PRoAtom - Энергосбережение и повышение энергоэффективности на АЭС: проблемы и пути решения

А.С. Зыков, ОАО «Атомэнергопроект», г. Москва

Энергоемкость ВВП Российской Федерации в 2-3 раза выше, чем в развитых странах мира. Необходим переход устаревших технологий на новые, более эффективные как с точки зрения с точки зрения эффективного энергопотребления, так и с точки зрения качества управления системами энергоёмкого технологического оборудования.

Президентом и Правительством РФ поставлена задача снижения к 2020 году энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40 процентов по сравнению с 2007 годом (Рис.1).

Рис.1 3-я общероссийская конференция «Государственная политика в области энергоэффективности и энергосбережения», 2012 г.

Это, в первую очередь, относится к генерирующим компаниям. Расход потребления электроэнергии на собственные нужды энергоблока на различных АЭС Государственной корпорации «Росатом» по расчетным данным находится в пределах от 4,5 до 8,5% от общей генерации. Данные об объемах потребляемой электроэнергии на собственные нужды АЭС требуют уточнения.

На основании различных источников зарубежной информации расход потребления электроэнергии на аналогичных АЭС в странах Западной Европы и Америки находится в пределах от 4,5 до 5,5% от общей генерации. Разница относительно российских АЭС лежит в пределах от 2 до 3%.

Французская компания EDF за счет реализации энергосберегающих мероприятий на своих энергоблоках смогла повысить их номинальную мощность на 1,5% ещё 2006 г.

С учетом среднегодового КПД энергоблока 34-37% одна единица сокращения потребления электрической энергии (чистого выпускаемого продукта) на собственные нужды энергоблока эквивалентна трем единицам тепловой энергии, поэтому сокращать потребление энергии на собственные нужды необходимо в первую очередь её электрическую часть.

Свыше 90% потребляемой электроэнергии на собственные нужды энергоблока приходится на электропривод (асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором), который является огромным резервом энергосбережения и может обеспечить за счет внедрения инновационных технологий самый большой экономический эффект (Рис.2).

Основными потребителями электроэнергии на собственные нужды являются:
            – реакторное отделение (ГЦНА)       – 30%;
            – турбинное отделение (ПЭН, КЭН) –   27%;
            – блочная насосная станция (ЦН)    – 31%;
            – прочее                                       – 12%;

Рис.2 Распределение потребляемой электроэнергии энергоблока на СН

Потенциал энергосбережения энергоблока АЭС, в зависимости от режима его работы, по разным оценкам и расчетам находится на уровне 15-20% от общего расхода электроэнергии на собственные нужды (около 100000 МВт·ч/год). Реализация эффективных энергосберегающих технологий позволит привести к эквивалентному увеличению мощности генерации электроэнергии энергоблока на уровне 1-2% (12,5-25 МВт).

Среди всего многообразия ресурсо- и энергосберегающего оборудования (частотно-регулируемый электропривод - ЧРП, гидромуфты, устройства плавного пуска, энергосберегающие лампы и светильники, компенсаторы реактивной энергии и др.) на настоящий момент времени частотно-регулируемый электропривод занимает лидирующее место.

Мировая и отечественная инженерная практика показала, что наибольший экономический эффект при реализации программ энергосбережения дает переоснащение технологического оборудования устройствами с частотно-регулируемым электроприводом.

Теоретически и практически, снижение скорости вращения ротора электродвигателя насосов и вентиляторов на 10% даёт тридцатипроцентную экономию потребляемой электроэнергии.

Доля атомной генерации в общем энергобалансе России около 17 %, а по прогнозами планамк 2020 году вырастет до 18%-19%, а к 2030 году - до 22%-23%. Высокое значение доля атомной энергетики имеет в европейской части России и, особенно на северо-западе, где выработка на АЭС достигает свыше 42 %.

Поэтому для европейской части России в ближайшее десятилетие создаётся объективная ситуация невозможности поддержания АЭС в базовом режиме и, как следствие, эксплуатация их в режимах не полной мощности с большим разнообразием переходных и маневренных режимов, что предполагает другой подход к качеству систем регулирования мощностью реакторной установки (РУ) и энергоемким технологическим оборудованием энергоблока АЭС.

