В. М. БОЛДЫРЕВ,
кандидат технических наук,
заслуженный энергетик Российской Федерации
П. Г. КЛЕЙМЕНОВ,
инженер
Для функционирования тепловых электростанций с ядерным и углеводородным топливом необходима в больших количествах технологическая и техническая вода. Получаемый при нагреве технологической воды водяной пар, отработав в паровой турбине электростанции, должен быть сконденсирован для замыкания термодинамического цикла. Выделяющееся при этом тепло конденсации сбрасывается через системы технического водоснабжения в окружающую среду, что вызывает подогрев и испарение природных водных ресурсов, и подогрев атмосферного воздуха. Между тем, число АЭС и тепловых электростанций с углеводородным топливом в мире растет.
«При ограниченности на Земле водных ресурсов, пригодных для внутреннего потребления человеком, если не начать предпринимать соответствующие меры в ближайшее время, рост дефицита питьевой воды может привести к серьезному кризису, — утверждает профессор Бенджамин Совакул из университета Орхус в статье, опубликованной в номере журнала Science Daily от 29 июля 2014 года. — Новые результаты исследований с прогнозами о нехватке воды при росте численности мирового населения и хозяйственной деятельности показывают, что к 2020 году многие районы мира больше не будут иметь источников чистой питьевой воды на своих территориях. Согласно прогнозам, к 2020 году дефицит питьевой воды будет наблюдаться примерно в 30-40% стран, причем изменение климата может еще больше ухудшить ситуацию. Это означает, что мы должны будем решить, как тратить свою воду в будущем. Хотим ли мы, чтобы использовать ее, в частности, на сохранение работы тепловых электростанций или на питье? У нас недостаточно воды для обеих целей».
В России около 80% электроэнергии вырабатывается тепловыми электростанциями. Для отвода сбросного тепла на АЭС используются в основном системы технического водоснабжения. Они подразделяются на прямоточные, смешанные и оборотные. Для конденсации отработавший водяной пар тепловой турбины может направляться в трубчатый теплообменник-конденсатор, где конденсируется на поверхностях трубок, внутри которых течёт охлаждённая техническая вода, либо поступать в смешивающий струйный конденсатор, в котором происходит смешение конденсирующегося водяного пара и охлаждённой очищенной воды, либо охлаждаться в «сухом» конденсаторе, где отработавший водяной пар конденсируется в воздушных теплообменниках без применения промежуточного теплоносителя.
В прямоточной системе водоснабжения используется природный источник. Это может быть река (первая очередь Нововоронежской АЭС – река Дон), озеро (Кольская АЭС – озеро Имандра) или море (Ленинградская АЭС – Финский залив). При проектировании прямоточной системы учитываются санитарные требования и требования рыбоохраны.
Река использовалась, если минимальный расход воды в ней был не меньше потребности в воде АЭС. Речная вода проходит через конденсатор один раз и после этого вновь сбрасывается в реку. Сброс производится ниже по течению, чтобы исключить подмешивание сбросной воды к свежей. Расстояние между забором и сбросом определяется уклоном русла, скоростью течения реки, силой и направлением ветров в районе сброса и забора воды.
В ряде случаев прямоточная схема может потребовать создания искусственного подпора (плотины). При использовании морской воды должны были также предусматриваться мероприятия по защите оборудования от коррозии, в первую очередь конденсатора (электрохимическая защита, крепление трубок и т.д.). Преимуществами прямоточной системы водоснабжения являются низкая температура воды, обеспечивающая глубокий вакуум, и относительно недорогие гидротехнические сооружения.
Однако с 1 января 2007 г. в Российской Федерации действует новая редакция Водного кодекса РФ, согласно п.4 статьи 60 которого проектирование прямоточных систем технического водоснабжения не допускается. Следует заметить, что «в настоящее время в США в законодательном порядке требуют обязательного включения градирен в состав блоков АЭС, работающих на «прямотоке» (см. Отчёт о научно-исследовательской работе «Технико-экономические исследования по сравнению «мокрых» и «сухих» градирен применительно к условиям площадки НВАЭС-2». ОАО «Атомэнергопроект», М. 2010.).
