К вопросу участия АЭС в регулировании частоты тока и мощности энергосистемы

УДК 621.181.29

К ВОПРОСУ УЧАСТИЯ АЭС В РЕГУЛИРОВАНИИ ЧАСТОТЫ ТОКАИ МОЩНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

В.В.Бажанов, И.И.Лощаков, А.П.Щуклинов

Санкт-Петербургский государственный St. Petersburg state

политехнический университет, polytechnical university,

Научно-производственное объединение Scientificproduction association

ЦКТИ CRTI

В статье рассматривается вариант привлечения АЭС к участию в диспетчерском графике нагрузок путём аккумулирования тепловой энергии в часы ночного минимума нагрузок с последующей выдачей накопленной энергии в часы максимума нагрузок. При этом акцентируется внимание на возможности системы аккумулирования тепловой энергии значительно облегчить АЭС проходить нестационарные режимы, в частности, участвовать в регулировании частоты тока энергосистемы. Сформулированы основные задачи исследования данной системы для более глубокого обоснования целесообразности её привлечения для решения затронутых проблем.

Ключевые слова:АЭС, система аккумулирования тепловой энергии (САТЭ), первичное регулирование частоты тока (ПРЧ).

This article studies the way of involvement the nuclear power plant to participation in the dispatching schedule by accumulation of thermal energy at a nighttime minimum of electric demand and then using this saved-up energy at daytime maximum of electric demand. The article pays great attention to possibilities of the system of thermal energy accumulation which can facilitate the process of passing non-stationary modes by nuclear power plant, in particular to participate in regulation of current frequency of a unified energy system. The main objectives of research of this system for deeper proof of expediency of its using for the solution of the mentioned problems are formulated.

Keywords: NPP - Nuclear power plant, system of thermal energy accumulation, primary regulation of current frequency.

Введение

Утверждённая в 2006 году Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России...» предполагает масштабное строительство новых атомных энергоблоков, призванных заменить выбывающие мощности и удовлетворить непрерывный рост энергетических потребностей страны.

Увеличение доли АЭС в общем производстве электроэнергии и уменьшение доли ТЭС, которые могут привлекаться к работе в маневренных режимах, делает необходимым привлечение АЭС к регулированию производства электроэнергии в разное время суток - увеличению производства в дневное время и, соответственно, снижению производства в ночное время.

В настоящее время АЭС привлекаются только к покрытию постоянной (базовой) части графика нагрузок. Это вызвано двумя обстоятельствами: во-первых, в связи с более высокой капитальной составляющей стоимости электроэнергии на АЭС по сравнению с ТЭС - атомные энергоблоки экономически выгоднее эксплуатировать на мощностях, близких кмаксимальным, во-вторых, в связи с низкими маневренными

характеристиками активных зон ядерных реакторов.

Проведенный во ВНИИАЭС в 2003-2004 годах технико-экономический анализ эффективности различных возможных решений по созданию энергетических комплексов переменной мощности (АЭС с улучшенными маневренными характеристиками активной зоны; АЭС с газотурбинной установкой (ГТУ), с парогазовой установкой (Ш У), с гидроаккумулирующей электростанцией, с системой аккумулирования тепловой энергии (САТЭ)) достаточно убедительно показал, что применение аккумулирования тепловой энергии на АЭС в складывающихся системно-режимных условиях работы России является наиболее экономичным техническим решением. [1]

Опираясь на выводы вышеуказанного анализа в ОАО «Атомэнергопроект» совместно с ВНИИАЭС были выполнены проработки САТЭ применительно к уже реализуемому проекту «АЭС-2006» выходной мощностью 1200 МВт с возложением на АЭС функции участия в покрытии переменной части диспетчерского графика нагрузки.

1 Система аккумулирования тепловой энергии

Сама идея аккумулирования тепловой энергии не нова. В России получило распространение аккумулирование тепловой энергии на ТЭЦ и отопительных котельных в виде аккумулирования горячей сетевой воды. Применительно к АЭС в 80-х годах прошлого столетия было разработано технико-экономическое обоснование строительства первой АЭС с аккумулированием тепловой энергии (Татарская АЭС с ВВЭР-1000). Аккумулирование предполагалось осуществлять за счёт накапливания горячей питательной воды. Основным недостатком данного варианта аккумулирования тепловой энергии является наличие больших ёмкостей с давлением 3,2 МПа.

В разрабатываемых в настоящее время проектах АЭС с ВВЭР и САТЭ принята система с использованием в качестве аккумулирующей среды высокотемпературного теплоносителя, в частности ТВЛ-300, работающего при давлении 0,5 МПа.

Принципиальная тепловая схема данной АЭС показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная тепловая схема энергоблока АЭС в совокупности с САТЭ

На рисунке 1 условно обозначено: ПГ - парогенератор, СРК - стопорно-регулирующий клапан, ЦВД - цилиндр высокого давления, С - сепаратор, ПП1 -первая ступень пароперегревателя, ПП2 - вторая ступень пароперегревателя, ЦСД -цилиндр среднего давления, ЦНД - цилиндр низкого давления, К - конденсатор, КН -конденсационный насос, КПУ - конденсатор пара уплотнений, ПНД - подогреватель низкого давления, СН - сливной насос, Д - деаэратор, ПН - питательный насос, ПВД -подогреватель высокого давления, КТЗ - конденсационный теплообменник зарядки, ТРВД - теплообменник разрядки высокого давления, ТРНД - теплообменник разрядки низкого давления, БАК ВТТ - бак высокотемпературного теплоносителя, ЦН -циркуляционный насос.

