CC BY-NC
55
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-149-158 УДК 621.311.25+628.165
И.Г. Чеснокова1'2, С.В. Вербицкий1'2 Е.А. Стамбровская1
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
2 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», Россия
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ РАБОТЫ ПЛАВУЧЕЙ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ СОВМЕСТНО С ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ
Объект
и цель научной работы. В статье рассматриваются в сопоставлении методы опреснения морской воды и их энергетические особенности с точки зрения целесообразности включения опреснительной установки в состав комплекса с плавучим атомным энергоблоком.
Материалы и методы. На основе анализа различных литературных источников произведен обзор основных методов ядерного опреснения. Для сравнения различных технологий опреснения использована программа МАГАТЭ DEEP. Основные
результаты. По итогам моделирования ядерного опреснения в программе МАГАТЭ DEEP на примере акватории Персидского залива составлены предварительные рекомендации по применению методов опреснения при совместной работе установки опреснения с плавучим атомным энергоблоком.
Заключение. Интегрированный комплекс позволяет проводить опреснение как мембранным, так и термическими способами. Для оптимального выбора технологии необходима конкретизация района дислокации и взаимного расположения плавучего атомного энергоблока и опреснительной установки, и дальнейший поиск компромисса на основе более точных расчетов.
Ключевые слова: плавучий атомный энергоблок (ПЭБ), опреснительная установка. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-149-158 UDC 621.311.25+628.165
I. Chesnokova1'2, S. Verbitsky1'2 , Е. Stambrovskaya1
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 St. Petersburg State Marine Technical University, Russia
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY FOR OPERATING A FLOATING NUCLEAR POWER PLANT IN CONJUNCTION WITH A DESALINATION PLANT
Object and
purpose of research. The article discusses in comparison the methods of desalination of seawater and their energy features from the point of view of the feasibility of including a desalination plant in the complex with a floating nuclear power unit.
Materials and methods. Based on the analysis of various literary sources, a review of the main methods of nuclear desalination is made. The IAEA DEEP program was used to compare different desalination technologies. Main results. Based on the results of simulating nuclear desalination in the IAEA DEEP program, using the example of the Persian Gulf, preliminary recommendations were drawn up on the use of desalination methods in the joint operation of a desalination plant with a floating nuclear power unit.
Для цитирования: Чеснокова И.Г., Вербицкий С.В., Стамбровская Е.А. Анализ возможности работы плавучей атомной электростанции совместно с опреснительной установкой. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 2(396): 149-158.
For citations: Chesnokova I., Verbitsky S., Stambrovskaya E. Analysis of the possibility for operating a floating nuclear power plant in conjunction with a desalination plant. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 2(396): 149-158 (in Russian).
Conclusion. The integrated complex allows for desalination by both membrane and thermal methods. For the optimal choice of technology, it is necessary to specify the area of deployment and the relative position of the floating nuclear power unit and the desalination plant, and further search for a compromise based on more accurate calculations. Keywords: floating nuclear power unit (FNPU), desalination plant.
The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
Согласно исследованиям Организации Объединенных Наций, к 2025 г. люди, живущие в регионах с дефицитом воды, составят 66 % от общей численности населения. Чтобы справиться с этой проблемой, необходимо эффективно использовать, управлять, распределять и восстанавливать доступную природную пресную воду, а также искать дополнительные источники пресной воды. Одним из способов получения дополнительных ресурсов является опреснение морской воды, которое должно осуществляться рационально, чтобы избежать непредвиденного ущерба морской биоте и окружающей среде.
Для большинства действующих опреснительных установок (ОУ) источником энергии являются электростанции, работающие на ископаемом топливе, что влечет за собой выброс парниковых газов. Загрязнение от процесса опреснения в настоящее время составляет около 76 млн т CO2 в год, и этот
i i i i
показатель увеличивается из года в год с появлением новых опреснительных установок, работающих на углеводородном топливе. Использование чистых источников энергии - ядерной или возобновляемой (геотермальной и солнечной) - может дополнительно снизить воздействие на окружающую среду, поскольку эти источники не генерируют парниковых газов. Однако необходимо отметить, что в настоящее время участие атомных электростанций составляет крайне малую долю; только 15 из более чем 15 000 действующих опреснительных установок работают на атомной энергии, возобновляемые источники обеспечивают ничтожную мощность по опресненной воде; а ископаемое топливо питает остальные [1].
