Введение
В настоящее время на большинстве АЭС с реактором ВВЭР-1000 охлаждение циркуляционной воды происходит только в пруду-охладителе. Сброс нагретых вод определяет тепловое воздействие тепловых и атомных электростанций на экологию водных объектов, используемых для охлаждения циркуляционной воды. С другой стороны при увеличении нагрузки пруда-охладителя снижается качество охлаждения циркуляционной воды, что негативно отражается на работе основного оборудования в схеме АЭС [1]. Для решения проблемы предотвращения теплового загрязнения водных объектов и соблюдения норм на температуру охлаждения в цикле тепловой схемы применяют дополнительные охладители иных типов: градирни, брызгательные установки или другие водные объекты. В большинстве случаев эти охладители используются для предварительного охлаждения части циркуляционной воды с последующим охлаждением всего количества в основном водоеме или водотоке.
Методика определения температуры воды охладителя
Эффективность работы охлаждающего устройства определяется температурой воды на выходе из него, стремящейся к минимальному значению. Температура циркуляционной воды на выходе из пруда-охладителя определяется:
Т1вп = Tнв + δt, (1)
где, Тнв – температура наружного воздуха оС; δt – поправка, определяемая по номограмме пруда-охладителя, используя исходные данные для расчетов, оС.
Температура на выходе из конденсатора:
Т2вп = Т1вп + Δtцв, (2)
где Δtцв – нагрев циркуляционной воды в конденсаторе, оС.
Анализ схем охлаждения циркуляционной воды
На рис. 1 приведены три схемы охлаждения циркуляционной воды: в пруде охладителе; в пруде охладителе и градирни при последовательном их включении; в пруде охладителе и градирни при параллельном их включении.
Принцип работы модернизированной схемы №2 (рис. 1 б) заключается в том, что часть циркуляционной воды в количестве αгр) на выходе из конденсатора последовательно охлаждается в градирне и в пруде охладителе. После чего смешения потоков вода поступает в конденсатор турбины. При этом параметры циркуляционной воды на входе в пруд-охладитель будут ниже, тем самым уменьшая показатель Δt который прямопропорционально влияет на поправку δt.
|
а - схема №1 |
б - схема №2 |
в - схема №3 |
|
Рис. 1. Схемы технического водоснабжения при охлаждении циркуляционной воды: а – в пруде охладителе; б – в пруде охладителе и градирни при последовательном их включении; в – в пруде охладителе и градирни при параллельном их включении |
||
В схеме №3 (рис. 1 в) главное отличие от предыдущей заключается в том, что точка смешения находится непосредственно перед конденсатором. Вода с градирни не проходит через пруд-охладитель, что позволяет при том же значении fуд существенно снизить общую площадь зеркала пруда-охладителя.
Для корректного сравнения схем следующие значения примем постоянными:
qг = 10 м3/(м2/сут) – плотность орошения в градирни; fуд= 1,6 м2/(м3/сут) – удельная плотность пруда-охладителя; Δtцв = 10 oC; αгр = 60% от Gцв – количество воды, проходящей через градирню.
Для схемы №1 по представленной выше методике определены температуры воды на входе и выходе из пруда охладителя в зависимости от температуры наружного воздуха. Результаты расчета приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры воды в схеме №1
|
Месяц |
Тнв, С |
δt, С |
Т1вп, С |
Т2вп, С |
|
Апрель |
8,2 |
8,8 |
17 |
27 |
|
Май |
15,8 |
6,7 |
22,5 |
32,5 |
|
Июнь |
20,5 |
5,2 |
25,7 |
35,7 |
|
Июль |
22,5 |
5 |
27,5 |
37,5 |
|
Август |
20,3 |
5,1 |
25,4 |
35,4 |
|
Сентябрь |
14,2 |
6,5 |
20,7 |
30,7 |
|
Октябрь |
6,5 |
9,2 |
15,7 |
25,7 |
Оценка эффективности схем с градирней
Оценка эффективности схем с градирней проводится по следующей методике: расчет начинается с определения параметров циркуляционной воды на выходе из градирни, затем считаются параметры в точке смешения, определяется новое значение Δt и пересчитывается температура циркуляционной воды на выходе из пруда-охладителя:
1. Определяются параметры воды на выходе из градирни:
t1вгр = T1в + 0,5∙Vветра, (3)
где Т1в – температура по номограмме градирни, находится по начальным данным для расчета; 0,5∙Vветра – поправка на скорость ветра.
2. Рассчитаются параметры воды после точки смешения, на входе в пруд-охладитель. Для этого составим тепловой баланс точки смешения:
h1вгр∙αгр + h2вп ∙ (α - αгр) = α ∙ hсм=
0,6 ∙h1вгр + 0,4 ∙ h2вп = 1 ∙ hсм (4)
Значения энтальпии определяем по температуре и заданному давлению циркуляционной воды. По полученному hсм и Pц.в. определяем температуру воды tсм. на входе в пруд-охладитель.