В соответствии с техническим заданием (ТЗ) нового проекта ВВЭР-ТОИ (2011г.), в отличие от предыдущих проектов, появились новые требования по маневренным режимам – обеспечение возможности участия в первичном и вторичном регулировании частоты сети, а также в суточном регулировании мощности по графику (100-50-100)% от N_ном.

Та же французская компания EDF исследованиями маневренных возможностей АЭС с реакторами PWR начала заниматься с 1971 г. и в настоящее время является образцом проектных решений и обладателем большого накопленного опыта в этом направлении.

Все энергоблоки компании EDF эксплуатируются в маневренных режимах, включая участие:
            – в первичном регулировании частоты ±2% от N_ном;
            – во вторичном регулировании частоты ±5% от N_ном;
            – в суточном регулировании мощности (100-25-100)% от N_ном;
            – в режиме следования за нагрузкой;
            – в режиме продолжительной работы на промежуточной и пониженной мощности.
            В качестве примера изменения нагрузки и следования за ней мощности можно привести график работы АЭС «Каттенон» французской компании EDF (Рис.3).

Рис. 3 График работы энергоблока компании EDF при глубоком суточном изменении нагрузки

К энергоемкому технологическому оборудованию энергоблока АЭС можно отнести, прежде всего, мощные насосы с асинхронными электродвигателями по 7,5МВт каждый, такие как:

ГЦНА – главный циркуляционный насосный агрегат;
ПЭН    – питательный электронасос;
КЭН    – конденсатный электронасос;
ЦН      – циркуляционный насос.

Всего, одновременно работающих насосов на номинальной мощности в базовом режиме около 10 шт., суммарная активная мощность которых равна 75,5МВт, что соответствует свыше 6% потребления электроэнергии на собственные нужды от общей генерации энергоблока АЭС с ВВЭР-ТОИ.

При существующих в настоящее время способах регулирования энергоёмким технологическим оборудованием работа энергоблока в режиме суточного маневрирования и следования за нагрузкой (100-50-100)% от N_ном и соответствующем изменении мощности РУ крайне неэффективна как с точки зрения неэффективного потребления электроэнергии на собственные технологические нужды, так и с точки зрения качества систем регулирования и работы всего технологического оборудования I, II контура и контура охлаждающей воды энергоблока.

Реализовать оптимальный режим работы энергоблока АЭС в переходных и маневренных режимах возможно с применением современных систем частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) на насосах ГЦНА, ПЭН, КЭН и ЦН (Рис.4).

Рис. 4 Схема автоматического регулирования энергоёмким технологическим оборудованием в переходных и маневренных режимах на основе комплексного применения ЧРП

Частотно-регулируемый электропривод может плавно и синхронно изменять производительность 4-х ГЦНА по заданному или изменяемому технологическому параметру или любой другой закономерности, сохраняя одинаковый поток теплоносителя во всех петлях РУ.

Внедрение ЧРП в этих системах открывает новые потенциальные возможности по увеличению уровня надежности, качества, оптимизации и эффективности регулирования мощностью РУ и работы энергоблока в манёвренных, динамических и переходных режимах, а также работы всего технологического оборудования.

Перед включением технических решений по ГЦНА в рабочую документацию необходимо проведение комплекса НИОКР по обоснованию применения частотно-регулируемого электропривода на ГЦНА с проведением комплексных натурных испытаний на стендовом оборудовании по разработанной, согласованной и утвержденной программе и НИОКР по моделированию работы энергоблока в переходных и маневренных режимах с применением частотно-регулируемого электропривода на энергоемком технологическом оборудовании I, II и контура охлаждающей воды энергоблока.
Снижение скорости вращения ротора электродвигателя насосов и вентиляторов на 10% даёт тридцатипроцентную экономию потребляемой электроэнергии:

N_потр = N_ном · (G_i /G_ном)³

При работе ГЦНА с ЧРП в маневренном режиме (100-50-100)% от N_номпри суточном изменении нагрузки в зависимости участка этого режима экономия потребляемой электроэнергии может достигать в среднем до 50% от номинальной потребляемой мощности (Рис.5).