В рамках своих программ по неэлектрическому использованию атомной энергии МАГАТЭ с 70-х гг. прошлого века объединяет усилия специалистов разных стран для изучения технических, экономических и других аспектов опреснения с использованием энергии, полученной с помощью атомного реактора. Термин «атомное опреснение» (Nuclear Desalination) трактуется МАГАТЭ как получение питьевой воды из морской на установке, использующей ядерный реактор в качестве источника энергии (электрической и/или тепловой) для процесса опреснения. Установка может быть предназначена исключительно для производства питьевой воды или для одновременной выработки электроэнергии и производства питьевой воды и/или дистиллята; в последнем случае на производство воды затрачивается лишь часть энергии, вырабатываемой реактором. В любом случае термин «атомный опреснитель» обозначает комплексную установку, состоящую из ядерного реактора и опреснительной системы, причем энергия для работы опреснительной системы производится непосредственно в данной установке.
Основные методы опреснения морской воды
Basic methods of seawater desalination
На рынке пресной воды широкое промышленное применение пока нашли две технологии опреснения - термальная (дистилляция) и мембранная (механическая).
Рис. 1. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснителя (MED) с трубчатыми нагревательными элементами: 1 - испарительные камеры 1-й, 2-й, 3-й и 4-й ступеней; 2 - трубчатые нагревательные элементы; 3 - концевой конденсатор; 4 - каплеуловитель; 5 - насос
Fig. 1. Diagram of multi-stage distillation desalination plant (MED (Multi-effect Distillation)) with tubular heating elements: 1 - evaporation chambers of the 1st, 2nd, 3rd and 4th stages; 2 - tubular heating elements; 3 - trim condenser; 4 - drop catcher; 5 -pump
MED (Multi-Effect Distillation) - одна из старейших технологий, применяемых при опреснении воды (рис. 1) [2]. Многоступенчатый испаритель состоит из ряда последовательно работающих испарительных камер с трубчатыми нагревательными элементами. Нагреваемая соленая вода движется внутри трубок нагревательного элемента, греющийся пар конденсируется на внешней поверхности. При этом нагрев и испарение воды в первой ступени осуществляются паром рабочего котла, работающего на дистилляте; греющим паром следующей ступени служит вторичный пар предыдущей испарительной камеры.
В опреснителях с мгновенным вскипанием (Multi-Stage Flash Distillation - MSF) (рис. 2) соленая вода проходит последовательно через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры, нагреваясь за счет тепла конденсации, затем поступает в главный подогреватель и нагревается выше температуры кипения воды в первой испарительной камере, где происходит процесс кипения. Затем пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, конденсат стекает в поддон и насосом откачивается потребителю. Не испарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в следующую камеру с более низким давлением, где она снова вскипает, и т.д. Таким образом, тепло, выделяющееся при конденсации пара, не теряется, а возвращается в цикл. Процесс дистилляции мгновенным вскипанием почти во всех ступенях происходит при давлении ниже атмосферного - под вакуумом. Поэтому в последней ступени для поддержания устойчивого вакуума используется вакуумный насос - эжектор.
Основным преимуществом многоступенчатых дистилляционных опреснительных установок является то, что на единицу первичного пара можно получить значительно большее количество обессоленной воды. Так, при одноступенчатом испарении на 1 т первичного пара получают около 0,9 т опресненной воды, а на установках, имеющих 50-60 ступеней - 15-20 т опресненной воды. Удельный расход электроэнергии в дистилляционных установках составляет 3,5-4,5 кВт-ч/м3 дистиллята [4]. Кроме того, термические методы позволяют обессолить воду с любым солесодержанием. Процесс MSF обеспечивает наибольшую производительность по дистилляту, поэтому практически все мощные опреснительные установки работают на этом принципе [5].