3. Для пруда-охладителя в каждом месяце рассчитается новое значение нагрева воды в конденсаторе: Δt’ = tсм - t1вп
4. Рассчитается температура на выходе из пруда охладителя в каждом месяце для новых значений Δt’: Т1в = tнв + δt’
Так как параметры воды на входе в градирню и сами градирни одинаковые, то значения Т1вгр и h1вгр для схем №2 и №3 будут одинаковыми.
В табл. 2 приведены параметры циркуляционной воды для схем №2 и №3 в зависимости от температуры наружного воздуха.
Таблица 2
Параметры воды для схем №2 и №3
|
Месяц |
Т1вп, С |
Тсм,, С |
Δt’, C |
δt', С |
Т1в, С |
|
Апрель |
17 |
26,4 |
9,4 |
8,5 |
16,7 |
|
Май |
22,5 |
30,48 |
8 |
5,5 |
21,3 |
|
Июнь |
25,7 |
33 |
7,3 |
3,1 |
23,6 |
|
Июль |
27,5 |
34,2 |
6,7 |
2,8 |
25,3 |
|
Август |
25,4 |
32,8 |
7,4 |
3,7 |
24 |
|
Сентябрь |
20,7 |
29,6 |
8,9 |
5,8 |
20 |
|
Октябрь |
15,7 |
25,65 |
9,9 |
9,1 |
15,6 |
В табл. 3, 4 приведены параметры циркуляционной воды отдельно для схем №2 и №3 соответственно в зависимости от температуры наружного воздуха.
Таблица 3
Расчетные параметры схемы №2
|
Месяц |
T1в, С |
T1вгр, С |
h1вгр, кДж/кг |
h2вп, кДж/кг |
hсм, кДж/кг |
Tсм, С |
|
Апрель |
24,5 |
26 |
109,5 |
113,7 |
111,2 |
26,4 |
|
Май |
27,7 |
29,1 |
122,5 |
136,7 |
128,2 |
30,48 |
|
Июнь |
29,9 |
31,3 |
131,7 |
149,5 |
138,8 |
33 |
|
Июль |
30,6 |
32 |
134,6 |
157,6 |
143,8 |
34,2 |
|
Август |
29,9 |
31,1 |
130,9 |
148,8 |
138 |
32,8 |
|
Сентябрь |
27,5 |
28,8 |
121,3 |
129,2 |
124,5 |
29,6 |
|
Октябрь |
24,1 |
25,6 |
107,9 |
108,3 |
108 |
25,65 |
Таблица 4
Расчетные параметры схемы №3
|
Месяц |
T1вгр, С |
h1вгр, кДж/кг |
T1вп, С |
h1вп, кДж/кг |
hсм, кДж/кг |
Tсм, С |
|
Апрель |
26 |
109,5 |
17 |
72 |
94,5 |
22,4 |
|
Май |
29,1 |
122,5 |
22,5 |
95 |
111,6 |
26,5 |
|
Июнь |
31,3 |
131,7 |
25,7 |
108,3 |
122,34 |
29 |
|
Июль |
32 |
134,6 |
27,5 |
116 |
127,16 |
30,2 |
|
Август |
31,1 |
130,9 |
25,4 |
107 |
121 |
28,8 |
|
Сентябрь |
28,8 |
121,3 |
20,7 |
87,4 |
107,74 |
25,6 |
|
Октябрь |
25,6 |
107,9 |
15,7 |
66,5 |
91,34 |
21,7 |
Определены параметры в конденсаторе для получившихся значений температуры циркуляционной воды. Для этого принят недогрев воды в конденсаторе до температуры насыщения греющего пара – Δtк = 5 С. Температура насыщения в конденсаторе составит:
tк = t1в + Δtк. (5)
Результаты расчета представлены в табл. 5 и на рис. 1.
Таблица 5
Температура насыщения в конденсаторе
|
Месяц |
Апрель |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
Октябрь |
|
tк, схема №1, оС |
22 |
27,5 |
30,7 |
32,5 |
30,4 |
25,7 |
20,7 |
|
tк, схема №2, оС |
21,7 |
26,3 |
28,6 |
30,3 |
29 |
25 |
20,6 |
|
tк, схема №3, оС |
27,4 |
31,5 |
34 |
35,2 |
33,8 |
30,6 |
26,7 |
Как видно из табл. 5 и рис. 1 более глубокое охлаждение воды происходит в схеме № 2. Снижение температуры охлаждающей воды увеличивает вакуум в конденсаторе паровой турбины, что способствует выработке дополнительной электрической мощности в последнем отсеке турбины.
