автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Повышение системной эффективности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией

На правах рукописи

НОВИКОВА Зоя Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ СИСТЕМНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ АЭС И ГТУ С ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005544788

Саратов-2013

005544788

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хрусталев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Кудинов Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции»

Баженов Александр Иванович кандидат технических наук, доцент, ФГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» доцент кафедры «Теплоэнергетика»

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский Научно-

исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций», г. Москва

Защита состоится «08» ноября 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77, корп. 1, ауд. 1/319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « Я » октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /У

кандидат технических наук, профессор ^ Ларин Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Одним из перспективных направлений повышения маневренности и надежности энергоблоков атомных станций является комбинирование схем АЭС и ГТУ. Энергокомплекс на базе АЭС и ГТУ позволяет вырабатывать дополнительную пиковую мощность при высокой экономичности работы турбоустановок АЭС и ГТУ без изменения тепловой мощности реакторной установки. Комбинирование схем обеспечивает возможность участия АЭС в регулировании неравномерностей суточного графика нагрузки, а также в первичном и противоаварийном регулировании частоты в энергосистемах. Однако такой энергокомплекс неэффективен в бездефицитные периоды, так как требуются останов ГТУ и разгрузка реакторной установки АЭС, особенно в часы ночного провала графика нагрузки.

Недостатком такой комбинированной схемы является также невозможность автономной работы ГТУ без резервного источника утилизации теплоты уходящих газов. Эти проблемы могут быть частично или полностью исключены, если в состав энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ включить систему аккумуляторов энергии.

Целью исследования является повышение системной эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода.

В соответствии с целью определены основные задачи исследования:

1. Разработка и обоснование перспективных новых комбинированных схем АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов теплоты.

2. Разработка методики и расчетной блок-схемы термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

3. Разработка критериев оценки эффективности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с аккумуляцией энергии в условиях энергосистем с растущей долей АЭС.

4. Разработка экономико-энергетической модели анализа энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

5. Расчетная оценка конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией с учетом неравномерности графиков электрических нагрузок и динамики ценовых показателей.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана приоритетная схема энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода, обеспечивающая повышение технико-экономической эффективности.

2. Разработана методика и расчетная блок-схема термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

3. Разработана методика оценки технико-экономической эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазово-

го перехода в условиях суточной и недельной неравномерностей графика электрических нагрузок.

4. Определены показатели конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией для ступенчатого суточного графика электрических нагрузок в сравнении с альтернативным энергоисточником.

Практическая ценность результатов диссертационной работы следует из актуальности проблемы.

Разработанная приоритетная схема энергоблока на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода (САФП) запатентована (Пат. №2489574 РФ) и является одним из способов решения задачи повышения мощности и маневренности энергоблоков АЭС. Для принятых схемных вариантов проведено обоснование способов зарядки и разрядки аккумуляторов теплоты.

Разработана методика термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

Разработана методика оценки технико-экономической эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода в условиях суточной и недельной неравномерностей графика электрических нагрузок.

Проведена оценка конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией для ступенчатого суточного графика электрических нагрузок и динамики ценовых показателей в сравнении с альтернативным энергоисточником.

Полученные результаты могут быть учтены в дальнейших исследованиях по эффективности энергокомплексов на базе АЭС, вводимых в энергосистемах с растущей долей АЭС.

Разработанные комбинированная схема на базе АЭС и ГТУ с САФП и методика термодинамического и схемно-параметрического анализа данного энергокомплекса могут использоваться в учебном процессе, аспирантами в НИР, студентами в дипломном проектировании, бакалаврами и магистрами в выпускных квалификационных работах.

Основные результаты диссертационной работы вошли в отчёты по научно-исследовательским работам Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН и кафедры «Тепловые и атомные электрические станции» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., выполненные по повышению мощности и маневренности АЭС в энергосистемах.

На защиту выносятся:

1. Приоритетная схема и способы эксплуатации энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода.

2. Методика и расчетная блок-схема термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

4

3. Методика укрупненной оценки объема теплоаккумулирующих веществ и габаритов системы аккумуляции теплоты для разных условий использования оборудования энергокомплекса.

4. Методика сравнительной оценки технико-экономической эффективности и результаты обоснования конкурентоспособности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией и АЭС с Г АЭС в условиях неравномерности графика электрических нагрузок и изменяющихся тарифов на электроэнергию и стоимости ядерного и газового топлив.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием широко известных и апробированных в теплоэнергетике методик термодинамического энтальпийного расчета влажно-паровых АЭС, энергетических ГТУ и традиционных парогазовых установок, системного технико-экономического анализа эффективности энергокомплексов и корреляцией полученных зависимостей и показателей с результатами работ других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Саратовского научного центра РАН (Саратов, 2011-2013), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011, 2012), Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2011, 2012), Международной научной конференции «Молодые ученые за инновации: создавая будущее» (Саратов, 2011), Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (Москва, Институт тепловой и атомной энергетики МЭИ, 2012).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, из них 4 статьи в изданиях по рекомендуемому списку ВАК РФ. Получен патент Российской Федерации на изобретение №2489574.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка принятых сокращений, введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем 145 страниц, включая 30 рисунков и 43 таблицы. Список использованной литературы содержит 95 наименований, в том числе 11 иностранных и 21 электронных адресов сайтов сети Интернет.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы роста атомной энергетики в ОЭС России, обоснована актуальность диссертационной работы, определены объект, цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность диссертационной работы. Приведены методические положения, выносимые на защиту. Перечислены конференции, где проходила апробация материалов, вошедших в диссертацию.

В первой главе «Анализ работ, выполненных по теме исследования в России и за рубежом» проведен анализ известных схемно-параметрических решений комбинирования АЭС и ГТУ в России и за рубежом, выявлены их не-

достатки. Рассмотрены перспективные системы аккумулирования энергии. Приведено сопоставление конструкций, характеристик и параметров тепловых аккумуляторов и свойств аккумулирующих сред.

Вопросами повышения маневренности и мощности паротурбинной установки, в частности ПТУ АЭС, за счет пристройки газового цикла или аккумуляции теплоты занимались многие отечественные и зарубежные авторы. Так значительный вклад в исследование парогазовых установок и оптимизацию их параметров внесли Ольховский Г.Г., Цанев C.B., Буров В.Д., Трухний А.Д., Рыжкин В.Я., Аминов Р.З., Циклаури Дж. В., Дурст Б.М. и др.). Работы по исследованию систем аккумулирования тепловой энергии опубликованы отечественными авторами: Онищенко В. Я, Чаховский В.М., Сопленков К.И. Левенберг В.Д и др. Огромный научный вклад в исследования систем сохранения энергии внесли зарубежные организации Electric Power Research Institute (EPRI), European Parliament's committee on Industry, Research and Energy (ITRE), Beacon Power и др.

