Повышение маневренности АЭС с помощью аккумуляторов энергии

УДК 62

ПОВЫШЕНИЕ МАНЕВРЕННОСТИ АЭС С ПОМОЩЬЮ АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГИИ

В.М. БОРОВКОВ, А.В. КУШАКОВ

Санкт-петербургский государственный политехнический университет

В данной статье рассматриваются варианты увеличения маневренности атомных электростанций в соответствии с энергетической стратегией России на период до 2020 года. Приводится технико-экономический расчет одного из возможных способов аккумулирования.

Ключевые слова: АЭС, САТЭ, аккумулятор энергии, маневренность АЭС.

Энергетическая стратегия России на период до 2020 года требует увеличения энергетической безопасности, энергетической эффективности, бюджетной эффективности и экологической безопасности для существующих и вновь строящихся объектов энергетики. В европейской части России предполагается техническое перевооружение ТЭС на газе с замещением паросиловых турбин на парогазовые и максимальное развитие АЭС [1].

В стратегии развития [1] также считается необходимым ликвидировать перекрестное субсидирование и обеспечить дифференциацию тарифов в зависимости от суточного и сезонного графиков покрытия нагрузки. Данное положение повлекло за собой введение РАО ЕЭС России отдельных тарифов на электроэнергию при пиковых нагрузках и в остальное время. Кроме того, в сентябре 2006 года ввели понижающий коэффициент от стоимости электроэнергии для электростанций, не участвующих в режиме общего первичного регулирования частоты (ОПРЧ) сети [2].

Для атомных электростанций такие нововведения существенно снижают прибыль предприятия, так как атомный реактор имеет низкую маневренность. Выходом из сложившейся ситуации является использование аккумуляторов энергии, которые накапливают энергию в период низкого потребления и отдают энергию в период высокого потребления, чем существенно сглаживают пики потребления электроэнергии. Кроме того, установка аккумуляторов энергии позволит АЭС участвовать в режиме регулирования частоты в сети.

О 12 24 11 0 12 24 И

Рис. 1. Принцип работы аккумулятора энергии

В качестве примера, на рис. 1 наглядно показано, как происходит накопление энергии в аккумуляторе во время снижения потребления

© В.М. Боровков, А.В. Кушаков

Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

электроэнергии и использование накопленной энергии во время пиков потребления электроэнергии. В идеальном случае мощность в течении суток может оставаться постоянной.

В настоящей работе рассмотрены способы аккумулирования тепловой энергии для атомного энергоблока в часы суточного минимума графика нагрузок и оценена эффективность такого аккумулирования с использованием баков-аккумуляторов.

Способы аккумуляции тепловой энергии

На инновационном форуме Росатома [3,4] были представлены различные способы аккумулирования энергии:

- гидроаккумулирующие станции;

- тепловые аккумуляторы;

- аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха;

- батареи;

- маховики;

- аккумуляторы на сверхпроводниках;

- суперконденсаторы;

- плазмоидные аккумуляторы.

Наиболее эффективными и не требующими больших капитальных затрат были определены системы аккумулирования тепловой энергии (САТЭ).

На западе применение аккумуляторов тепловой энергии началось в начале 20 века. Так, в 1920г. были сооружены аккумуляторы тепловой энергии в Мальме (Швеция) и Мангейме (Германия). В России аккумуляторы тепла используются на ТЭЦ для выравнивания тепловых нагрузок.

Рассмотрим принципиальную схему аккумулирования (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема САТЭ

За основу была взята упрощенная тепловая схема атомного блока 1000 МВт. К данной схеме была добавлена система аккумулирования тепла (САТЭ), которая состоит из бака холодной воды (БХВ), бака горячей воды (БГВ), пароводяного теплообменника и арматуры. САТЭ работает в двух режимах, а именно: в режиме

накопления энергии и режиме использования накопленной энергии. Принцип действия САТЭ заключается в следующем: в первом режиме аккумулирование тепловой энергии происходит за счет отбора пара из части низкого давления в пароводяной подогреватель, где холодная вода из БХВ нагревается в ПВТО и поступает в БГВ, вследствие дополнительного отбора пара из проточной части турбины выработка мощности уменьшается. В режиме использования накопленной энергии горячая вода из БГВ подается в линию основного конденсата и нагревает конденсат, что позволяет уменьшить отбор пара из паровой турбины на ПНД и, как следствие, увеличить выработку мощности.

