заслуженный энергетик России, кандидат технических наук
7-9 июля на японском острове Хоккайдо пройдёт саммит глав стран «большой восьмёрки». Как ожидается, одной из тем на нем будет борьба с глобальным потеплением. В частности, будет обсуждаться проблема ограничения антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу после 2012 года, когда истекает срок действия Киотского протокола.
Надо сказать, что недавно известный американский метеоролог доктор Уильям Грей назвал «смехотворной» теорию Альберта Гора о причинах и следствиях глобального потепления, за которую бывшему вице – президенту США присудили в октябре 2007 года Нобелевскую премию.
Метеоролог заявил, что теория Гора глобального потепления как следствия деятельности человека является «промыванием мозгов», и что через 10 или 15 лет станет очевидно, что она не имеет ничего общего с истинным положением дел. Тем не менее, Россия при президенте Владимире Путине ратифицировала «по политическим мотивам» Киотский протокол, и он тем самым вступил в действие, хотя многие российские специалисты также придерживались мнения Уильяма Грея (см., например, «Место у Киотской «параши». — «Промышленные ведомости» № 16, ноябрь 2004 г.).
Япония обязана в 2008-2012 г. сократить объём антропогенных выбросов на 6% от уровня 1990 года, но уже ясно, что достигнуть этой цели собственными силами не удастся. Токио в этой связи собирается приобрести долю примерно в 1,6% у стран, которые с запасом укладываются в предусмотренные для них квоты. Россия, якобы, входит в число таких стран. Будучи ещё первым вице-премьером правительства России, Дмитрий Медведев на совещании по демографии в Новосибирске сказал: «Участие в Киотском протоколе создаёт для нас не только плюсы, но и огромные минусы.… Если мы вписались (в Киотский протокол), то должны получить по максимуму преимущества, которые причитаются».
Ну, про огромные минусы ещё до ратификации Киотского протокола знал и президент Владимир Путин, который заявил: «Мы надеемся, что на России не сойдётся свет клином, и она не превратится в дойную корову, за счет которой все будут решать свои вопросы» (см., например, «Маниакально депрессивный психоз по Киотскому протоколу и возможности его уменьшения». — «Промышленные ведомости» № 24, декабрь 2003 г.). А вот о плюсах, при которых мы «должны получить по максимуму», хотелось бы узнать поподробнее.
Россия готовится к торговле квотами парникового газа в соответствии с Киотским протоколом. Точный учёт выбросов парниковых газов в стране ещё не ведётся. Однако кто-то определил, что в 1990 году объём выбросов в стране составлял 3 млрд. тонн и якобы к настоящему времени они уменьшились до почти 2 млрд. тонн. При продаже квот контроль за выбросами со стороны «мирового сообщества» естественно ужесточится и существующие оценки изменятся в весьма неблагоприятную для нас сторону.
«Газпром» и РАО «ЕЭС» давно мечтают торговать квотами, поэтому 21 февраля этого года под председательством заместителя министра экономического развития и торговли К. Г. Андросова состоялось первое заседание комиссии по рассмотрению заявок на утверждение проектов, осуществляемых в соответствии со статьёй 6 Киотского протокола. Их теперь принимают с 10 марта в Минэкономразвития.
Надо сказать, что Япония со свойственной ей обстоятельностью готовится использовать предстоящий саммит восьмёрки для проведения на Хоккайдо конференции лидеров 16 стран по вопросам борьбы с глобальным потеплением. В этой конференции кроме членов «большой восьмёрки» примут участие лидеры Австралии, Бразилии, Индии, Индонезии, Китая, Мексики, Южной Африки и Южной Кореи.
Перед этим правительство Японии объявило о намерении в течение пяти лет выделить 10 млрд. долларов развивающимся странам на меры по борьбе с потеплением климата на планете. В конечном итоге Япония рассчитывает сыграть лидирующую роль в борьбе с глобальным изменением климата и продвигает инициативу создания международного механизма, который обеспечил бы к 2050 году двукратное сокращение антропогенных выбросов газов, вызывающих парниковый эффект.
