например, до 340 °C (возможно без существенной модернизации турбины АЭС), то возрастут K терм и K терм АЭС . ? АЭС H 2 /O 2 Это приведет к повышению , а значит, и эффек тивности всего цикла АЭС с водородной надстройкой по сравнению с базовым циклом. Выводы 1. Предложена система КПД и коэффициентов для условно выделенных процессов, позволяющих оценивать эффективность водородных надстроек в цикле АЭС. 2. Дан анализ схемы повышения температуры пара перед ЦНД в результате последовательного смешения пара в камере сгорания Н 2 /О 2 -парогенератора с охлаждающей водой и затем с основным потоком пара перед ЦНД. 3. Обоснована эффективность повышения температуры пара, полученного в Н 2 /О 2 -парогенераторе, и температуры пара перед ЦНД на 20 °С, т.е. до 270 °С (в дальнейшем во