Рис. 1. Параметры насыщения пара в конденсаторе
Расчет мощности в последнем отсеке турбины проведен исходя из условия, что пар в последнем отсеке турбины влажный со степенью сухости = 87,55. Результаты расчета мощности в последнем отсеке турбины представлены в табл. 6.
Таблица 6
Расход пара, энтальпии и электрическая мощность в последнем отсеке турбины
|
Месяц |
Апрель |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
Октябрь |
|
Расход пара, D |
893,5 |
893,5 |
893,5 |
893,5 |
893,5 |
893,5 |
893,5 |
|
Н7, кДж/кг |
2388 |
2388 |
2388 |
2388 |
2388 |
2388 |
2388 |
|
Hк схема №1,кДж/кг |
2236 |
2248 |
2254,5 |
2258,3 |
2254 |
2244 |
2233,5 |
|
Hк схема №2,кДж/кг |
2235,7 |
2245,3 |
2250,1 |
2253,6 |
2251 |
2242,5 |
2233,2 |
|
Hк схема №3,кДж/кг |
2247,5 |
2256,2 |
2261,5 |
2264 |
2259,7 |
2254,3 |
2246,2 |
|
N схема №1, кВт |
135812 |
125090 |
119282,25 |
115887 |
119729 |
128664 |
138045,8 |
|
N схема №2, кВт |
136080,05 |
127502,5 |
123213,65 |
120086,4 |
122409,5 |
130004,2 |
138313,8 |
|
N схема №3, кВт |
125536,75 |
117763,3 |
113027,75 |
110794 |
114636,05 |
119460,9 |
126698,3 |
Оценивается прирост мощности в схеме №2 (как наиболее эффективной) по сравнению со схемой №1 по формуле: δN =Nсхема №2– Nсхема №1. Результаты представлены в табл. 7.
Таблица 7
Прирост электрической мощности в схеме модернизации
|
Прирост мощности, кВт/час |
268,05 |
2412,45 |
3931,4 |
4199,45 |
2680,5 |
1340,25 |
268,05 |
|
Выработка эл. энер.за месяц, кВт |
192996 |
1794863 |
2830608 |
3124391 |
1994292 |
964980 |
199429,2 |
|
Прибыль, млн. руб. |
0,154397 |
1,43589 |
2,264486 |
2,499513 |
1,595434 |
0,771984 |
0,159543 |
Проведен экономический анализ целесообразности модернизации системы технического водоснабжения по схеме №2.
Для расчета используется формула для чистого дисконтированного дохода:
(6)
где К – капиталовложения, млн. руб.; Т – срок модернизации, три года; срок полезного использования – двенадцать лет (Ен = 0,12).
Дисконтированные капиталовложения определяются по формуле:
(7)
Rt – доход от реализации электроэнергии; Зt – затраты при эксплуатации, определяются по формуле: Зt = Иt - Иам,
где, Иt – затраты связанные с эксплуатацией градирни; Иам – амортизационные издержки, которые определяются: Иам = (1/СПИ)∙К.
Результаты расчета представлены в табл. 8.
Таблица 8
Технико-экономические показатели модернизации технического водоснабжения по схеме №2
|
Шаг расчета |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
Капвложения, млн. руб. |
5 |
5 |
5 |
||||||||||||
|
Доход млн.руб. |
8,881 |
9,071 |
10,19 |
10,63 |
10,78 |
10,81 |
10,85 |
10,85 |
10,85 |
10,85 |
10,85 |
10,85 |
|||
|
Затраты млн.руб. |
0,25 |
0,223 |
0,199 |
0,177 |
0,158 |
0,141 |
0,126 |
0,113 |
0,101 |
0,090 |
0,080 |
0,071 |
|||
|
Накопленный ЧДД, млн. руб. |
-0,025 |
-13,3 |
-18, |
-0,26 |
-0,42 |
8,576 |
19,03 |
29,66 |
40,33 |
51,05 |
61,79 |
72,55 |
83,31 |
94,09 |
104,8 |
Графическое определение срока окупаемости представлено на рис. 2. Срок окупаемости схемы модернизации составляет 5 лет.
Рис. 2. Определение срока окупаемости при модернизации по схеме №2
Выводы
Произведена оценка эффективности схем оборотного водоснабжения АЭС с реакторами ВВЭР-1000: стандартной схемы охлаждения циркуляционной воды с прудом – охладителем и схем с последовательным и параллельным включением градирни и пруда охладителя в системе охлаждения циркуляционной воды. Доказана экономическая целесообразность модернизации системы технического водоснабжения по схеме последовательного включения пруда охладителя и градирни.