Следует напомнить, что в декабре 2007 года на Бали 13 Конференция сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата решила, что новое соглашение, которое заменит Киотский протокол, будет содержать одинаковые требования ко всем развитым странам – снизить выброс парниковых газов на 25-40% к 2020 году. А под парниковыми газами по-прежнему понимается в первую очередь углекислый газ. То есть «промывание мозгов» продолжается! Хотя давно известно, что антропогенное сжигание кислорода воздуха приводит не только к выбросам в атмосферу «парникового» углекислого газа, но «парникового» водяного пара, как за счёт окисления углеводородного топлива, так и за счёт наиболее распространенных сейчас систем испарительного охлаждения технической воды для сброса отработанного тепла энергетических установок на органическом топливе. В этом смысле АЭС также не лишены этого недостатка.
Отработанное тепло на энергетических установках обычно отбирается путем конденсации рабочего пара на внешних поверхностях трубок теплообменника — конденсатора, внутри которых циркулирует техническая вода. Подогретая таким образом техническая вода направляется в башенные градирни, где она разбрызгивается, охлаждается и возвращается затем в теплообменники-конденсаторы. «Парящие» градирни стали частью пейзажа многих населенных пунктов.
Известно, что главным газом, создающим парниковый эффект, является именно водяной пар, относительное содержание которого в атмосфере составляет менее 0,3%. Следующий по значению парниковый газ – диоксид углерода (CO2) с относительным содержанием порядка 0,03%. Относительное содержание остальных парниковых газов не превосходит 3.10-4 % (см. Данилов-Данилян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие — М.: Прогресс-Традиция, 2000). Причем, парниковый эффект обусловлен наличием многоатомных газов (паров H2O, CO2, CH4), непрозрачных для теплового излучения. В наше время парниковый эффект в среднем на 78% обусловлен парами воды и только на 22% углекислым газом. Вкладом других газов вполне можно пренебречь (см. Флинт Р.Ф. История Земли — М.: Прогресс, 1978).
Таким образом, в приземном слое атмосферы, где собственно и возникает парниковый эффект, на 10 весовых частей водяного пара, создающих 78% парникового эффекта, приходится 1 весовая часть углекислого газа, создающая, однако, 22% «парникового эффекта». Поскольку при континентальном климате содержание паров воды в атмосфере (влажность) значительно меньше 100%, то конденсации их не происходит, и 2,82 весовые части водяного газа создают тот же парниковый эффект, что одна весовая часть углекислого газа.
Из изложенного выше легко определить суммарный вклад выбросов водяного пара и углекислого газа в «парниковый эффект» для различных энергетических установок на континентах:
— для ТЭС на угле при расходе горючего 428 г у. т. на кВт.час расход атмосферного кислорода составляет 1117 г, выбросы CO2 – 1340 г, выбросы H2O – 0 (условно), испарение H2O в градирне – 3432 г, суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте — 2557 г на кВт.час;
— для ТЭС на газе при расходе топлива — 313 г у. т. на кВт.час расход атмосферного кислорода составляет 733 г, выбросы CO2 – 505 г, выбросы H2O — 413 г, испарение H2O в градирне — 1843 г, суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте — 1305 г на кВт.час;
для АЭС расход атмосферного кислорода, выбросы CO2 и H2O нулевые, испарение H2O в градирне составляет 3612 г на кВт.час, суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте — 1281 г на кВт.час.
Однако, если вместо испарения воды в градирнях для отвода сбросного тепла на электростанциях будут использоваться «сухие» градирни, в которых техническая вода в специальных радиаторах-охладителях охлаждается восходящими потоками воздуха, без испарения охлаждаемой воды в окружающую среду, то, без учёта изменения кпд, для ТЭС на угле суммарный парниковый эффект в CO2-эквиваленте составит 1340 г на кВт.час, для ТЭС на газе — 651,5 г на кВт.час, а для АЭС будет нулевым. Так что игнорирование вклада водяного пара в парниковый эффект при производстве электроэнергии на ТЭС и АЭС означает игнорирование от 22,5% до 100% такого воздействия.