Эффективность работы дистилляционных испарителей ограничена образованием накипи (в основном, хлоридов и карбонатов кальция и магния) в системе циркуляции горячего рассола. Накипь
ухудшает теплопроводность стенок теплообменника, приводит к разрушению труб и теплообменного оборудования. Требуется применение специальных антинакипных добавок, что существенно увеличивает энергозатраты на проведение дистилляции до 10 кВт-ч/м3 обессоленной воды. Поэтому были разработаны другие способы опреснения морской воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения и конденсации [6].
Среди весьма перспективных методов - технология обратноосмотического опреснения (RO -Reverse Osmosis). Физическая сущность этого процесса состоит в фильтровании через сборку полупроницаемых мембран соленой воды, которые обладают селективной способностью пропускать только молекулы воды, задерживая соли. Если растворы с различной концентрацией разделить мембраной, то молекулы воды стремятся передвигаться так, чтобы выровнять концентрацию растворенных солей с обеих сторон мембраны. Давление, обеспечившее равновесную концентрацию по обе стороны мембраны, называют осмотическим. При создании повышенного давления на концентрированный раствор можно превзойти осмотическое давление, что приведет к обратному перепуску молекул воды в сторону менее концентрированного раствора. На этом принципе реализована технология обратноос-
Рис. 2. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснения MSF: I, II, III, IV и N - камеры испарения; 1 - насос; 2 - паровой эжектор; 3 - конденсатор эжектора; 4 - подогреватель; 5 - каплеуловитель; 6 - конденсатор; 7 - поддон для конденсата
Fig. 2. Diagram of multi-stage distillation desalination plant (MSF (Multi-Stage Flash Distillation)): I, II, III, IV and ^-evaporation chambers; 1 - pump; 2 - steam ejector; 3 - ejector condenser; 4 -heater; 5 - drop catcher; 6 - condenser; 7 - condensate tray
полупроницаем!я мембрана
мотического опреснения. Такие установки обладают возможностью как опреснения высокоминерализованных вод, так и очистки сбросных и возвратных вод, что позволяет не только применять их для получения пресной воды, но и использовать в схемах водоподготовки тепловых станций, а также для получения питьевой воды высокого качества.
Мембраны для установок изготавливаются из полиамида или ацетата целлюлозы и выпускаются в виде полых волокон или рулонов. Поры мембран задерживают относительно крупные ионы солей и другие примеси, в то время как меньшие молекулы воды свободно проникают сквозь поры мембраны. Принципиальная схема такой установки приведена на рис. 3.
Данный процесс водоподготовки имеет широкое распространение и является безусловным лидером там, где температура воды для опреснения не превышает 32-33 °С и с уровнем солености порядка 35-38 г/л. Как правило, у морской воды с такими параметрами уже один проход через RO-мембрану снижает соленость до 300-450 мг/л.
Рабочее давление, требующееся для систем обратного осмоса, варьируется в зависимости от солености исходной воды: чем больше солесодер-жание, тем большее требуется давление.
Среди достоинств данного метода - относительно меньшие затраты энергии на ведение процесса, возможность легкой автоматизации работы установки, отсутствие больших капитальных затрат на теплообменное оборудование. Однако есть и минусы - трудности опреснения воды с высокой концентрацией солей и низкая механическая прочность мембранных модулей [7].
Вклад различных технологий в текущий рынок опреснения воды приведен на рис. 4. Две трети мировых мощностей перерабатывают морскую воду, а одна треть использует солоноватую артезианскую воду.
Лидирующее положение RO укрепляется по мере продолжающегося прогресса в технике изготовления мембран и дополнительного оборудования. С точки зрения термодинамики, затраты энергии на обратноосмотический процесс меньше, чем при дистилляции, однако в реальных установках низкопотенциальная тепловая энергия процесса термической дистилляции несопоставима с дорогостоящей электрической энергией, необходимой для установок обратного осмоса. Сравнение применяемых методов опреснения по основным параметрам представлено в табл. 1.
Мировой опыт использования атомной энергии для опреснения воды
Global experience of the nuclear energy use for water desalination
С 1960-х гг. опыт в области ядерного опреснения был ограниченным - такую технологию применяли только 9 ядерных блоков в Японии и один в Казахстане. Последний представлял собой реактор на быстрых нейтронах BN-350, который производил 135 МВт (эл.) и 80 000 м3/сут. пресной воды по технологии MED 27 лет, до того как он был выведен из эксплуатации в 1999 г.
