CC BY
51
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петере, Э. Хаос и порядок на рынках капитала. Новый аналитический взгляд на циклы, цены и изменчивость рынка |Текст| / Э. Петере,— М.: Мир, 2000,- 333 с.
2. Андерсон, Т. Статистический анализ временных рядов |Текст| / Т. Андерсон,— М.: Наука, 1976,- 378 с.
3. Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика |Текст|: Учебник для вузов / Н.Ш. Кремер,- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000.- 543 с.
4. Шредер, М. Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая [Текст] /
М. Шредер,— Ижевск: Изд-во НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001,— 528 с.
5. Перепелица, В.А. Структурирование данных методами нелинейной динамики для двухуровневого моделирования [Текст] / В.А. Перепелица, Ф.Б. Тебуева, Л.Г. Темирова,— Ставрополь: Ставропольское книжное издательство, 2006,— 286 с.
6. Ярушкина, Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем [Текст]: Учеб. пособие / Н.Г. Ярушкина,— М.: Финансы и статистика, 2004,- 320 с.
7. [Электронный ресурс] http://www.caiso.com
УДК621.181.29
И.В. Самченков, А.П. Щуклинов, В.В. Бажанов
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОАККУМУЛЯЦИИ НА АЭС С ВВЭР
Утвержденная в 2006 году Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России...» предполагает масштабное строительство атомных энергоблоков, призванных заменить выбывающие мощности и удовлетворить рост энергетических потребностей страны.
Увеличение доли АЭС в общем производстве электроэнергии и уменьшение доли ТЭС (а они часто работают в переменной части графика нагрузок сети) ставит вопрос о привлечении АЭС к регулированию мощности электросети: увеличению производства электроэнергии в дневное время и снижению в ночное время.
Однако в настоящее время работа АЭС в переменных режимах нецелесообразна по двум причинам: во-первых, в связи с более высокой капитальной составляющей стоимости производимой электроэнергии, а во-вторых, в связи с низкими маневренными характеристиками активных зон.
Разработка специализированных высокоманевренных АЭС, допускающих изменение мощности энергоблока в широком диапазоне, хотя в принципе и возможна, но требует больших затрат на НИ ОКР.
С точки зрения возможности технической реализации регулирования мощности энергосисте-
мы с использованием АЭС наиболее простым представляется решение, при котором, сохраняя за АЭС постоянную часть графика нагрузок, покрытие переменной части графика возлагается на специализированные маневренные газотурбинные, парогазовые или гидроаккумулирующие станции. Однако, как показали проведенные во ВНИИАЭС исследования* технико-экономической эффективности различных решений по обеспечению производства электроэнергии в соответствии с графиком нагрузок, наиболее экономичным решением является аккумулирование тепловой энергии на АЭС, при котором реакторная установка работает на постоянной мощности и постоянных параметрах теплоносителя, а реализация переменного графика выдаваемой в сеть мощности осуществляется только за счет изменения режима работы ее второго контура.
Сама идея аккумулирования тепловой энергии не нова и достаточно широко используется в России и за рубежом. Применительно к существующим и разрабатываемым АЭС с ВВЭР
* Чаховекий, В.М. Сэкономим? Энергоэффективность теплоаккумулирующих систем в атомной энергетике [Текст] / В.М. Чаховский, К. Соплен-ков // Росэнергоатом,— 2010. N° 2.
в качестве возможных решений аккумулирования тепловой энергии рассматриваются:
системы с использованием в качестве аккумулирующей среды высокотемпературного теплоносителя, например ТВЛ-300, который нагревается за счет теплоты конденсации излишков свежего пара в часы ночного провала нагрузки и возвращает это тепло при нагреве основного конденсата и питательной воды в часы пиковой нагрузки, компенсируя отсутствие отборного пара на регенерацию, используемого в это время на увеличение мощности турбины;
системы с электротеплоаккумулятором (ЭТА), в которых в часы ночного провала нагрузки избыток генерируемой электроэнергии идет на нагрев теплоаккумулирующей среды в ЭТА с возвратом аккумулированного тепла во второй контур в часы пиковой нагрузки путем перегрева греющего пара промперегревателя СПП, в результате
чего существенно возрастает температура пара на входе в цилиндр низкого давления (ЦНД), увеличивается КПД проточной части ЦНД, а следовательно, и мощность турбины.
У каждой из указанных систем есть свои преимущества и недостатки, вследствие чего без тщательного расчетно-проектного анализа в настоящее время трудно отдать предпочтение какому-либо варианту. Для такого анализа необходимо разработанное хотя бы на уровне технического предложения основное оборудование.