Нагрев теплоносителя производится теплотой конденсации в так называемых теплообменниках зарядки части свежего пара, отбираемого из основного потока в часы снижения нагрузки. Нагретый теплоноситель накапливается в специальных баках и может в случае необходимости возвратить тепло рабочей среде (основному конденсату и питательной воде) энергоблока. Возврат тепла производится в специальных теплообменниках разрядки САТЭ, байпасирующих регенеративные теплообменники, что позволяет полностью или в значительной степени исключить необходимость в отборе пара на подогрев конденсата и питательной воды и использовать его на увеличение мощности турбины.

2 Участие АЭС с САТЭ в регулировании частоты тока

Увеличение доли АЭС в общем производстве электроэнергии делает необходимым, помимо участия в диспетчерском графике нагрузок, привлечение АЭС к участию в регулировании частоты тока в энергосистеме.

До настоящего времени основным препятствием привлечения АЭС к участию в регулировании частоты тока в энергосистеме считалась низкая циклическая прочность активной зоны реакторов, несмотря на то, что реакторная установка при регулировании энергоблоком частоты тока в сети участвует только в регулировании давления пара в парогенераторе, являющимся более медленным процессом.

В последнее время появились материалы [2], указывающие на возможность участия АЭС в регулировании частоты тока в сети, правда, в довольно узком диапазоне мощностей.

Тем не менее, учитывая, что участие АЭС в регулировании частоты тока ведет к снижению ресурса реакторного оборудования, представляет практический интерес исследование возможности поддержания давления в ПГ другими средствами, например, изменением температуры и расхода питательной воды в режиме разрядки, или изменением расхода пара на конденсационный теплообменник зарядки САТЭ в режиме зарядки.

В реальности наличие САТЭ позволит энергоблоку более легко осуществлять не только регулирование частоты тока в сети и не только в режимах зарядки и разрядки, но и облегчает энергоблоку прохождение многих переходных и аварийных режимов.

3 Задачи исследования

Для обоснования целесообразности привлечения САТЭ для регулирования давления в парогенераторе в динамических режимах энергоблоков АЭС необходимо ответить на ряд вопросов:

1) удовлетворяют ли по своей инерционности конденсационный теплообменник зарядки САТЭ и теплообменник разрядки высокого давления предъявляемым требованиям по обеспечению регулирования давления пара в парогенераторе

(теплообменник разрядки низкого давления не рассматривается, т.к. по своей схеме включения участвовать в регулировании давления пара в ПГ не может);

2) каким требованиям по своим маневренным возможностям должна отвечать привлекаемая к регулированию давления пара в ПГ регулирующая арматура (регулирующий клапан на отборе свежего пара к конденсационному теплообменнику зарядки, регулирующий питательный клапан и регулирующий клапан на подаче горячего масла к теплообменнику разрядки высокого давления);

3) каким образом должно обеспечиваться регулирование давления в парогенераторе при регулировании частоты тока в сети в промежутках между зарядкой и разрядкой САТЭ, т.е. когда САТЭ отключено от второго контура. Правда, и здесь имеются некоторые возможности: например, прикрытие хотя бы одного из отборов пара на регенерацию с целью увеличения мощности турбины, а уменьшение мощности - путём сброса пара через БРОУ-К в конденсатор, пока не будет подключён конденсационный теплообменник зарядки.

На решение этих вопросов и должно быть обращено внимание специализированных научно-исследовательских центров.

Литература

1. Чаховский В.М., Сопленков К. Сэкономим? Энергоэффективность теплоаккумулирующих систем в атомной энергетике. / В.М.Чаховский, К.Сопленков // Росэнергоатом. - 2010. - №2.

2. Аверьянова С.П., Дубов А.А., Косоуров К.Б., Филимонов П.Е., Температурное регулирование и маневренность ВВЭР-1000/ С.П.Аверьянова, А.А.Дубов, К.Б.Косоуров, П.Е.Филимонов // Атомная энергия. - Т. 109. -октябрь 2010.- вып.4.

Бажанов Владислав Васильевич-НПО ЦКТИ (НПО Центральный котлотурбинный институт), ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, доцент каф. «Атомные и тепловые энергетические установки». E-mail: vladisl avbazhanov@yandex. ru

Лощаков Игорь Иванович - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра «Атомные и тепловые энергетические установки», заведующий кафедрой, доктор физико-математических наук, профессор. E-mail: Loshchakov@mail.ru, aiteu@spbstu.ru

Щуклинов Алексей Павлович - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра «Атомные и тепловые энергетические установки». E-mail:mupol@mail.ru

Bazhanov Vladislav V. - Scientific production association Central reactor-turbine Institute, leading researcher, candidate of Technical sciences, associate professor of the department «Nuclear and thermal power plants». E-mail: vladislavbazhanov@yandex.ru

Loshchakov Igor I. - St. Petersburg state polytechnical university, department «Nuclear and thermal power plants», head of the department, doctor of Physical and Mathematical sciences, professor. E-mail:Loshchakov@mail.ru, aiteu@spbstu.ru

Shchuklinov Alexey P. - St. Petersburg state polytechnical university, department «Nuclear and thermal power plants». E-mail: mupol@mail.ru