Рис. 4. Вклад различных технологий в текущий рынок опреснения воды
Fig. 4. Contribution of various technologies to the current desalination market
Рис. 3. Принципиальная схема опреснительной установки RO
Fig. 3. Basic diagram of the RO desalination plant
Таблица 1. Сравнение применяемых методов опреснения по основным параметрам Table 1. Comparison of the applied desalination methods by the main parameters
Параметр MSF MED Ш
Предварительная обработка воды Минимальная Минимальная Критическая
Расход химических реагентов Низкий Низкий Высокий
Количество шлама Нет Нет Несколько
Образование твердых отложений Низкое Низкое Очень низкое
Обрастание микроорганизмами Низкое Низкое Высокое
Сложность управления Очень низкая Низкая Высокая
Надежность (безопасность) Очень высокая Высокая Зависит от предварительной обработки
Капитальные затраты Высокие Средние Низкие
Энергопотребление, кВт/м3 3,5 1,2 4,0
Потребление пара (соотношение «газ - жидкость») 10:1 7:1 Не нужен
Коэффициент концентрации («рассол - подача») 1,7 1,7 1,9
Максимальная температура рассола (°С) 110 65 --
Давление питательной воды (бар) 2 2 65
Соотношение «подача - продукт» 8:1 8:1 2,2:1
Минерализация опресненной воды, ррт < 25 < 25 450
Уровень автоматизации производства Высокий Высокий Высокий
Возможность изменения состава морской воды Средне-высокая Средне-высокая Не рекомендуется
Потенциал масштабирования Средне-низкий Средне-низкий Высокий
Требования к занимаемой площади Средние Средние Низкие
Максимальная производительность на одну линию (м3/сут.) 78 700 37 850 240 000
В Японии на АЭС строятся опреснительные установки на местах с целью подачи требуемой подпиточной охлаждающей воды на эти АЭС. Такие опреснительные установки в целом имеют небольшую производительность 1000-3000 м3/сут.
В Индии была построена комбинированная гибридная система MSF + RO, соединенная с двумя реакторами типа PWR мощностью 170 МВт (эл.). С производительностью 1800 м3/сут. по технологии RO и 4500 м3/су. по MSF она стала в 2002 г. крупнейшей опреснительной установкой на ядерной основе в мире.
С 2010 г. российская Ростовская АЭС в Волгодонске производила подпиточную воду (9600 м3/сут.) с использованием 8 блоков MED.
Значительный опыт накоплен на атомных станциях в России, Восточной Европе и Канаде, где централизованное теплоснабжение является побочным продуктом.
Некоторые системы ядерного опреснения, эксплуатирующиеся в мире, представлены в табл. 2 [8].
Выбор возможных вариантов водоопреснительных установок для совместной работы с плавучей атомной электростанцией
Selection of possible options
for water desalination plants for joint operation
with a floating nuclear power plant
В развитие технологии ПАТЭС (плавучая атомная теплоэлектростанция) госкорпорацией «Росатом» ведется разработка плавучего энергоблока (ПЭБ) для тропических условий. Проект основывается на принципиальных технических решениях ПАТЭС «Академик Ломоносов», находящейся в порту го-
рода Певек (Чукотский автономный округ). Предполагается, что на одном ПЭБ будет установлено две реакторные установки типа РИТМ-200М (Pressurized water reactor - PWR по классификации МАГАТЭ), которые обеспечат общую электрическую мощность станции на уровне 100 МВт. Основные характеристики РИТМ-200М приведены в табл. 3.
В настоящее время завершена разработка концептуального проекта ПЭБ с РУ РИТМ-200М, начался следующий этап проектирования [9].
Основные проектные характеристики ПЭБ с РУ РИТМ-200М (рис. 5): длина 112 м; ширина 25 м; осадка 4,5 м; водоизмещение 12 000 т.
Целью данной работы являлся анализ и сравнение термоэкономических аспектов различных вариантов опреснения воды для ПЭБ.