В настоящей статье излагаются результаты оценки теплотехнической эффективности аккумулирования тепла на АЭС с ВВЭР с использованием ЭТА на основе имеющегося представления о возможном конструктивном исполнении такого оборудования.
Тепловая схема энергоблока АЭС с ЭТА приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная тепловая схема энергоблока АЭС с электротеплоаккумулятором, встроенным в тракт пароперегревателя СПП /— реактор; 2— парогенератор; 3— ГЦН; 4— главный паропровод; 5— трубопровод подачи пара на пароперегреватель (ПП); 6— паровая турбина; 7— сепаратор; 8— ПП; 9— электрогенератор; 10— конденсатор; 11 — конденсатами насос первой ступени; 12— ПНД смешивающего типа; 13 — конденсатный насос второй ступени; 14 — ПНД поверхностного типа; 15 — деаэратор; 16— питательный насос; 17— ПВД; 18— трансформаторный блок ЭТА; 19— электро-теплоаккумулятор; 20— регулирующая задвижка на трубопроводе подачи пара на смеситель; 21— задвижка на трубопроводе; 22 — подачи пара во встроенный теплообменник ЭТА; 23— смеситель острого пара и перегретого пара из ЭТА; 24— трубопровод питательной воды;
26 — регулирующая задвижка на трубопроводе подачи пара на ПП
Интерес к данной системе применительно кАЭС с ВВЭР, несмотря на имеющийся скепсис в отношении ее теплотехнической эффективности, обусловлен наличием здесь возможности изменения мощности энергоблока изменением температуры перегретого пара на входе в ЦНД.
Принцип работы АЭС с ЭТА заключается в следующем: ночью избыточная электроэнергия подводится к трансформаторному блоку 18, к которому подключены электронагреватели ЭТА 19. В ЭТА осуществляется разогрев теплоаккумули-рующего материала примерно до 600 °С. По окончании ночного провала трансформаторный блок выключается, и ЭТА переходит в режим разрядки с выдачей накопленной энергии в турбоустановку в соответствии с требованиями энергосистемы. В этом режиме поток свежего пара, отбираемый в качестве греющего на пароперегреватель СПП 8, прежде чем поступит в П П, проходит через ЭТА, где нагревается примерно до 540 °С, что позволяет поднять температуру нагреваемого в ПП основного пара в АЭС-2006 до 300 "С. От величины перегрева пара в ПП зависит прирост электрической мощности энергоблока в режиме разрядки ЭТА.
В качестве теплоаккумулирующего материала в ЭТА на первом этапе рассмотрения данного вопроса был принят ТХ — талькохлорид (М§ Ре),2[(81 А1)8О20] (ОН)|6, широко применяемый в каминах и печах различного назначения в связи с его хорошими теплоаккумулирую-щими свойствами. Однако по мере накопления и осмысления результатов исследования в качестве теплоаккумулирующих материалов стали рассматриваться и щелочные металлы, в частности натрий, применяемый в настоящее время в атомной энергетике.
Конструктивно ЭТА представляет собой ряд (в соответствии с количеством петель реакторной установки) параллельно включенных цилиндрических вертикальных теплообменников, состоящих из теплоаккумулирующего материала, пронизанного одноходовыми теплообменными трубками и электронагревателями с движением нагреваемого пара снизу вверх. Теплообменные трубки в каждом теплообменнике объединены между собой раздаточными и сборными коллекторами.
Было рассмотрено шесть конструктивных вариантов: с теплообменными трубками диаметром 16/14 и 19/17 при средней скорости движения пара в трубках 10, 20 и 30 м/с.
Расчетное исследование включало в себя: определение для всех вышеуказанных конструктивных вариантов ЭТА требуемого количества те плообменных труб, ихвысоты итребуе-мого объема аккумулирующего материала (талькохлорида и натрия);
выбор из рассмотренных вариантов наиболее удовлетворяющего по габаритам для каждого из рассмотренных видов теплоаккумулирующего материала;
расчет трехмерного нестационарного температурного поля теплоаккумулирующего материала и нагреваемого пара в пределах одной расчетной ячейки для каждого выбранного теплообменника в режиме разгрузки ЭТА (работы энергоблока на повышенной мощности) продолжительностью 17 часов. Под расчетной ячейкой подразумевалась часть цилиндрического объема теплообменника, включающая осевую теп-лообменную трубку и окружающий ее в виде шестигранника аккумулирующий материал, равномерно распределенный между всеми трубками данного теплообменника;
расчет второй ступени пароперегревателя СПП с целью определения температуры нагреваемого пара на выходе СПП на протяжении всего режима разгрузки ЭТА при температуре греющего пара, достигаемой на выходе ЭТА;
определение увеличения мощности ЦНД турбины при номинальном расходе пара за счет использования тепла, аккумулированного в ЭТА, путем повышения температуры пара на входе в ЦНД.