Анализ выполненных работ по использованию комбинирования влажно-паровых турбин и ГТУ выявил задачу повышения эффективности прохождения такой установкой провалов графиков нагрузки и необходимость резервного (непроектного) источника утилизации тепла уходящих газов ГТ. Одним из решений этой задачи является включение в энергокомплекс на базе АЭС и ГТУ системы аккумуляторов тепловой энергии.

Во второй главе «Разработка методик термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплексов на основе комбинирования энергоблоков АЭС с ВВЭР и ГТУ» приводится обоснование разработанной перспективной схемы комбинирования АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода. На основе анализа известных схемно-параметрических решений комбинирования влажно-паровой АЭС и ГТУ предложена схема энергокомплекса на базе АЭС с системой аккумуляторов фазового перехода (рис.1). Разработанная схема защищена патентом на изобретение «Парогазовая установка на базе АЭС» (Пат. 2489574 РФ от 10.08.2013).

Предложенная схема энергокомплекса содержит турбоустановку блока АЭС с ВВЭР-1000 и две ГТУ мощностью по 180 МВт - ГТЭ-180 (разработчики ОАО ЛМЗ, ОАО «Авиадвигатель», Пермь и ОАО ВТИ). При этом повышение мощности АЭС возможно за счет перегрева свежего пара перед ЦВД на 5-25 °С, вытеснения паропарового перегрева и подогрева питательной воды в ПВД, а также дополнительного перегрева промежуточного пара перед ЦНД на 10-45 °С выше расчетного с помощью системы аккумуляторов фазового перехода (САФП). Вытеснение регенеративного подогрева в ПВД также возможно и безаккумуляторным путем в газопаровом подогревателе (ГВП).

Предложены способы использования аккумулированной теплоты САФП в паротурбинном цикле в пиковый период: А - обеспечение легкого перегрева свежего пара перед ЦВД;

фазового перехода (Пат. 2489574)

В - дополнительный перегрев промежуточного пара перед ЦНД выше проектного, но ниже уровня, требующего создания новой турбоустановки, т.е. не более чем на 30 + 35 °С;

С - частичное или полное вытеснение паропарового перегрева промежуточного пара с дополнительным его перегревом перед ЦНД выше проектного;

Б - комбинирование способов А и В; Е - комбинирование способов А и С;

Р - комбинирование способа А с вытеснением промежуточного паропарового перегрева;

А-РС - комбинирование способов А-Р с частичным или полным замещением регенеративного подогрева в ПВД.

Разработана методика расчета эффективности предложенного энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП (далее энергокомплекс), по которой составлена расчетная блок-схема (рис. 2).

Проведена оценка эффективности ГТЭ-180 в составе энергокомплекса в зависимости от температуры наружного воздуха (табл. 1). Анализ результатов показал, что в зимние режимы при низких отрицательных температурах наружного воздуха потенциал теплоты уходящих газов ГТУ не обеспечивает потребную зарядку САФП. Для поднятия температуры уходящих газов до необходимого уровня предложено использование дожигающего устройства. При расчете турбоустановки АЭС учтены: расходы пара, начальные давления и сухость, конечные недогревы по ступеням промперегрева и сухость пара за сепарационной частью СПП, давления в отборах, в конденсаторе и ряд других характеристик.

Основные расчетные характеристики ГТУ

Параметры Значение параметра при температуре наружного воздуха

-30 +15 +30

Температура уходящих газов ^, °С 522,5 544,7 555

Расход уходящих газов, Оух г., кг/с 620 602,6 590

Электрическая мощность ГТУ К,, МВт 219 180 163

Электрический КПД ГТУ г]ГГу, % 0,379 35,2 33,5

/Выбор состава и технологической схемы энерго- / комплекса /

Б'гоу.М!

Оиежа эффектности цеповых 1 IV в составе эаергокомплехса при базовой режиме н тхках

I

/Выбор способов обеспечения прироста мощности ПТУ АЭС в составе энгргокомплекса за счет САФП

' Выбор тешюаккуыулфующего вещества и его количества для секций САФП

Бло\-МЗ

Оиекыдезффициема мялопередачн и габаршню трамегроЕ секщзЪ ни

предварительно А луннягон коггегрущ!^ б шов ¡1 калечл САФП

_4_

¿юкЛН

Расчет приростов мощности ПТУ АЭС лри утилизации посредством САФП уходящих газов ГТУ в разных участках графика нагрузки

Блок .N2 5

Расчет вьбранкых критериев эффективности энгргокомплекса (т)«, М*, ДМр«, КИУМ»)

Блек N46

Системное техннко-экономическое сопоставление по эффективности энергокомплекса с альтернативными вариантами

Бьвод результатов расчета

Рис. 2. Расчетная блок-схема оценки эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП

Разработана формула обобщенного КПД энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией, включающая сумму всех приростов удельной работы в сравнении с расчетным номинальным значением в цикле ПТУ АЭС, обеспечиваемых порознь или совместно в разных сочетаниях принятыми способами утилизации теплоты отработавших газов ГТУ.

Т1» =-^Т^-' ()

где 1, - удельная работа ГТУ, кДж/кг; <3„ = Бо/ в, - отношение базовых расходов рабочих тел в паровой и газовой турбинах; 1„ - удельная работа ПТУ на расчетном номинальном режиме, кДж/кг; А1"ср - прирост удельной работы ПТУ при перегреве свежего пара, кДж/кг; Д1™£ - прирост удельной работы ПТУ при вытеснении ступеней ПП и перегреве пара СПП, кДж/кг; Д1™ - прирост удельной работы ПТУ при вытеснении ПВД, кДж/кг; я,. - подводимая теплота в камере сгорания ГТ, кДж/кг; - подводимая от реакторной установки теплота к паровой турбине, кДж/кг.

Результаты расчета приростов мощности на АЭС в составе энергокомплекса и КПД всего энергокомплекса приведены в табл. 2.