Для сравнения и выбора рациональной системы ядерного опреснения МАГАТЭ разработана программа DEEP. В программе DEEP атомная электростанция может быть смоделирована путем корректировки входных параметров, включая чистую выходную мощность, термодинамические параметры площадки и экономические параметры, такие как процентная ставка. Выходные данные включают в себя общую и удельную стоимость произведенной воды и стоимость произведенной энергии со всеми возможными деталями. Как программа, так
Таблица 2. Различные типы систем ядерного опреснения в мире Table 2. Different types of nuclear desalination systems in the world
Тип реактора Страна Технология опреснения Статус
ЬМРЯ Казахстан MED, MSF Выведен из эксплуатации в 1999 г. после наработки 26 реактора-года
Япония MED, MSF, RO Эксплуатация более 150 реактора-года
РШР^ Корея, Аргентина MED, RO Этап проектирования
Россия MED, RO Этап проектирования
Индия MSF, RO Работает с 2002 г. + 2010 г. реконструкция
РН^ГЯ Канада RO Этап проектирования
Пакистан MED Работает с 2010 г.
БШЯ Япония MSF Монтаж
НТОЯ Южная Африка MED, MSF, RO Этап проектирования
ЫНЯ Китай MED Этап проектирования
Таблица 3. Основные проектные характеристики реакторной установки РИТМ-200М Table 3. Main design characteristics of the reactor installation
Характеристика, единица измерения Значение
Электрическая мощность генератора, МВт 55
Тепловая мощность, МВт 175
Паропроизводительность, т/ч 280
Обогащение по урану-235, % не более 20
Период работы до перегрузки активной зоны, лет 10-12
Габариты двух реакторных установок, ДхШхВ, м 6,8x14,6x16,0
Масса двух реакторных установок, т 2600
и руководство для пользователей находятся в открытом доступе в сети Internet.
В данном конкретном случае использовалась следующая доступная информация:
■ Тип реактора - PWR.
■ Общая мощность электрическая (2*50 %) -
110 МВт.
■ Тепловая мощность (2*50 %) - 350 МВт.
■ Место установки - Персидский залив:
- соленость морской воды - 35 %о;
- температура воды при заборе - 32 °C (максимальная);
- загрязненность воды - выше среднего по планете.
При моделировании сделано допущение, что вся тепловая мощность используется для опреснения. Кроме того, следует отметить, что условия в Персидском заливе - загрязнение и соленость -в некоторых местах могут быть неблагоприятны для использования технологии RO. При максимальной солености воды в данной акватории (60 %о) применение RO невозможно. Производительность по пресной воде (75 000 м3/сут.) выбрана как практически предельно возможная для опреснения по технологии MED с целью сравнения с другими вариантами в одинаковых условиях.
На рис. 6 (см. вклейку) приведена технологическая схема ядерного опреснения по технологии MED. В соответствии с выбранными параметрами для опреснения требуется не менее 2-х линий, от и до выбранных параметров воды понадобится 11 стадий. При выбранной производительности себестоимость воды составляет 1,07 $/м3.
На рис. 7 (см. вклейку) приведена технологическая схема ядерного опреснения по технологии MSF. В соответствии с выбранными параметрами для опреснения требуется 1 линия, от и до выбранных параметров воды понадобится 27 стадий. При выбранной производительности себестоимость воды составляет 1,54 $/м3.
На рис. 8 (см. вклейку) приведена технологическая схема ядерного опреснения по технологии RO. При выбранной производительности себестоимость воды составляет 0,8 $/м3. Однако минерализация опресненной воды гораздо выше, чем в предыдущих вариантах, - 199 ppm.
Гибридная технология RO + MSF (1:1). Моделирование проведено из условия, что опреснение воды осуществляется в равных долях по технологиям RO и MSF (рис. 9, см. вклейку). Себестоимость воды составляет 1,14 $/м3. Анализ чувствительности показал сильную зависимость себестоимости
воды от общей производительности. Следует отметить, что в данном варианте суммарный забор воды сокращается в 2 раза по сравнению с технологиями MSF и MED. Минерализация опресненной воды составляет 117 ppm.