                                                              Рис.5

Сроки окупаемости оборудования, в зависимости от режима работы энергоблока, могут составить от 2 до 5 лет эксплуатации.

Частотно-регулируемый электропривод является многофункциональным электротехническим оборудованием и при комплексном внедрении в энергоблоке может одновременно выполнять функции:

•        автоматического регулятора технологическими параметрами при базовых и маневренных режимах энергоблока;
•        энергосбережения;
•        увеличения ресурса и надежности работы технологического оборудования;
•        диагностики, контроля и полной электронной защиты электродвигателя насосного агрегата;
•        дополнительной автономной системы безопасности при длительном обесточивании энергоблока;
•        увеличения номинальной мощности генерации при пиках нагрузки.

В настоящее время в России появились разработчики и производители мощного высоковольтного частотно-регулируемого электропривода (ВЧРП - до 10МВт, 10кВ) на базе силовых модулей с использованием IGBT транзисторов и средней наработкой на отказ до 100000 часов, которые соответствуют уровню ведущих мировых производителей и требованиям, предъявленным к оборудованию, применяемому на объектах атомной энергетики. Наиболее перспективной схемой построения ВЧРП является схема многоуровневого инвертора напряжения питанием от многообмоточного трансформатора.

ВЫВОДЫ

1. Проектирование современных и перспективных энергоблоков АЭС необходимо осуществлять на базе комплексного применения частотно-регулируемого электропривода с целью обеспечения оптимальных режимов работы РУ и энергоемкого технологического оборудования и требуемого уровня энергоэффективности в режимах глубокого суточного маневрирования и следования за нагрузкой.

2. Частотно-регулируемый электропривод является многофункциональным электротехническим оборудованием, потенциальные возможности которого необходимо использовать в полном объеме, как в перспективных проектах, так и при модернизации действующих АЭС.

3. Решение по включению в рабочую документацию частотно-регулируемого электропривода на энергоемком технологическом оборудовании принимается только после проведения всего комплекса НИОКР по математическому моделированию работы энергоблока в маневренных режимах и натурных испытаний ГЦНА по разработанной, согласованной и утвержденной программе.

ПРОБЛЕМЫ

1. Отсутствие в Федеральном законе от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» прямых требований по обязательному оснащению энергоёмких потребителей электроэнергии (мощные асинхронные и синхронные электродвигатели) частотно-регулируемым электроприводом в новых проектах и при модернизации действующих промышленных объектов.

2. Отсутствие в Постановлении Правительства Российской Федерации от 16 февраля 2008 года №87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» отдельного раздела «Энергосбережение и энергоэффективность» с современными требованиями к нему, а также дополнительных требований в разделы 1, 2, 3, 4 и 5 данного Постановления в части энергосбережения и энергоэффективности.

3. Отсутствие в ГК «Росатом» единого отраслевого Центра, который обладает всей полнотой компетенций данного направления с обеспечением полного цикла работ «под ключ» с целью координации НИОКР, распространения и внедрения инновационных технологий и технических решений в области энергосбережения и энергоэффективности в новых и перспективных проектах АЭС.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Внести изменение в Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» в части обязательного оснащения энергоёмких потребителей электроэнергии (мощные асинхронные и синхронные электродвигатели) частотно-регулируемым электроприводом в новых проектах и при модернизации действующих промышленных объектов.

2. Внести изменение в Постановление Правительства Российской Федерации от 16 февраля 2008 года №87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» в части введения нового, отдельного раздела «Энергосбережение и энергоэффективность» с разработкой современных требований к нему, а также дополнительных требований в разделы 1, 2, 3, 4 и 5 данного Постановления в части энергосбережения и энергоэффективности.

3. Рекомендовать ГК «Росатом» создать на базе ОАО «Атомэнергопроект», который обладает всей полнотой компетенций данного направления с обеспечением полного цикла работ «под ключ», Центр энергосбережения и энергоэффективности с целью распространения и внедрения инновационных технологий и технических решений в области энергосбережения и энергоэффективности на АЭС,энергетике, ВПК, Министерство обороны и промышленности РФ.

Круглый стол в СФ РФ 28.03.2013