Таблица 2

Изменение прироста пиковой мощности ДЫПИК на АЭС и г|.1К энергокомплекса АЭС+ГТУ+САФП в вариантах его эксплуатации

Способы работы САФП А В С О Е К

Без замещения ПВД АН,,,,, МВт 18,2+73,5 10,4+52,5 37,1+126,7 28,7+132,8 127+222,6 72,9+125,4

Чэ„ % 36,15+37,29 36+36,87 36,53+38,4 36,37+38,54 38,41+40,4 37,28+39,21

С замещением ПВД (С) лн,„к, МВт 35,2+107,8 35,2+86,6 80,2+178,1 63,7+163,4 172,4+261,7 125,5+202,1

Ч„, % 36,5+38 36,5+37,58 37,44+39,48 37,1+39,17 39,36+41,22 38,3+39,98

Наиболее полный эффект комбинирования АЭС и ГТУ обеспечивается совместным использованием всех способов утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины, включая замещение регенеративного подогрева питательной воды в ПВД (варианты А-РО). Разработана методика оценки эффективности вытеснения ПВД в схеме энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ, которая является общей для случаев частичной или полной компенсации подогрева питательной воды как в газоводяном подогревателе (ГВП), так и в аккумуляторах фазового перехода (АФП).

В диапазоне изменения температуры наружного воздуха от -30 до +30 °С для принятых способов эксплуатации энергокомплекса его КПД изменяется от 35,1 до 42,15 % и мощность - от 1336 до 1700 МВт.

Рассмотрено два способа покрытия недельного графика нагрузки энергокомплексом ГТУ+АЭС+САФП. При первом способе а в рабочие дни недели для более глубокого снижения нагрузки комплекса в провальный период предполагается останов обеих ГТУ (рис. 3). САФП поделена на две одинаковые по объему секции ВТА, одна из которых (ВТА-1) к началу провала графика нагрузки полностью заряжена от ГТУ, и одну секцию СТА, которая заряжается в бездефицитный период тпр от энергоблока АЭС. Реактор АЭС в течение суток работает на номинальном режиме. Зарядка СТА осуществляется свежим паром с 1о = 275 °С, образовавшийся конденсат сбрасывают в линию питательной воды.

К началу пикового периода графика нагрузки секция СТА полностью заряжена. В первую пиковую ступень графика нагрузки тШ1К1 для прироста

мощности АЭС вытесняется регенеративный подогрев в верхнем ПВД только за счет секции СТА. Зарядка второй высокотемпературной секции (ВТА-2) начинается со включением обеих газотурбинных установок на время тПИК2 = 24 — тпр - тл.,К1. Уходящие газы после высокотемпературных аккумуляторов дополнительно утилизируются в газоводяном подогревателе (ГВП), который вытесняет регенеративный подогрев в верхнем ПВД паротурбинной установки АЭС. В период максимального спроса электроэнергии ттах разряжают первую секцию ВТА. Время тт.1Х зависит от способа использования аккумулированной теплоты одной из секций ВТА САФП в паротурбинном цикле.

N3, МВт 1600 -

1500 -

1400 -

1300 -

1203 -

1100 -

ЮМ -

900

-----ГТУ

----АЭС

Рис. 3. Покрываемый энергокомплексом график нагрузки электроэнергии в рабочие дни (пн.-чт.) по способу а)

После прохождения пика нагрузки в пятницу обе ГТУ отключают на выходные дни, одна секция ВТА САФП заряжена, другая - разряжена. Реактор АЭС, как и ранее, работает на номинальной тепловой мощности. Зарядка секции СТА системы аккумуляторов осуществляется в провал графика нагрузки с воскресенья на понедельник (рис. 5а).

При втором способе б покрытия недельного графика нагрузки энергокомплексом в рабочие дни в период провала нагрузки в работе остается только одна ГТУ из двух (рис. 4). САФП так же как и в способе а поделена на две секции ВТА, одна из которых на момент прохождения провала графика нагрузки уже полностью заряжена. Половина второй секции аккумуляторов заряжается, утилизируя тепло уходящих газов работающей ГТУ. Некоторое повышение КИУМ и КПД ПТУ АЭС в составе энергокомплекса в бездефицитный период возможно частичным вытеснением регенеративного подогрева в верхнем ПВД за счет газоводяного подогревателя.

В пиковый период предполагается работа обеих ГТУ, при этом тепло уходящих газов утилизируется путем зарядки второй половины секции ВТА. Теплота уходящих газов после высокотемпературных аккумуляторов дополнительно утилизируется в газоводяном подогревателе. В период максимального спроса электроэнергии ттах разряжают первую секцию ВТА.

Nb, МВТ

1600 -

— m

---АЭС

Рис. 4. Покрываемый энергокомплексом график нагрузки электроэнергии в рабочие дни (пн.-чт.) по способу 6)

После прохождения пика нагрузки в пятницу обе ГТУ отключают на выходные дни, одна секция САФП заряжена, другая - разряжена, реактор АЭС работает на номинальной тепловой мощности. Одну ГТУ включают с воскресенья на понедельник, используя теплоту уходящих газов для подзарядки ранее заряженной секции САФП, а также для зарядки другой секции (рис. 56).

сб

а

г1.....-L

ПТ сб ее

б

Рис. 5. Покрываемые энергокомплексом графики нагрузок в предвыходной (пятница) и выходные дни для способов а) и б)

В результате анализа расчетов эффективности по предложенной методике были выбраны массы теплоаккумулирующего вещества (TAB): для способа покрытия графиков нагрузки а обе секции ВТА по 3750 т и СТА — 1782,6 т, а для способа б - секции ВТА по 5000 т.

Параметры эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией

Наименование Обозначение Способы пок наг] зытия графика рузки

а б

Регулировочный диапазон, ДЫрег МВт 697,8 519,3

КИУМ,к недельный - 0,85035 0,889

КПД энергокомплекса г(,к, осредненный за период:

пн.-чт. - 0,3563 0,3708

пт. - 0,3569 0,3628

сб. - 0,3415 0,3415

ВС. - 0,3410 0,3516

неделя в целом - 0,3521 0,3627

Удельный расход условного топлива энергокомплекса Ь,к, осредненный за период:

пн.-чт. кг у.т/(кВтч) 0,3459 0,3324

пт. кг у.т/(кВт-ч) 0,3454 0,3398

сб. кг ул/(кВтч) 0,3609 0,3609

ВС. кг у.т/(кВт-ч) 0,3614 0,3506

неделя в целом кг у.т/(кВрч) 0,3500 0,3398

Среднегодовой уд. расход условного топлива энергокомплекса, Ьсп1< кг у.т/(кВт-ч) 0,3499 0,3419

В третьей главе «Разработка методики оценки технико-экономических показателей энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с аккумуляцией теплоты» разработана экономико-энергетическая модель развития энергосистем вводом энергокомплексов АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода. Выявлены и обоснованы факторы, влияющие на конкурентоспособность энергокомплекса. Проведена оценка его технико-экономической эффективности в условиях покрытия недельной неравномерности графика электрических нагрузок и динамики ценовых показателей.