Требуемый объем аккумулирующего материала при принятой максимально допустимой его температуре 600 °С определялся применительно к АЭС-2006 исходя из требования аккумулирования количества энергии (а следовательно, и мощности ночной разгрузки энергоблока при заданной продолжительности 7 часов), необходимого для обеспечения максимально возможного увеличения мощности турбинной установки в дневные часы (17 часов).
За начальные условия было принято равномерное температурное поле теплоаккумулирующего материала и пара в трубке при 600 °С, достигнутое в режиме зарядки аккумулятора.
Расход нагреваемого пара через одну ячейку (одну трубку) определялся исходя из значения расхода греющего пара, заданного на вторую ступень пароперегревателя СПП АЭС-2006
(79,17 кг/с) и общего количества теплообменных труб ЭТА, определяемого рассматриваемым конструктивным вариантом (диаметр труб и принятая средняя скорость движения пара). Давление пара на входе в трубки — 6,8 МПа, температура пара на входе — 283,8 °С. Требуемая температура пара на выходе ЭТА(она, в частности, и определяет требуемые габариты ЭТА) — 540 °С.
Расчет температурного поля проводился по специальной программе, моделирующей нестационарное температурное поле расчетной ячей-о)
Температура, С
ки ЭТА методом конечно-разностной аппроксимации. При этом ячейка представлялась состоящей из набора элементов, образованных делением ячейки по высоте на 32 одинаковых слоя, а по радиусу — на центральное отверстие, по которому движется снизу вверх нагреваемый пар, и окружающие это отверстие 45 коаксиальных цилиндрических слоев.
На рис. 2, а, б'представлены графики изменения температуры в отдельных точках (элементах) расчетной ячейки при разрядке ЭТА, соот-
500
400
300
6 4
X 10 Время, С
б)
Температура, С
500
400
—__-____
XI
_^2.3
П ^2.2
2.1
11
I I
х 10 Время, с
Рис. 2. Графики изменения температуры пара на выходе из ЭТА
и теплоаккумулирующего материала в процессе разрядки при использовании в качестве теплоаккумулирующего материала талькохлорида (а), натрия (б)
ветствующие варианту с трубками 16/14 мм и средней скорости движения пара 20 м/с, наиболее оптимальному по температуре пара на выходе из ЭТА и габаритам аккумулятора. Это следующие элементы: пар на выходе из трубки (П); внутренний цилиндрический слой аккумулирующего материала (соприкасающегося с трубкой) на входе в ячейку 7.7, на середине высоты ячейки 2.1 и на выходе ячейки 3.7; элемент, находящийся посередине объема ячейки 2.2\ элемент, наиболее удаленный от осевой трубки посередине высоты ячейки 2.3. На рис. 2, а представлены графики температур при использовании в качестве теплоаккумулирующего материала талькохлорида; на рис. 2, б' — то же, но при использовании в качестве теплоаккумулирующего материала натрия.
Из графиков видно, что температура ТХ вблизи теплопередающей поверхности довольно быстро снижается, в то время как температура на некотором расстоянии от поверхности практически остается без изменения. Это приводит ктому, что при наличии нагретой до 600 °С большей массы ТХ нагреваемый пар за исключением первых секунд не достигает нужной температуры. Причина этого — низкая теплопроводность ТХ (Ххх = 2,72 ВтДмтрад)) в исследуемом диапазоне температур, а следовательно, и низкий коэффициент теплопередачи, при котором скорость подвода тепла ктеплообменной поверхности значительно меньше скорости теплоотвода.
В случае использования натрия температура пара после нескольких первых секунд достигает своего максимального значения, близкого ктем-пературе натрия, после чего начинает плавно снижаться. Это объясняется высокой теплопроводностью натрия, резко увеличивающей коэффициент теплопередачи.
Из сказанного делается вывод о непригодности талькохлорида для использования в качестве теплоаккумулирующего материала в электротеп-лоаккумуляторах АЭС. Поэтому все дальнейшие расчетные исследования проводились только для ЭТА с натрием.
Для оценки возможного увеличения мощности турбины К1200—6,8/50 при разгрузке ЭТА были проведены расчеты температуры пара на входе в ЦНД (выходе из ПП второй ступени) в функции от температуры греющего пара после ЭТА, представленной на графике рис. 2, а, показавшие, что при температуре греющего пара
500 °С температура пара на входе в ЦНД равна 281,3 °С, а при температуре греющего пара 550 °С- 285,5 °С.