Гибридная технология RO + MED (1:1). Моделирование проведено из условия, что опреснение воды осуществляется в равных долях по технологиям RO и MED (рис. 10, см. вклейку). Себестоимость воды составляет 0,91 $/м3. Суммарный забор воды сокращается в 2 раза по сравнению с технологиями MSF и MED. Минерализация опресненной воды составляет 117 ppm.
MDE MSF RO RO+MSF RO+MDE
I I капиталовложения на приобретение ОС
fr^l капиталовложения в содержание ОС
I I стоимость электроэнергии
IУ//А стоимость тепла
I I эксплуатация и ТО
Рис. 11. Сравнение различных технологий ядерного опреснения с точки зрения вклада различных затрат в $ США на 1 м3 опресненной воды
Fig. 11. Comparison of different nuclear desalination technologies in terms of the contribution of different expenses in US $ per 1 m3 of desalinated water
Сравнение различных технологий ядерного опреснения с точки зрения вклада различных затрат в долларах США на 1 м3 опресненной воды (для применения в Персидском заливе) (рис. 11) показало, что наиболее эффективной технологий является RO. Однако следует отметить, что данная технология очищает воду только до 199 ppm и ее осуществление невозможно при сильном загрязнении забортной воды посторонними примесями и солености выше 35 %о. Следовательно, консервативным решением является применение дистилляционных или гибридных технологий, которые обладают большей гибкостью за счет расширения производительности установки RO и возможности варьирования параметра минерализации.
Взаимное расположение плавучего энергоблока и опреснительной установки
The relative position of the floating power unit and cleaning installation
Помимо состава морской воды и прочих указанных выше параметров, на выбор технологической схемы опреснения будет влиять размещение объектов. Варианты размещения:
■ совместное на одном судне;
■ «соседство» двух плавучих объектов;
■ плавучий энергоблок, пришвартованный к берегу, и береговая ОУ.
Первый вариант не представляет проблем с точки зрения технологии опреснения, но требует увеличения главных размеров судна и, соответственно, капитальных затрат на сооружение. Особенности второго варианта:
■ только электрическая связь между объектами (технология RO) позволяет получить оптимальное соотношение пресной воды и электроэнергии с целью максимального соответствия требованиям заказчика (может меняться от максимума получения пресной воды до максимальной величины производства электроэнергии);
■ также возможны варианты совместного использования технологий дистилляции и RO для интегрирования этапов предварительной и окончательной обработки, где тепло от последней стадии дистилляционной установки используется для подогрева воды перед RO в холодные сезоны. Данные манипуляции могут уменьшить стоимость процесса (повышая температуру воды на 1 °C, можно увеличить выход опресненной воды до 3 %).
В третьем варианте размещения все зависит от расстояния между ПЭБ и ОУ. При невозможности размещения на близком расстоянии использование низкопотенциального тепла для нужд ОУ проблематично, и, следовательно, теряется часть КПД общего устройства системы.
Понятно, что вышеперечисленные компоновки определяют возможности масштабирования ОУ. Выбор той или иной компоновки в конкретном случае (плавучий объект) сложен не только ввиду отсутствия мирового опыта (кроме ОУ для собственных нужд), но и из-за неопределенности других исходных параметров - конкретного места установки (соленость и загрязненность морской воды) и оправданной производительности ОУ (наличие потребителей). С учетом широкого диапазона варьируемых параметров составлена табл. 4 (см. вклейку), где цветом выделены возможные и нежелательные конфигурации технологий опреснения в зависимости от одного из перечисленных ниже параметров:
Производительность опреснительной установки
При малой производительности ОУ можно использовать любые перечисленные выше технологии опреснения, но применение гибридных технологий нецелесообразно ввиду увеличения как количества оборудования и необходимого места для его размещения на борту, так и капитальных и эксплуатационных затрат.
При средней производительности (до и около 75 000 м3) можно применять любые варианты технологий, однако следует отметить, что тепловая мощность ПЭБ не позволяет дистилляционным методам превысить указанную производительность. Кроме того, для обеспечения этой производительности по способу MED потребуются 2 технологические линии.
При большей производительности следует применять RO и его комбинации с дистилляцион-ными методами.