В процессе расчета показателей эффективности сравниваемых вариантов а и) (табл. 4) учтено влияние:

- изменения стоимости топлива и тарифов на отпускаемую электрическую энергию в течение расчетного периода;

- горизонта расчета, состоящего из общего срока сооружения и службы объекта.

Удельные капвложения в энергоустановки энергокомплекса определены по формуле

\та1С . К"0 + ТчГ|у ■ Кпу

К™ = уст уд уд /,

уд мпс + Мпу ' '

уст уст

где К^, К™ - удельные капитальные вложения в ГТУ и АЭС.

Дополнительно учтены К™-удельные капвложения в высокотемпературную секцию САФП; К^"'1""- среднетемпературную секцию САФП и в газоводяной подогреватель.

Таблица 4

Показатели общей эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП и энергоустановок, входящих в него

Наименование Способы работы покрытия графиков нагрузки энергокомплексом

а б

Энергоустановка ГТУ АЭС ЭК ГТУ АЭС ЭК

КИУМ годовой 0,3425 0,9857 0,8154 0,462 0,9929 0,8524

Уд. расход условного топлива на выработку ээ, кг у.т./кВт-ч 0,349 0,296 0,3500 0,3494 0,2933 0,3398

Число часов использования установленной мощности, ч/год 3000 8635 7143 4047 8698 7467

Выработка ээ, кВт-ч/год 1080000 8155900 9235900 1458000 8697685 10155685

Отпуск ээ с шин, кВт-ч/год 1036800 7699170 8735970 1399680 8210615 9610295

Приведены результаты расчетов технико-экономических показателей при разных темпах роста стоимости газа и ядерного горючего и тарифов на электроэнергию (табл. 5, 6).

Таблица 5

Показатели эффективности энергокомплекса при средних темпах роста ценовых показателей

Наименование Значения для способа покрытия графика нагрузки а Значения для способа покрытия графика нагрузки б

Уд. капиталовложения в энергокомплекс, долл./кВт 2500 3000 4000 2500 3000 4000

ЧДЦ, млн. руб. 148861 127832 85784 158670 137990 93384

Индекс доходности 2,64 2,1 1,5 3,0 2,5 1,8

Срок окупаемости, лет 18,1 21,1 28,2 17,4 20,2 27,5

* темпы роста: 8% на тарифы отпускаемой электроэнергии, 5% I! 8% на стоимость ядерного топлива и природного газа

Показатели эффективности энергокомплекса при средних темпах роста ценовых показателей*

Наименование Значения для способа покрытия графика нагрузки а Значения для способа покрытия графика нагрузки б

Уд. капиталовложения в энергокомплекс, долл./кВт 2500 3000 4000 2500 3000 4000

ЧДЦ, млн. руб. 273513 252630 210582 306200 285520 240915

Индекс доходности 4,06 3,34 2,44 4,91 4,05 2,9

Срок окупаемости, лет 16 18,2 22,6 15,1 17,1 21,3

**темпы роста: 10% на тарифы отпускаемой электроэнергии, 7% и 10% на стоимость ядерного топлива и природного газа

В четвертой главе «Системная эффективность энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с аккумуляторами фазового перехода» показаны условия его конкурентоспособности в сравнении с альтернативными энергоисточниками.

Энергетическая сопоставимость вариантов достигается из условий совпадения во времени и по обеспечиваемой величине заданных ступеней изменения мощности включением (выключением) отдельных секций САФП и отдельных групп гидротурбин с выдачей части мощности АЭС (параллельно с зарядкой ГАЭС) в промышленную сеть (рис. 6).

N3 МВт 1600 -1 15») 1400

и™ -1200 иоа -

1000

800

ТОО

Л N5'

15 1Е 20 32 24

О 2 4 6 в 10 12 14 15 13 20 22 24

в)

Рис. 6. Пример альтернативного покрытия многоступенчатого графика нагрузки энергокомплексами а) АЭС и ГТУ с САФП и б) АЭС и ГАЭС

На рис. 6: ди;0" - дополнительно получаемая на турбоустановке блока АЭС мощность при вытеснении греющего потока пара в верхнем ПВД, МВт; бМ'Г - дополнительно получаемая на турбоустановке блока АЭС мощность при вытеснении греющих потоков пара в СПП, легком перегреве свежего пара или других схемах утилизации тепла уходящих газов ГГУ, посредством их предварительной аккумуляции в САФП, МВт; дм;»' - вновь вводимая (потребная замещаемая) мощность АЭС, требуемая для зарядки ГАЭС (при сопоставлении вариантов покрытия суточных графиков нагрузки различной конфигурации в расчетных экспериментах), МВт; лмап" - часть вновь вводимой мощности АЭС, направленная на покрытие полупика, МВт; ДНгазс, - постепенное включение отдельных групп гидротурбин для покрытия ступеней суточного графика нагрузки, МВт; тпр, тп„кЬ тга,к2, тпт - время провала, полупика, пика и максимального пика суточного графика нагрузки, ч.

Разработана методика оценки и получены результаты сопоставления по эффективности предлагаемых вариантов энергокомплексов АЭС и ГТУ и АЭС с ГАЭС с учетом: замещения нового сооружения АЭС (под зарядку ГАЭС); потерь в процессе зарядки-разрядки; диапазона отпускных тарифов на электроэнергию; ценовых характеристик сооружения ГАЭС и новых АЭС.

В результате расчетов по разработанной методике сопоставления для способа а покрытия графиков нагрузки энергокомплексом с одной стороны и АЭС с ГАЭС с другой получено, что Л1\Г,а,с = 183,6 МВт, ДМ';1" = 211,6 МВт.

По полученным данным и графику нагрузки (рис. 7) проведен расчет технико-экономических показателей энергокомплекса АЭС+ГАЭС. В табл. 7 представлены результаты оценки сопоставления конкурентоспособности предлагаемых вариантов энергокомплекса АЭС и ГТУ и АЭС с ГАЭС.