Можно утверждать, что методика проведения мониторинга антропогенных выбросов в атмосферу газов, оказывающих непосредственное парниковое воздействие на атмосферу Земли, основанная на учёте только потребления топливно-энергетических ресурсов, но не учитывающая антропогенные выбросы водяного пара, представляется недостаточно корректной для оценки регионального и глобального изменения климата.
В настоящее время плата за потребление природной воды составляет ничтожную часть в себестоимости электроэнергии, так как не учитывается влияние испарений охлаждаемой в открытых градирнях воды на климат региона. Прошедшим летом из-за небывалой жары Европа из самого благополучного континента превратилась в регион, страдающий от дефицита воды. Беспрецедентное обмеление многочисленных рек привело к двадцатикратному и более росту цен на электроэнергию на энергетических биржах стран Евросоюза.
Вода рек и озёр используется в энергетике как расходный материал для сброса тепла в окружающую среду. Например, на реке Луаре, на которой расположены 12 атомных станций, по национальным нормативам расход воды течения в 9000 куб. м в секунду может снижаться до минимально допустимого значения – 48 куб. м/с (прошедшим летом он составил 60 куб. м/c). Хотя, как уже отмечалось, существуют хорошо отработанные технические средства – «сухие» градирни, позволяющие отказаться от расхода воды рек и озёр для сброса тепла. Их применение исключает выбросы электростанциями в атмосферу паров воды, что во многом решает проблему парникового эффекта. Природа в регионах, где они используются, отвечает ливнями и наводнениями.
В настоящее время достаточно хорошо изучены и освоены башенные «сухие» градирни, в которых техническая вода охлаждается воздухом за счёт естественной тяги, и вентиляторные «сухие» градирни, в которых воздух для охлаждения воды в радиаторных теплообменниках (дельтах) принудительно прокачивается вентиляторами Башенные «сухие» градирни были установлены в 1970 г. на Разданской ГРЭС в Армении, а вентиляторные — в 1973 г. на Билибинской АТЭЦ (Чукотка). «Сухие» градирни применяются также на ПГУ-ТЭЦ в Сочи и ПГУ-ТЭЦ, которая обеспечивает энергоснабжение Москва-Сити.
Основными потребителями охлаждённой технической воды на тепловых и атомных электростанциях, как уже говорилось, являются конденсаторы паровых турбин. При «сухих» градирнях конденсация отработанного пара в конденсаторах может быть обеспечена не только на трубчатой поверхности без контакта с технической водой, охлажденной в «сухой» градирне, но и за счёт смешения в конденсаторе с химобессоленной водой, циркулирующей через теплообменники «сухих» градирен.
При 100%-й конденсатоочистке (большая поверхность дельт увеличивает количество продуктов коррозии в конденсате) схема со смешивающими конденсаторами эффективнее, так как при непосредственном контакте охлажденной воды в конденсаторе температурный напор не превышает 10С, а при конденсации отработанного пара на теплообменной поверхности необходим температурный напор в 3 — 50С, что предопределяет ухудшение вакуума и снижение мощности паровой турбины АЭС.
Однако даже при смешивающих системах конденсации в конденсаторах вакуум на 2-3% хуже, чем при охлаждении технической воды в испарительных градирнях. Применение же для конденсации отработанного пара поверхностных конденсаторов, например, на энергоблоке АЭС-2006, приведет к среднегодовому снижению электрической мощности на 25-30 МВт.
Компенсацией роста удельных затрат при снижении мощности турбины (рассматривается турбина ЛМЗ мощностью 1000 МВт на 3000об/мин) могут служить:
— упрощение выбора площадки и снижение стоимости строительства АЭС из-за отсутствия привязки к источнику водоснабжения и исключения затрат на водозаборные сооружения и водоводы, включая стоимость отчуждаемых земель; — исключение проблем, связанных с обработкой продувочной воды из бассейна испарительной градирни и засолением почвы;
— улучшение водно-химического режима в закрытом контуре «градирня — конденсатор» и исключение загрязнение трубок конденсатора;
— исключение потребности в подпиточной воде, объём которой для энергоблока АЭС-2006 составляет не менее 1,2-1,5 м3/с или 30-38 млн. м3/год;
— сокращение капитальных затрат на турбоустановку: при «сухих» градирнях турбине достаточно трех цилиндров низкого давления, вместо четырех при испарительных градирнях;
— укорочение турбины обеспечит сокращение длины машзала на 1 пролет (12 м); — смешивающий конденсатор значительно дешевле конденсатора с применяемыми в настоящее время нержавеющими трубками;
— техническое обслуживание укороченной турбины проще полноразмерной.