Особенности расположения плавучего энергоблока и опреснительной установки
При размещении ОУ на судне можно применять и дистилляционные, и мембранные методы опреснения, все зависит от возможности размещения оборудования в ограниченных главными размере-ниями судна условиях. Минимальные требования к занимаемой площади имеют установки RO. Ди-стилляционные установки займут больше места,
но позволят в полной мере использовать низкопотенциальное тепло.
При размещении ОУ на пришвартованном к борту ПЭБ судне (барже) возможность использования низкопотенциального тепла снижается ввиду необходимости строительства сетей передачи теплоносителей с компенсаторами движения двух связанных плавучих объектов. Рекомендуется RO.
Пришвартованная к берегу ПЭБ + береговая ОУ также требуют строительства паропроводов, поэтому рекомендуется RO или комбинированные методы с расширением возможности изменения минерализации опресненной воды.
Соленость исходной морской воды
В условно заданном месте размещения (Персидский залив) соленость воды изменяется в широком диапазоне 35-60 %о. При значении солености воды на нижней границе диапазона можно применять любые отдельные методы опреснения и их комбинации. Вода, полученная методами MSF и RO + MSF, обойдется несколько дороже.
Методы дистилляции наиболее эффективны при опреснении высокоминерализованных вод. Процесс мгновенного вскипания (MSF) обеспечивает наибольшую производительность по дистилляту на одну технологическую линию.
Минерализация опресненной воды
Высокие требования к дистилляту обусловливают применение методов MSF и MED.
Следует отметить, что воды Персидского залива могут иметь температуру более высокую (3233 °С), чем рекомендовано для RO-мембран, и требовать дополнительной обработки или оборудования. С повышением минерализации исходной воды пропорционально увеличивается рабочее давление в системе обратного осмоса, что также приводит к сокращению службы мембран и ухудшению качества получаемого продукта.
Важно отметить также, что обратноосмотиче-ские установки не рекомендуется использовать в связи с предположительно прерывным использованием опреснительной установки.
В пользу дистилляционных методов выступает отсутствие необходимости доведения морской воды до определенных параметров солесодержания перед подачей на мембрану и возможность периодической работы.
Анализ данных, приведенных в табл. 4, показывает, что не существует одного оптимального метода, удовлетворяющего всему диапазону варьируемых
параметров. Поэтому необходима конкретизация рассматриваемых условий, которые зависят, прежде всего, от географического места установки и конфигурации расположения ПЭБ и ОУ, и дальнейший поиск компромисса на основе более точных расчетов.
Заключение
Conclusion
Проведенный анализ литературных источников и расчеты с использованием программного обеспечения МАГАТЭ позволяют сделать следующие выводы:
1. АЭС, работающая в режиме когенерации, может производить на 70 % больше полезной энергии в виде комбинированной тепловой и электрической энергии по сравнению с АЭС, работающей в режиме одиночной генерации.
2. Использование низкопотенциального тепла ПЭБ для производства пресной воды зависит от ряда параметров, которые преимущественно определяются при конкретизации места установки плавучего объекта. Среди основных параметров:
■ заданная производительность установки опреснения;
■ взаимное расположение ПЭБ и ОУ;
■ соленость исходной морской воды;
■ требования к качеству опресненной воды;
■ тепловая мощность, направляемая на опреснение, и др.
3. Инструмент моделирования DEEP, разработанный МАГАТЭ, позволяет осуществлять сравнительную оценку стоимости 1 м3 опресненной воды в зависимости, в частности, от вышеперечисленных условий и выбранной технологии опреснения - MED, MSF, RO и гибридных систем MED + RO и MSF + RO. При моделировании предположительным местом установки ПЭБ выбран Персидский залив.
4. В пользу дистилляционных методов опреснения (MED или MSF) выступают отсутствие необходимости предварительного доведения морской воды до определенных параметров солесодержания перед подачей на мембрану и возможность периодической работы, что актуально для ПЭБ.
Список использованной литературы
1. Nuclear desalination: A state-of-the-art review / A. Al-Othmana, N.N. Darwish, M. Qasima [et al.] // Desalination. 2019. Vol. 457. P. 39-61. DOI: 10.1016/j.desal.2019.01.002.
2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: [В 2 т.]. Москва: Химия, 1981.