Смешанная (прямоточно-оборотная) система технического водоснабжения выполняется с бесплотинным водозабором или с русловой плотиной и применяется на АЭС в случаях, когда дебет источников в период малой воды недостаточен для прямоточного водоснабжения. При смешанной схеме водоснабжения предусматриваются искусственные охладители или часть оборотной воды в районе водозабора смешивается со свежей речной. Например, прямоточно–оборотная система водоснабжения 4-го энергоблока Белоярской АЭС выполнена с использованием существующей русловой плотины на р. Пышма, так как дебет источников в период малой воды недостаточен для прямоточного водоснабжения блоков № 3 и № 4. К свежей речной воде в районе водозабора добавляется часть оборотной воды.
Оборотная система технического водоснабжения выполнялась с прудами-охладителями, градирнями и брызгальными бассейнами. Пруды-охладители широко применяются в российской атомной энергетике. Так, например, техническое водоснабжение Балаковской АЭС осуществляется по оборотной схеме из наливного водоема-охладителя, образованного отсечением мелководной части Саратовского водохранилища на Волге ограждающей дамбой. Техническое водоснабжение Волгодонской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием водоема-охладителя отсечного типа, образованного отсечением глухой плотиной мелководной части Цимлянского водохранилища.
Техническое водоснабжение Курской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием водоема-охладителя наливного типа, специально созданного в левобережной пойме реки Сейм. Для поддержания постоянного уровня воды служит ограждающая дамба с напорными откосами. Техническое водоснабжение Калининской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием водоема-охладителя озерного типа, образованного на базе природных озер Удомля и Песьво, зарегулированных плотиной на реке Съежа, вытекающей из системы озер. Забор воды осуществляется из озера Удомля, сброс – в озеро Песьво и озеро Удомля. При этом часть подогретой технической вода перед сбросом в озеро Удомля дополнительно охлаждается в двух испарительных градирнях.
Техническое водоснабжение Смоленской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием водоема-охладителя руслового типа, созданного на реке Десна. Для поддержания постоянного уровня воды служит земляная плотина . Равномерное распределение нагретой воды по акватории водоема-охладителя осуществляется двумя отводящими каналами с использованием существующего рельефа местности.
Техническое водоснабжение пятого энергоблока Нововоронежской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием водоема-охладителя наливного типа. Водоем оснащен струенаправляющей дамбой для равномерного распределения нагретой воды по акватории и струераспределительной (водораспределительной) дамбой для повышения охлаждающей способности воды.
Пруды-охладители могут сооружаться не только в поймах рек, но и в стороне от них, могут создаваться на базе небольшой реки с переменными расходами воды — от максимума до нуля. При такой схеме для задержки воды устанавливается плотина, и ложе пруда-охладителя за 2÷3 года заполняется водой. Из пруда-охладителя вода подаётся на конденсатор, откуда вновь сбрасывается в пруд-охладитель на расстояние, обеспечивающее ее охлаждение на 8÷12°С перед следующим возвратом в конденсатор. Пруды-охладители наливного типа могут заполняться из источников водоснабжения, расположенных и на десятки километров от АЭС. Источник водоснабжения должен при этом компенсировать потери воды в пруде-охладителе. Использование пруда-охладителя с точки зрения получения более охлаждённой технической воды на входе в конденсатор турбины предпочтительнее градирен, так как обеспечивает более глубокий вакуум в конденсаторе и отсюда больший термический к.п.д. энергетической установки.