Таблица 7

Сравнение технико-экономических показателей эффективности покрытия _графиков нагрузки энергокомплексами*_

Наименование АЭС+ГТУ+САФП АЭС+ГАЭС

Уд. капиталовложения в энергокомплекс, долл./кВт 2500 3000 4000 2500 3000 4000

Годовой отпуск электроэнергии энергокомплексом, млрд. кВт-ч 8,736 8,732

Погрешность баланса отпуска электроэнергии с шин энергокомплекса, % - 0,046

ЧДД, млн. руб. 148861 127832 85784 21805 7253 -8854

Индекс доходности 2,64 2,1 1,5 2,21 1,73 1,36

Срок окупаемости Ток, лет 18,1 21,1 28,2 26,6 36,3 более 45

* расчет проведен для среднего темпа роста ценовых показателей (см. табл. 5)

Разработана методика и получены результаты сравнения эффективности регулирования нагрузки графика энергокомплексом АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией и типовыми энергоблоками АЭС (пбл). Экономия топлива в условном эквиваленте при прохождении провала графика путем раз-

грузки энергокомплекса с замещением снижения мощности типовых энергоблоков АЭС:

двпр=дв^+дв^

при условии заданной «провальной» мощности графика нагрузок

(2)

N^•N1=11* -КГ- N«-N1

ЧпР ^эк — "бл

-пр —б

чаэс -1 ч аэс

где ДВ®кпр- изменение расхода топлива энергокомплекса при переходе с базового на «провальный» режим кг у.т/сут; ДВ'™1' - изменение расхода топлива АЭС при догрузке энергоблока в «провальный» период потребительского графика нагрузок, кг у.т/сут;

- установленная единичная мощность энергоблока АЭС, кВт; N1;™ _ N аэс — относительные мощности энергоблока АЭС при его разгрузке и догрузке, кВт; -условные расходы топлива (в условном эквиваленте) при разгрузке и догрузке энергоблока АЭС, кг у.т/(кВт-ч).

При обеспечиваемом базовом режиме АЭС в течение Тб экономия топлива достигается за счет более высоких КПД энергокомплекса в сравнении с выработкой по неизменному заданному графику за тот же период на обычных (типовых) энергоблоках 1000 МВт с ВВЭР-1000 с показателем Ь"эрс. Поэтому

ДВ-=тл-М6 • Ь6 -Ьб . (3)

Для суммарного эффекта необходимо найти средневзвешенные стоимости топлива (газа и ядерного горючего) в зависимости от соотношений их расходов при работе на ступенях регулировочного диапазона: Ц^, Ц"^, Ц"'1. Для каждой из двух промежуточных ступеней графика, а также для провального и базового уровней нагрузки средневзвешенные значения определены аддитивно:

тт ш

Мзк N Ь 1'

Эффект от введения энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП определяется

ДЭ^=ДВпр. 1С + ДВ6 • + £ дв„. • ц™ (5)

¡=1

где I - количество покрываемых промежуточных ступеней графика нагрузки (1=2); ДВСТ| - экономия топлива при прохождении промежуточных ступеней графика (по формуле (3)).

Ыэ, МВт 1600

1500 -

1400 -

1300

1200 -

neo

1000 --■

900 -

800

700

NÍS

<Г6

- • - • - ГТУ в составе ЭК ---- типовая АЭС

<.rn2

2 ступень '

-1 ступень

Nnp г |чзк , Гпр

Рис. 7. Покрытие графика нагрузки рабочих суток энергокомплексом и типовыми энергоблоками АЭС

Расчетная экономия топлива и исходные данные для обоснования приведены в табл. 8.

Таблица 8

Обоснование расчетной экономии ввода энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП в энергосистемы с высокой долей АЭС

Наименование Значения

Принятая базовая (максимальная) мощность энергокомплекса N^, МВт 1506,4

Относительная мощность энергокомплекса при его разгрузке до принятого «провального» (минимального) уровня 808,6 МВт, N„p 0,537

Относительная мощность энергокомплекса при его разгрузке до промежуточных ступеней мощности 1035,2 и 1395,2 МВт, Ncr.i 0,687 0,926

Суточная длительность базовой нагрузки тб, ч 4

Суточная длительность «провальной» нагрузки тпи ч 10

Суточная длительность нагрузки промежуточных ступней ч 2 | 8

Удельный расход топлива на базовой нагрузке энергокомплекса Ь"к, кг у.т\(кВтч) 0,317

Удельный расход топлива на «провальной» нагрузке энергокомплекса , кг у.т\(кВт-ч) 0,365

Удельный расход топлива на покрываемых промежуточных ступенях нагрузки энергокомплекса Ь^'1, кг у.т\(кВтч) 0,348 0,337

Установленная единичная мощность энергоблока АЭС N|"c, МВт 1000

Относительная (допустимая) мощность типового энергоблока АЭС при его пре- —пр дельной разгрузке Nmc, МВт 0,80

Относительная мощность типового энергоблока АЭС при его догрузке до номинальной МОЩНОСТИ Naje , МВт 1,0

Количество типовых энергоблоков АЭС условно участвующих в разгрузке Пб„, шт. 3,49

Окончание табл. 8

Наименование Значения

-пр Удельный расход топлива при разгрузке до = 0,8 типового энергоблока АЭС , кг у.т\(кВтч) 0,3727

Удельный расход топлива при догрузке типового энергоблока АЭС Ь^эс, кг у.тЧкВгч) 0,3618

Экономия топлива при разгрузке энергокомплекса и догрузке типовых энергоблоков АЭС ДВ„„, кг у.т\сут 8064

Экономия топлива энергокомплекса при работе в базовом режиме ДВб, кг у.т\сут 270658

Экономия топлива энергокомплекса в часы прохождения промежуточных ступеней нагрузки ДВСТ,(, кг у.т\сут 74516 430393

Коэффициент дисконтирования, Е,„ отн. ед. 0,1

Осредненная эквивалентная стоимость ядерного топлива Ця, руб./кг у.т 1,5

Осредненная эквивалентная стоимость газа Цг, руб./кг у.т 6,0

Средневзвешенная эквивалентная стоимость топлива энергокомплекса для работы в провальной нагрузке , руб./кг у.т 1,5

Осредненная эквивалентная стоимость топлива энергокомплекса для работы в базовой нагрузке Ц^, руб./кг у.т 2,88

Средневзвешенная эквивалентная стоимость топлива энергокомплекса для прохождения ступеней нагрузки Ц"'1, руб./кг у.т 1,56 2,758

Экономия топлива от введения энергокомплекса , млн. рубУгод 422,5

ВЫВОДЫ

1. Предложена приоритетная схема энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов теплоты. На схему энергокомплекса с глубокой утилизацией теплоты уходящих газов ГТУ получен патент РФ №2489574 от 10.08.2013 г.