3. Мосин О.В. Установки опреснения морской воды // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2011. № 12(120). С. 30-33.
4. Слесаренко В.Н. Дистилляционные опреснительные установки. Москва: Энергия, 1980. 248 с.
5. Таубман Е.И., Пастушенко Б.Л. Процессы и установки мгновенного вскипания. Москва: Энергоатом-издат, 1990. 183, [2] с.
6. Мосин О.В. Магнитные системы обработки воды. Основные перспективы и направления // Сантехника. 2011. № 1. С. 28-31.
7. Слесаренко В.Н. Опреснительные установки. Владивосток: ДВГМА, 1999. 244 с.
8. Khamis I. A global overview on nuclear desalination // International Journal of Nuclear Desalination. 2009. Vol. 3, № 4. P. 311-328. DOI: 10.1504/IJND.2009.028859.
9. Где в России могут построить АЭС малой мощности с РИТМ-200 [Электронный ресурс] // Страна РОСА-ТОМ. URL: https://strana-rosatom.ru/2019/04/30/где-в-россии-могут-построить-аэс-малой/ (дата обращения: 12.02.2021).
10. Атомные станции малой/средней мощности и плавучие атомные теплоэлектростанции [Электронный ресурс] // Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. Африкантова [сайт]. URL: http://www.okbm.nnov.ru/business-directions/atomnye-stantsii-maloy-sredney-moshchnosti-i-plavuchie-atomnye-teploelektrostantsii/ (дата обращения: 12.04.2021).
References
1. Nuclear desalination: A state-of-the-art review / A. Al-Othmana, N.N. Darwish, M. Qasima [et al.] // Desalination. 2019. Vol. 457. P. 39-61. DOI: 10.1016/j.desal.2019.01.002.
2. N.I Gelperin. Basic processes and apparatuses of chemical technology: [In 2 vol.]. Moscow: Khimiya, 1981 (in Russian).
3. O.V. Mosin. Seawater desalination systems // Plumbing. Heating. Conditioning. 2011. No. 12 (120). P. 30-33 (in Russian).
4. V.N. Slesarenko. Distilling desalination plants. Moscow: Energiya, 1980. 248 p. (in Russian).
5. E.I. Taubman, B.L. Pastushenko. Processes and installations of instant boiling. Moscow: Energoatomizdat, 1990. 183, [2] p. (in Russian).
6. O.V. Mosin. Magnetic water treatment systems. The main prospects and directions // Plumbing. 2011. No. 1. P. 28-31 (in Russian).
7. V.N. Slesarenko. Desalination plants. Vladivostok: DVGMA, 1999. 244 p. (in Russian).
8. I. Khamis. A global overview on nuclear desalination // International Journal of Nuclear Desalination. 2009. Vol. 3, № 4. P. 311-328. DOI: 10.1504/IJND.2009.028859.
9. Where in Russia can build a low-power NPP with PHTM-200 [Electronic resource] // Strana ROSATOM. URL: https://strana-rosatom.ru/2019/04/30/rge-B-poccHH-MoryT-nocrpoHTt-aac-ManoH/ (accessed 12.02.2021) (in Russian).
10. Nuclear power plants of small/medium power and floating nuclear thermal power plants [Electronic resource] // Experimental Design Bureau of mechanical Engineering named after I.I. Afrikantov [site]. URL: http://www.okbm.nnov.ru/business-directions/atomnye-stantsii-maloy-sredney-moshchnosti-i-plavuchie-atomnye-teploelektrostantsii/ (accessed 12.04.2021) (in Russian).
Сведения об авторах
Чеснокова Ирина Геннадьевна, к.х.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-46-07. E-mail: [email protected].
Вербицкий Сергей Владимирович, к.т.н., начальник отдела ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-49-93. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0003-1915-132X. Стамбровская Екатерина Алексеевна, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-46-07. E-mail: [email protected].
About the authors
Irina G. Chesnokova, Cand. Sci. (Chem.), Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-46-07. E-mail: [email protected]. Sergey V.Verbitsky, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-49-93. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0003-1915-132X. Ekaterina A. Stambrovskaya, Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-46-07. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 23.03.21 Принята в печать / Accepted: 19.05.21 © Коллектив авторов, 2021