Испарительные градирни. По способу перемещения воздуха они разделяются на башенные, вентиляторные и открытые, а по способу образования поверхности охлаждения технической воды – на плёночные, капельные и брызгальные. В зависимости от направления движения воды и воздуха градирни могут быть противоточные, поперечноточные и смешанного типа. В башенных градирнях движение воздуха создаётся вытяжной башней, в вентиляторных – вентилятором, а в открытых – естественным движением воздуха. Так, например, техническое водоснабжение третьего и четвертого энергоблоков Нововоронежской АЭС осуществляется по оборотной схеме с использованием для охлаждения воды семи башенных градирен.
Для энергетики России сейчас характерно применение плёночных башенных градирен с естественной тягой. Вода циркуляционными насосами прокачивается через конденсатор турбин и подаётся к распределительным трубам, расположенным над оросительным устройством. Интенсивность охлаждения плёночной градирни по сравнению с капельной в 1,5÷2 paза выше. Вытяжные башни современных градирен выполнены из монолитного железобетона гиперболической формы.
«Сухие» градирни. В российской атомной энергетике реализована оборотная система технического водоснабжения с использованием вентиляторных «сухих» градирен на заполярной Билибинской АТЭЦ. В этих системах очищенная технологическая вода проходит и охлаждается внутри поверхностных алюминиевых охладителей, снаружи охлаждаемых воздушным потоком от вентиляторов с электроприводами. Подпитка системы технологического водоснабжения осуществляется из специально созданного водохранилища на ручье Б. Поннеурген.
«Сухие» градирни системы Геллера с поверхностным воздушным охлаждением очищенной воды в сочетании со смешивающим струйным конденсатором сводят к минимуму неблагоприятное воздействие на окружающую среду технических систем отвода сбросного тепла от АЭС. В этих системах очищенная вода проходит и охлаждается в градирне внутри поверхностных алюминиевых охладителей, которые снаружи омываются воздухом. Охлаждающие колонки располагаются по периметру в нижней части башни в окнах для входа охлаждающего воздуха. Если движение воздуха в градирне должно происходить за счёт естественной тяги, то для этого градирня создаётся в виде башни гиперболической формы высотой 100 м и более, выполненной из монолитного железобетона или изготовленной на основе обшитого алюминием каркаса из конструкционной стали. Охлаждённая вода подаётся в смешивающий струйный конденсатор, в котором конденсируется отработавший в турбине пар, а затем часть общего потока на выходе из конденсатора подаётся в контур питательной воды парогенератора, а другая часть возвращается на охлаждение в градирню.
Система комбинирования сухого и орошаемого охлаждения типа HEAD (Heller-EGI Advanced Dry/Deluged – усовершенствованная система сухого/орошаемого охлаждения ГЕЛЛЕР — ЭГИ) работает с сухим охлаждением весь год, за исключением наиболее жарких летних часов, когда вода подаётся и на специально перфорированные плоские пластины трубчато-пластинчатых теплообменников.
В гибридных градирнях выходной воздух влажной секции смешивается с нагретым воздухом оребрённых трубных пучков сухой секции, установленных в стенках выше влажной секции общего башенного вытяжного корпуса. Гибридная градирня, не образующая парового шлейфа — наилучший вариант в том случае, когда действуют ограничения местных норм и правил, при которых присутствие парового шлейфа не допускается в нормальных условиях, в частности, вдоль автомагистралей, вблизи аэропортов, жилых районов.
Например, на блоке АЭС Неккарвестхайм с электрической мощностью 1400 МВт (Германия) фирмой «SPX Cooling Technologies» сооружена гибридная градирня на искусственной тяге. Высота градирни – 51,2 м. Смысл использования гибридной системы на АЭС Неккарвестхайм состоял в том, что вокруг электростанции имеется большое количество сельхозугодий, в том числе большие площади виноградников, требовательных к условиям освещения и влажности. Дополнительное использование сухого охлаждения ведет к исчезновению оптических проявлений работы испарительной градирни, важных для сельского хозяйства. Кроме того, вследствие роста температуры паровоздушного факела на выходе из градирни увеличивается площадь осаждения влаги вокруг градирни, так как конденсация пара происходит не прямо над башней, а на высоте 200 – 300 м над ней.