2. Разработана методика и предложен алгоритм оценки реализуемости и эффективности способов эксплуатации энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией, учитывающий длительности пиковой и провальной частей графиков нагрузки, потребный объем аккумуляции и число остающихся в работе ГТ при прохождении провалов нагрузки. Расчетными экспериментами получена корреляционная связь между числом ГТУ, находящихся в работе, и глубиной утилизации их теплоты уходящих газов, достижимыми КПД и пиковой мощностью всего энергокомплекса при разных вариантах комбинирования.

3. Результаты расчетов по предложенной методике в зависимости от схемы вытеснения паропарового перегрева и степени перегрева пара перед ЦВД и ЦНД паротурбинной установки АЭС следующие: прирост пиковой мощности на АЭС 10^222 МВт, а КПД энергокомплекса 36 ^40,4 %.

4. Разработана методика и проведена оценка эффективности вытеснения ПВД в схеме энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с полной компенсацией подогрева за счет теплоты уходящих газов ГТУ. Учтен эффект частичного подогрева питательной воды в корпусе ПВД, отключенного по

греющему пару основного отбора за счёт сброса горячего дренажа второй ступени СПП. Прирост мощности ПТУ АЭС составляет 35,2 МВт.

5. При эксплуатации энергокомплекса с замещением регенеративного подогрева в ПВД в зависимости от схемы вытеснения паропарового перегрева и степени перегрева пара перед ЦВД и ЦНД паротурбинной установки АЭС КПД энергокомплекса составляет 36,5-^41,22 %, а прирост мощности на АЭС - 35,2-261 МВт.

6. Предложены и проанализированы два способа покрытия недельной неравномерности графиков нагрузки данным энергокомплексом. Один из способов с более глубокой разгрузкой энергокомплекса в провальный период времени ANpcr = 697,8 МВт, реализуется при полном останове обеих ГТУ и разгрузке АЭС, путем аккумуляции тепла свежего пара в среднетемпера-турном аккумуляторе. При этом достигаются осредненные показатели КПД энергокомплекса 35,2 % и его КИУМэк = 0,85. Другой способ с менее глубокой разгрузкой - 519,3 МВт, может быть реализован без разгрузки ПТУ АЭС и останове только одной ГТУ. При этом КПД энергокомплекса 36,3 %, а его КИУМэк = 0,899.

7. Выполнено технико-экономическое сопоставление эффективности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с САФП и АЭС с ГАЭС, учитывающее ввод новой мощности АЭС под зарядку ГАЭС, а вне периода зарядки -для генерации на рынок. Определены основные технико-экономические показатели эффективности энергокомплексов. Так, показано, что в зависимости от способа эксплуатации, капиталовложений и тарифов на электроэнергию и стоимости топлива срок окупаемости составляет от 18,1 до 28,2 лет для исследуемого энергокомплекса, тогда как для АЭС с ГАЭС - от 26,6 и более лет. Эффект экономии топлива от введения маневренного энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией в связи с более высокой загрузкой типовых АЭС составляет 422,5 млн./руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах: Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Новикова ЗЛО. Повышение эффективности эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 путем модернизации тепловых схем / 3.IO. Новикова, В.А. Хрусталев, A.C. Наумов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1(54). С. 165-174.

2. Новикова З.Ю. Об эффективности комбинирования ГТУ и АЭС с ВВЭР / ЗЛО. Новикова, В.А. Хрусталев // Труды Академэнерго. 2012. № 3. С. 66-75.

3. Новикова ЗЛО., Хрусталев В.А. Эффективность вытеснения ПВД в схеме ПГУ на базе АЭС // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. №910. С. 69-77.

4. Новикова З.Ю. Повышение эффективности ПГУ на базе ГТУ и АЭС с ВВЭР / З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев, A.C. Наумов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. №1(69). С. 131-137.

Патент

5. Пат. 2489574 РФ, МПК F 01 К 23/10, F 24 Н7/00. Парогазовая установка на базе АЭС / Хрусталев В.А., Новикова ЗЛО., Наумов A.C.; заявители и патентообладатели Фе-

19

деральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) -№ 2012101904/06; заявл. 19.01.2012; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22. - 12 е.: 1 ил.

Публикации в других изданиях

6. Новикова ЗЛО. Повышение экономичности турбинного оборудования АЭС с ВВЭР-1000 / ЗЛО. Новикова, В.А. Хрусталев // Проблемы энергетики: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. №1. С. 18-22.

7. Новикова ЗЛО. Об одном способе кратковременной поддержки собственных нужд при полном обесточивании АЭС / ЗЛО. Новикова, В.А. Хрусталев // Проблемы энергетики: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. № 1. С. 22-27.

8. Новикова З.Ю. Вопросы повышения маневренности на основе комбинирования схем АЭС и ГТУ / ЗЛО. Новикова, В.А. Хрусталев // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 6. Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения: материалы Междунар. науч. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. С. 162-170.

9. Новикова З.Ю. Increased maneuverability based on combined schemes: nuclear power plant with gas turbine / З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев // Молодые ученые за инновации: создавая будущее. Материалы международной научно-практической Интернет-конференции в рамках международного Интернет-фестиваля молодых ученых, 27-29 апреля 2011 г. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. С. 129-133.

10. Новикова З.Ю. Об одном способе кратковременной поддержки собственных нужд при полном обесточивании АЭС / З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. / под общ. ред. А. А. Большакова. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. С. 96-98.

11. Новикова З.Ю. Об эффективности ГТУ и АЭС с ВВЭР / З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев, В.А. Михальчук // Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС: сб. докл. Национальной конф. / ИТАЭ. М.: Изд-во МЭИ, 2012. С. 51-54

12. Новикова ЗЛО. Эффективность парогазовой установки на базе АЭС с системой аккумуляторов фазового перехода / З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. : сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. / под общ. ред. A.A. Большакова. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. С. 351-354.

13. Новикова З.Ю. Эффективность энергокомплексов на базе АЭС с воздушно-аккумулирующей установкой / ЗЛО. Новикова, В.А. Хрусталев // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 7. Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения: материалы Междунар. науч. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. С. 37-45.