При указанных значениях температуры пара на входе в ЦНД был выполнен поверочный расчет проточной части ЦНД при известных значениях «сухого» КПД отсеков и расходов пара при номинальной мощности турбины.
Как следует из выполненных расчетов при температуре пара на входе в ЦНД 281,3 °С, мощность турбины повышается относительно номинального режима на 21,4 МВт, при температуре 285,5 °С — на 26,4 МВт, т. е. всего примерно на 2 %.
Если учесть, что суммарная продолжительность пиковой нагрузки составляет 4 часа (2 пика продолжительностью 2 часа каждый), то для обеспечения указанного повышения мощности продолжительностью 4 часа необходима ночная разгрузка блока при ее продолжительности 7 часов на 28 МВт, что при общей ночной разгрузке сети на 20—25 % является совсем незначительной величиной.
В результате проведенного расчетного исследования установлено:
1. Талькохлорид вследствие его низкой теплопроводности не может рассматриваться в качестве перспективного материала для электро-теплоаккумулятора большой мощности.
2. Допустимая глубина ночной разгрузки АЭС с теплоаккумулятором при заданной продолжительности полностью определяется возможным увеличением мощности турбины и принятым графиком работы блока с увеличенной нагрузкой.
3. Рассмотренная схема энергоблока АЭС с аккумулированием тепловой энергии путем встраивания электротеплоаккумулятора в систему промперегрева представляется малоэффективной для использования в диспетчерском графике нагрузки сети из-за малых возможных значений изменения мощности. Причиной этого является в основном малое влияние величины перегрева греющего пара в пароперегревателе СПП на конечную температуру нагреваемого пара по сравнению с теплотой конденсации греющего пара.
4. Некоторое повышение эффективности использования рассмотренной схемы с электро-теплоаккумулятором (примерно в два раза) мо-
жет быть получено, если аккумулированное тепло использовать в течение большего промежутка времени, чем длительность пиковых нагрузок (например, в течение 15 часов вместо двух раз по 4 часа).
5. Полученные результаты не отрицают возможности эффективного использования элект-ротеплоаккумулирования в принципе, а только указывают на неэффективность этого в рассмотренной схеме.
УДК621.31 1.22(075.8)
В. Г. Киселёв
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОТЕКТОРНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Постановка проблемы
При разработке и внедрении в производство изделий, оборудования, конструкций и сооружений различного типа существенную роль играет их коррозионная стойкость. Коррозия относится главный образом к экономическим проблемам, так как связана с возможными потерями основных и оборотных фондов, а также предпринимательской прибыли. В последнее время для защиты от коррозии подземных металлических сооружений все чаще используются методы электрохимической защиты, в частности протекторная защита. Однако оценка экономической эффективности при проектировании протекторной защиты сопряжена с определенными трудностями. Попытке их преодоления и посвящена данная статья.
Протекторная защита от коррозии.
Основные понятия
Протекторная защита в случае подземных металлических сооружений используется в основном для защиты от почвенной коррозии. В этом случае защитный потенциал для подземных металлических сооружений (ПМС), изготовленных из низколегированной углеродистой стали, устанавливают, как правило, в пределах от —0,85 до —1,15 В по медно-сульфатному электроду сравнения. Для электрохимической защиты от коррозии в общем не важно, как получают защитный ток — с использованием выпрямителя или гальванического анода, важно чтобы была достигнута необходимая защитная плот-
ность тока на ПМС. Получение защитного тока с использованием протекторов имеет ряд особенностей, которые связаны с материалом и формой протектора, свойствами электролитической среды, в которой находятся защищаемое сооружение и гальванический анод, и видом ПМС (размеры, наличие защитного покрытия и его свойства, площадь контакта с грунтом и т. д.). Все эти факторы должны быть учтены при проектировании протекторной защиты. Остановимся на них несколько подробнее.
Основные принципы проектирования протекторной защиты
Процесс проектирования протекторной защиты несколько различается в зависимости от вида коррозионной среды и особенностей защищаемого объекта, что, в частности, и подтверждается наличием специальных нормативных документов для разных ПМС и видов коррозионных сред. Для большей наглядности остановимся на рассмотрении протекторной защиты, регламентированной «Инструкцией по защите городских подземных трубопроводов от коррозии РД 153-39.4-091 - 01» [1]. Однако, прежде чем приступить собственно к проектированию гальванической защиты, рассмотрим кратко основные характеристики гальванических анодов и принцип их действия. Генерирование тока при протекторной защите обусловлено разностью стационарных потенциалов, которые имеют защищаемое сооружение и протектор в грунте. Чем она больше, тем больше защитный ток, протека-