Из типового суточного графика нагрузки энергосистемы, показанного на рис. 3, видно, что провалы потребления электроэнергии происходят в ночной период, продолжительностью около 8 часов. А базовое потребление электроэнергии составляет порядка 65%. Исходя из этих данных, нами были проведены тепловые расчеты блока 1000 МВт с применением САТЭ. На режиме накопления энергии во время ночного провала холодная вода в размере 3750 м3/ч нагревается в ПВТО и поступает в БГВ. По результатам теплового расчета на данном режиме мощность блока снижается на 10% по сравнению с режимом работы блока без использования САТЭ. По результатам расчета на режиме использования накопленной энергии при добавлении горячей воды в основной конденсат в размере 1500 м3/ч мощность блока увеличивается на 5% по сравнению с режимом работы блока без использования САТЭ.

0 2 4 6 а 10 12 14 16 13 20 22 24 Рис. 3. Типовой суточный график нагрузки энергосистемы

Выполненные расчеты показывают, что применение САТЭ позволяет увеличить маневренность блока минимум на 15% дополнительно к маневренности атомного реактора.

Для предварительной оценки экономического эффекта от использования САТЭ использовались тарифы Московской области. По данным Мосэнергосбыта стоимость ночного тарифа в Московской области составляет 60,145 коп/кВтч, стоимость полупикового тарифа составляет 85,541 коп/кВтч, а стоимость пикового тарифа составляет 110,937 коп/кВтч. То есть разница между полупиковым и ночным тарифом составляет 25,396 коп/кВтч.

Таким образом, применение системы аккумулирования энергии (САТЭ) для блока 1000 МВт, участвующего в покрытии полупикового режима потребления мощности, за счет разницы тарифов позволяет дополнительно заработать 100 000 кВт х 8 часов х 25,396 = 203 168 р в сутки или более 6 млн. рублей в месяц.

Предварительные расходы на установку дополнительного оборудования приведены в таблице.

Таблица

Стоимость установки дополнительного оборудования

№ п/п Наименование Кол-во Ориентировочные цены, руб

1 Бак холодной воды 30 000 м3 1 10 000 000

2 Бак горячей воды 30 000 м3 1 10 000 000

3 Пароводяной теплообменник 1 5 000 000

4 Насос на линии горячей воды 1 1 000 000

5 Арматура 1 5 000 000

6 Монтаж системы - 5 000 000

7 Проектирование системы - 5 000 000

Всего: 41 000 000

Окупаемость установки системы аккумулирования тепловой энергии на блоке 1000 МВт только за счет разницы тарифов составит 7 месяцев.

Кроме того, за счет участия в регулировании мощности и первичного регулирования частоты сети можно также получить дополнительную прибыль.

Выводы

В работе показана принципиальная возможность реализации системы аккумулирования тепловой энергии (САТЭ), которая потребует установки дополнительного оборудования, а именно: бака холодной воды (БХВ) 30 000 м3, бака горячей воды (БГВ) 30 000 м3, пароводяного теплообменника, насоса и арматуры.

В случае достижения неравномерности суточного графика нагрузок 10% эффективность данного мероприятия может достигнуть более 6 млн. рублей в месяц при разнице тарифов 25,4 коп/кВт*ч.

Summary

The present article considers the options for improvement of nuclear power plant flexibility according to the Energy Strategy of Russia until 2020. The article also provides technical and economic calculation for one of the possible ways of energy storage.

Key words: nuclear power plant, thermal energy storage system, energy storage device, nuclear power plant flexibility.

Литература

1. Энергетическая Стратегия России на период до 2020 года.

2. Постановление Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006г. №529 г. Москва «О совершенствовании порядка функционирования оптового рынка электрической энергии (мощности)».

3. Система аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) повысит конкурентоспособность АЭС в условиях суточного регулирования электрических нагрузок / К.И. Сопленков, В.М. Чаховский, А.Л. Воронин: Материалы инновационного форума РОСАТОМА. ОАО «ВНИИАЭС», июнь 2007г.

4. Наиболее эффективные способы аккумулирования энергии и перспективы использования технологии аккумулирования энергии в атомной

© Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

отрасли / В.Н. Нуждин, А.А. Просвирнов: Материалы инновационного форума РОСАТОМА. ВНИИАЭС, июнь 2007г.

Поступила в редакцию 27 октября 2009 г.

Кушаков Алексей Викторович - эксперт отдела режимов ООО «ГазЭнергоКонсалт», аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета. Тел.: 8-921-4067718. Е-шаП: akushakov@list.ru.

Боровков Валерий Михайлович - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета. Тел.: 8-921-9878167.