Подписано в печать 04.10.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 152 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77. Тел.: 99-87-39, E-mail: izdat@sstu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

На правах рукописи

НОВИКОВА Зоя Юрьевна

04201364427

ПОВЫШЕНИЕ СИСТЕМНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ АЭС И ГТУ С ТЕПЛОВОЙ

АККУМУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05. 14. 01 - Энергетические системы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Хрустал ев В. А.

Саратов-2013

Содержание

Введение............................................................................... 4

Глава 1. Анализ работ, выполненных по теме исследования в России и за рубежом........................................................................... 13

1.1 Перспективы атомной энергетики...................................... 13

1.2 Краткий обзор по использованию парогазовых технологий на атомно-энергетических комплексах........................................ 16

1.3 Краткий обзор схемно-параметрических данных по системам аккумуляции теплоты.......................................................... 23

1.4 Основные экономические характеристики тепловых аккумуляторов .................................................................................. 33

Глава 2. Разработка методик термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплексов на основе комбинирования энергоблоков АЭС с ВВЭР и ГТУ.......................................... 41

2.1 Обоснование целесообразности аккумулирования теплоты на энергокомплексах с АЭС и ГТУ.............................................. 41

2.1.1 Схемно-параметрический анализ условий аккумулирования теплоты в энергокомплексах на базе АЭС и ГТУ........................................................................... 41

2.1.2 Учет пускоостановочных особенностей энергетических ГТУ.................................................................................................. 58

2.2 Разработка методики термодинамического анализа эффективности комбинирования АЭС и ГТУ с аккумуляцией теплоты......... 64

2.3 Оценка эффективности вытеснения ПВД в схеме паротурбинной установки АЭС............................................................. 70

2.4 Учет требований маневренности при вводе энергокомплексов

в развивающихся энергосистемах............................................ 83

Глава 3. Разработка методики оценки технико-экономических показателей энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с аккумуляцией теплоты... 94

Глава 4. Системная эффективность энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с аккумуляторами фазового перехода.................................... 109

4.1 Технико-экономическое сопоставление эффективности регулирования графиков нагрузки энергокомплекса АЭС и ГТУ с альтернативными вариантами..................................................... 109

4.2 Преимущества энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с САФП

по противоаварийному регулированию в энергосистемах............. 126

Выводы................................................................................ 130

Направления дальнейших исследований....................................... 132

Список принятых сокращений.................................................... 133

Список использованных источников............................................ 135

Введение

В соответствии с «Концепцией технической политики в электроэнергетики России до 2030» одним из принципов в развитии генерирующих мощностей является увеличение в структуре генерации доли мощностей атомных электростанций (АЭС), и обеспечение возможности их участия в регулировании суточной и недельной неравномерности графика нагрузки. Предлагается создавать для этих целей в комплексе с АЭС сопутствующие энергоемкие производства с непрерывным циклом, сооружать гидроаккумулирующие электростанции и использовать другие возможности [1].

Одним из перспективных направлений повышения маневренности и надежности энергоблоков атомных станций являются комбинирование схем АЭС и ГТУ. Энергокомплекс на базе АЭС и ГТУ позволяет вырабатывать дополнительную пиковую мощность при высокой экономичности работы турбоустановок АЭС и ГТУ без изменения тепловой мощности реакторной установки. Комбинирование схем обеспечивает возможность участия АЭС в регулировании неравно-мерностей суточного графика нагрузки, а также в первичном и противоаварийном регулировании частоты в энергосистемах. Однако такой энергокомплекс неэффективен в бездефицитные периоды, так как требуются останов ГТУ и разгрузка реакторной установки АЭС, особенно в часы ночного провала графика нагрузки. Еще одним недостатком комбинированной такой схемы является невозможность автономной работы ГТУ без резервного источника утилизации теплоты уходящих газов. Эти проблемы могут быть частично или полностью исключены, если в состав энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ включить систему аккумуляторов энергии.

Система аккумуляторов энергии на АЭС позволяет проходить ночные провалы графиков электрических нагрузок без изменения реакторной мощности ядерной части энергоблоков, тем самым, обеспечивая работу всей станции с высоким коэффициентом использования установленной мощности. Аккумулирование энергии в бездефицитный период обеспечит дополнительную выработку электро-

энергии в пиковой и полупиковой зонах суточного графика электрических нагрузок. Кроме того система аккумуляторов, если это предусмотреть схемой комбинирования, может обеспечивать частичную или полную утилизацию теплоты уходящих газов ГТУ путем зарядки этих аккумуляторов в период недолгого (несколько часов) аварийного останова паровой части, то есть автономную кратковременную работу ГТУ без байпасирования выхлопных газов на жаропрочную трубу и без сооружения резервной утилизационной установки.

Исходя из вышесказанного, актуальным является научное обоснование схем и параметров для повышения системной эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

Цель диссертационной работы - повышение системной эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

Основные задачи диссертации

I | 11 ! г1!

1. Разработка и обоснование перспективных новых комбинированных схем АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов теплоты.

2. Разработка методики и расчетной блок-схемы термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

3.Разработка критериев оценки эффективности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с аккумуляцией энергии в условиях энергосистем с растущей долей АЭС.

4.Разработка экономико-энергетической модели анализа энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

5.Расчетная оценка конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией с учетом неравномерности графиков электрических нагрузок и динамики ценовых показателей.

Связь диссертационной работы с приоритетными НИР

Данная диссертационная работа выполнялась автором на базе бюджетных тематик фундаментальных научных исследований Отделения энергетики, меха-

ники, машиностроения и процессов управления РАН «Разработка научных основ повышения коэффициента установленной мощности АЭС в энергосистемах» в 2012-2013 гг. и в рамках государственного контракта «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потреблением электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах» в 2009-2013гг.

Структура, объём и содержание диссертации

Диссертация включает список принятых сокращений, введение, четыре главы, выводы, направления дальнейших исследований, список использованных источников, содержащий 95 наименований, 30 рисунков и 43 таблицу. Объём диссертации составляет 145 страниц.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы и дана краткая характеристика диссертации.

В первой главе приведен обзор выполненных научно-исследовательских работ по различным комбинированным схемам АЭС и ГТУ и схемам аккумулирования энергии в России и за рубежом. Проведено сравнение конструкций, характеристик, параметров аккумуляторов и свойств аккумулирующих сред.

Во второй главе приводится обоснование разработанной перспективной схемы комбинирования АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода. Приведен термодинамический и схемно-параметрический анализ и расчетная блок-схема эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией. Описаны способы работы такого энергокомплекса с учетом неравно-мерностей графиков нагрузок в недельном разрезе.