Применение «сухих» градирен на АЭС-2006 при смешивающих конденсаторах приведет к удельному удорожанию системы охлаждения циркуляционной воды в 2 раза, (на ~1,5млрд. руб.) при сокращении капитальных затрат по машинному залу на 0,9-1,0 млрд. руб., т. е. суммарное увеличение капзатрат по энергоблоку составит около 0,5 млрд. руб. Однако применение «сухих» градирен снимает все замечания по воздействию АЭС на окружающую среду, так как система воздушного охлаждения циркуляционной воды наиболее совместима с окружающей средой
Изготовление элементов «сухих» градирен – дельт, представляющих собой теплообменники из нержавеющих труб, оребрённых листовым алюминием или листовой оцинкованной сталью, может быть организовано на отечественных энергомашиностроительных заводах или закуплено за рубежом. По нашему мнению наиболее эффективным решением будет создание совместного предприятия Росатома с фирмой GEA-EGI, аналогично совместному предприятию с фирмой ALSTOM по производству тихоходных турбин.
В этой связи весьма перспективной представляется готовность франко-росийской компании Альстом-Атомэнергомаш принять участие в международном тендере на строительство АЭС в Неманском районе Калининградской области, так как тихоходные турбины фирмы Альстом более приспособлены к применению смешивающих конденсаторов при использовании «сухих» градирен.
В настоящее врем фирма GEA-EGI, которая является основным поставщиком элементов «сухих» градирен, обеспечила пуск таких градирен в безводных районах Ирака, Турции, Италии, Сирии. В 2007 г. пущен в эксплуатацию энергоблок 600 МВт на угольной ГРЭС в провинции Яангшень (Китай), который тоже оборудован «сухой» градирней. Готовится к подписанию контракт на поставку «сухой» градирни для угольного энергоблока 1000 МВт, строительство которого началось в китайской провинции Бауджи.
Одна из причин применения «сухих» градирен на угольных электростанциях –исключение кислотных дождей, т. к. при испарительном охлаждении смешение уходящих газов с испарениями градирен приводит к кислотным дождям, существенно влияющим на продукцию близлежащих сельхозугодий. Учитывая, что в ближайшее время неизбежно значительное увеличение платы за безвозвратное использование природной воды в испарительных системах охлаждения в промышленности, предлагаемое совместное предприятие будет иметь высокую загрузку.
Длительный срок службы АЭС и усугубление экологических проблем уже в ближайшей перспективе обусловят необходимость отказа от применения испарительного охлаждения технической воды на АЭС, как когда-то отказались от прямоточного охлаждения конденсаторов водой из рек и озер. Для перехода на «сухое» охлаждение технической воды на АЭС должна быть разработана отраслевая программа, включающая, в том числе, сооружение опытно-демонстрационной сухой градирни, например, на действующем энергоблоке с ВВЭР-440 НВАЭС, сегодня работающем с испарительными градирнями. Выполнение такой отраслевой программы должно обеспечить к 2020 г. переход на воздушное охлаждение на всех строящихся АЭС.
При сооружении атомных ТЭЦ, которые всегда будут располагаться вблизи промышленно-жилищных агломераций, необходимо рассматривать только воздушное охлаждение технической воды. Кроме этого, при сооружении АТЭЦ малой мощности (от 6 до 30 МВт) в автономных районах энергопотребления могут применяться «сухие» конденсаторы, в которых отработанный пар в турбине конденсируется в воздушных теплообменниках без применения промежуточного теплоносителя. Такие разработки в настоящее время выполнены ОАО «Калужский турбинный завод» для турбин малых ТЭЦ на органическом топливе.