Французская группа AREYA предложила проект строительства на берегу Чесапикского залива в южном штате Мериленд двух реакторов на АЭС «Калверт Клиффс» со стоимостью энергоблока 4 млрд. долларов. По французскому проекту в системе водоснабжения планируется применить гибридную градирню. Стоимостью гибридной градирни — 125млн. долларов на каждый блок, что составит примерно 3,2% его стоимости. При применении традиционных башенных испарительных градирен их стоимость составит около 1,2% от стоимости энергоблока. Два действующих сейчас блока PWR прокачивают каждый по 273600 м3/час воды из залива. Воду возвращают в залив нагретую примерно на 10 градусов. При этом ежегодно гибнут 69000 рыб.
По правилам, принятым американским агентством защиты окружающей среды в 2001году, на новых АЭС требуется использовать передовые технологии, не допускающие, в частности, гибели водной фауны. Новый энергоблок будет забирать из залива на 98% воды меньше, чем два действующих, построенные в 1970-е годы. Относительно малая высота градирни (50,3 м) соответствует новым современным требованиям: градирню можно будет видеть только с моря, но не из ближайших населённых пунктов.
Системы отвода сбросного тепла с «сухими» градирнями хотя и более дорогие, однако их применение перспективно в связи с обостряющимся дефицитом природной воды и ожидаемым ростом её дороговизны. Кроме того, надо учитывать, например, что закон США «О чистой воде», принятый ещё в 1972 г., требует, чтобы размещение, проектирование, строительство и мощность охлаждения водозаборных сооружений основывалось на передовых технологиях, сводящих к минимуму неблагоприятные воздействия АЭС и других тепловых электростанций, а также ГЭС, на окружающую среду.
Длительный срок службы АЭС и усугубление экологических проблем уже в ближайшей перспективе обусловят необходимость отказа от применения испарительного охлаждения технической воды, как отказались от прямоточного охлаждения конденсаторов водой из рек, озер и морей. И ещё одно обстоятельство: поверхностная природная вода прокладывает свой путь, как правило, по ослабленным швам земной коры — разломам, размещение которых рядом АЭС может дополнительно влиять на сейсмостойкость АЭС. С учётом всего вышесказанного можно утверждать, что, похоже, альтернатив для «сухих» градирен нет!
Как отмечалось, основная часть «сбросного» тепла, как из пруда-охладителя, так из градирни, отводится в результате испарения технической воды и сброса водяного пара в приземный слой атмосферы. «Парящие» градирни стали неотъемлемой частью пейзажа многих населенных пунктов. Общеизвестно, 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 с относительным содержанием порядка 0,03%. Относительное содержание остальных парниковых газов не превосходит 3.10-4%. В наше время парниковый эффект в среднем на 78% обусловлен парами воды и только на 22% углекислым газом.
Таким образом, в приземном слое атмосферы, где собственно и возникает парниковый эффект, на 10 весовых частей водяного пара, создающих 78% парникового эффекта, приходится одна 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 в венттрубу – 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 в венттрубу- 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 H2Oв венттрубу — нулевые, испарение H2O в градирне составляет 3612 г на кВт.час, суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте — 1281 г на кВт.час.
Если сбросное тепло от электростанций отводить только за счёт нагрева атмосферного воздуха, то «парниковый» эффект в CO2-эквиваленте составит (без учёта снижения к.п.д.) для ТЭС на угле -1340 г на кВт.час, для ТЭС на газе — 651,5 г на кВт.час, а для АЭС будет нулевым!
Для многих учёных тезис о «глобальном изменении климата», как результате человеческой деятельности, кажется весьма сомнительным, и не без основания, но…
В настоящее время плата за потребление природной воды составляет незначительную часть в себестоимости электроэнергии, так как не учитывается, в том числе, влияние испарений охлаждаемой воды в «мокрых» градирнях на климат региона. Уже ни одно лето из-за жары Европа из самого благополучного континента превращалась в регион, страдающий от дефицита воды. Беспрецедентное обмеление многочисленных рек приводило к многократному росту цен на электроэнергию на энергетических биржах стран Евросоюза. Однако вода рек и озёр по-прежнему используется в энергетике как расходный материал для сброса тепла в окружающую среду. Например, на реке Луаре, на которой расположены 12 атомных станций, расход воды в 9000 куб. м. в секунду по национальным нормативам может снижаться до минимально допустимого значения – 48 куб. метров в секунду (реально он снижался летом до 60 куб. метров в секунду).
Между тем «сухие» градирни позволяют отказаться от расхода воды рек и озёр для сброса тепла. Их применение исключает выбросы электростанциями в атмосферу паров воды, что во многом решает и проблему «локального» парникового эффекта. Для строительства «сухих» градирен целесообразно создание совместного предприятия Росатома с фирмой GEA-EGI, аналогично совместному предприятию с фирмой ALSTOM по производству тихоходных турбин, которые более приспособлены к применению «сухих» градирен.
Для перехода на АЭС на «сухое» охлаждение отработавшего пара 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 было обеспечить к 2020 г. переход на воздушное охлаждение на всех строящихся АЭС. Об этом сказано еще в 2008 году, но ничего с тех пор не сделано (см. «Сухие градирни на тепловых и атомных электростанциях как средство снижения антропогенных выбросов» — «Промышленные ведомости» № 3-4, апрель 2008 г.).
Как отмечалось, согласно прогнозам, к 2020 году дефицит питьевой воды будет наблюдаться примерно в 30-40% стран мира. Последующие исследования показали, что к 2040 году ситуация ухудшится еще больше. Исследования проводила группа ученых из Университета Орхус в Дании, Вермонтского юридического факультета и Центра военно-морских исследований в США. Ими были опубликованы два отчета, сфокусированные на связи мирового производства электроэнергии и потребления воды. Три года исследований показали, что к 2040 году в мире уже не будет достаточно воды, чтобы утолить жажду населения Земли и сохранить текущие энергетические решения, если мы продолжим делать то же, что и сейчас. Это столкновение конкурирующих потребностей между нуждой в питьевой воде и спросом на энергоносители.
Ученые сформулировали ряд общих рекомендаций для принимающих решения лиц, которым нужно следовать, чтобы остановить такое развитие событий и справиться с кризисом во всем мире, в том числе:- повышать энергоэффективность;- стимулировать исследования, посвященные альтернативным вариантам систем охлаждения;- повсеместно подсчитывать количество воды, используемой электростанциями;
— массово (?) инвестировать средства в строительство ветряных и «солнечных» электростанций;
— отказаться от производств на ископаемом топливе (?) во всех регионах, имеющих проблемы с водой.
Международная команда исследователей проводила свою работу, сосредоточившись на конкретных поставщиках коммунальных услуг и энергии во Франции, США, Китае и Индии. Первым шагом было выявление текущих потребностей в энергии, а затем исследователи экстраполировали полученные результаты до 2040 года. Они оказались неожиданными: невозможно продолжать производить электричество таким же как сейчас образом и удовлетворить спрос на воду к 2040 году.
«Если мы будем продолжать вести дела, как обычно, то столкнемся с непреодолимой нехваткой воды, даже если бы вода была бесплатной, потому что это не вопрос цены. Воды к 2040 году не будет, если мы будем продолжать делать то, что делаем сегодня… Тратить время больше нельзя. Мы должны действовать сейчас!», заключает профессор Бенджамин Совакул в своей, упомянутой выше, статье.
атомная энергетика, АЭС, Росатом. Росэнергоатом, градирни