В третьей главе приводится экономико-энергетическая модель развития энергосистем вводом энергокомплексов АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода. Выявлены и обоснованы факторы, влияющие на конкурентоспособность энергокомплекса. Проведена оценка его технико-экономической эффективности в условиях покрытия недельной неравномерности графика электрических нагрузок и динамики ценовых показателей.

В четвёртой главе показаны условия конкурентоспособности такого энергокомплекса в сравнении с альтернативными энергоисточниками.

Научная новизна

1 .Разработана приоритетная схема энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода, обеспечивающая повышение технико-экономической эффективности.

2.Разработана методика и расчетная блок-схема термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

3.Разработана методика оценки технико-экономической эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода в условиях суточной и недельной неравномерностей графика электрических нагрузок.

4,Определены показатели конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС

I

и ГТУ с тепловой аккумуляцией для ступенчатого суточного графика электрических нагрузок в сравнении с альтернативным энергоисточником.

Практическая значимость результатов диссертационной работы следует из актуальности исследуемой проблемы.

Разработанная приоритетная схема энергоблока на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода (САФП) запатентована (Пат. №2489574 РФ) и является одним из способов решения задачи повышения мощности и маневренности энергоблоков АЭС. Для принятых схемных вариантов проведено обоснование способов зарядки и разрядки аккумуляторов теплоты. Система аккумуляторов фазового перехода в зависимости от способа эксплуатации энергоблока может частично заряжаться от пара парогенератора реакторной установки АЭС, тем самым позволяя станции проходить провалы графиков нагрузки с высоким итоговым коэффициентом установленной мощности. Аккумуляторы теплоты с высокотемпературной теплоаккумулирующей средой обеспечивают глубокую утилизацию уходящих газов ГТУ.

Разработана методика термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией. В зависимости от вариаций принятой схемы энергокомплекса и глубины утилизации отрабо-' тавших газов ГТУ в ПТУ, возможно повышение мощности АЭС на 10,4-261,7

МВт при постоянной тепловой мощности реакторной установки. При этом КПД всего энергокомплекса составит 36,15-41,2 %.

Разработана методика оценки технико-экономической эффективности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода в условиях суточной и недельной неравномерностей графика электрических нагрузок.

Проведена оценка конкурентоспособности энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией для ступенчатого суточного графика электрических нагрузок и динамики ценовых показателей в сравнении с альтернативным энергоисточником.

I 1 Полученные результаты могут быть учтены в дальнейших исследованиях по

эффективности энергокомплексов на базе АЭС, вводимых в энергосистемах с растущей долей АЭС.

Разработанные комбинированная схема на базе АЭС и ГТУ с САФП и методика термодинамического и схемно-параметрического анализа данного энергокомплекса могут использоваться в учебном процессе, аспирантами в НИР, студентами в дипломном проектировании, бакалаврами и магистрами в выпускных квалификационных работах.

Основные результаты диссертационной работы вошли в отчёты по научно-исследовательским работам Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН и кафедры «Тепловые и атомные электрические станции» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., выполненные по повышению мощности и маневренности АЭС в энергосистемах.

Методы исследований

Методика термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией; системный технико-

1

экономический анализ единой экономико-математической модели энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией; методика оценки и обоснования технико-экономических показателей в энергетике.

Положения, выносимые на защиту

1. Приоритетная схема и способы эксплуатации энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с системой аккумуляторов фазового перехода.

2. Методика и расчетная блок-схема термодинамического и схемно-параметрического анализа энергокомплекса на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией.

3. Методика укрупненной оценки объема теплоаккумулирующих веществ и габаритов системы аккумуляции теплоты для разных условий использования

г- * ' Ч<

оборудования энергокомплекса.

4. Методика сравнительной оценки технико-экономической эффективности и результаты обоснования конкурентоспособности энергокомплексов на базе АЭС и ГТУ с тепловой аккумуляцией и АЭС с ГАЭС в условиях неравномерности графика электрических нагрузок и изменяющихся тарифов на электроэнергию и стоимости ядерного и газового топлив.

Апробация результатов диссертационной работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Саратовского научного центра РАН (20112013 гг., г. Саратов), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (2011 г. и 2012 г.; г. Саратов), Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (2011 г. и 2012 г, г. Саратов), Международной научной конференции «Молодые ученые за инновации: создавая будущее» (2011 г, г. Саратов), Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и

безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (2012 г., г. Москва, Институт тепловой и атомной энергетики МЭИ).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А., Наумов A.C. Повышение эффективности эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 путем модернизации тепловых схем // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №1(54). С. 165-174.

2. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Об эффективности комбинирования ГТУ и АЭС с ВВЭР // Труды Академэнерго. 2012. №3. С.66-75.

3. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Эффективность вытеснения ПВД в схеме ПТУ на базе АЭС // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. №9-10. С. 69-77.

4. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А., Наумов A.C. Повышение эффективности ПТУ на базе ГТУ и АЭС с ВВЭР // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. №1(69). С. 131-137.

Патент

5. Пат. 2489574 РФ, МПК F 01 К 23/10, F 24 Н7/00. Парогазовая установка на базе АЭС / Хрусталев В.А., Новикова З.Ю., Наумов A.C.; заявители и патентообладатели Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)-№ 2012101904/06; заявл. 19.01.2012; опубл. 10.08.2013, Бюл. №22.-12 е.: 1 ил.

Публикации е других изданиях

6. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Повышение экономичности турбинного оборудования АЭС с ВВЭР-1000 // Проблемы энергетики: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2010. №1. С. 18-22.

7. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Об одном способе кратковременной поддержки собственных нужд при полном обесточивании АЭС // Проблемы энергетики: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2010. №1. С.22-27.

8. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Вопросы повышения маневренности на основе комбинирования схем АЭС и ГТУ // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 6. Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения: материалы международной научной конференции. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2011. С.162-170.

9. Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Increased maneuverability based on combined schemes: nuclear power plant with gas turbine // Молодые ученые за инновации: создавая будущее. Материалы международной научно-практической Интернет-конференции в рамках международного Интернет-фестиваля молодых ученых, 27-29 апреля 2011 года / Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2011. С. 129-133. 1

Ю.Новикова З.Ю., Хрусталев В.А. Об одном способе кратковременной поддержки собственных нужд при полном обесточивании АЭС // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов X