Введение к работе
Актуальность темы
Согласно разрабатываемому Минэнерго плану развития энергетики к 2035 г. планируется увеличение доли АЭС c 11 до 13% (с учетом вывода из эксплуатации старых энергоблоков). Реализация этих планов приведет к росту объема неманевренной генерации на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ), что увеличит неравномерность суточного графика электрической нагрузки.
В сложившейся ситуации системный оператор единой энергетической системы России (СО ЕЭС) выдвинул следующие требования к новым энергоблокам АЭС: участие в первичном регулировании частоты в энергосистемах ЕЭС России; участие в прохождении ежесуточного ночного провала электрической нагрузки в энергосистеме; участие в покрытии пиков суточного графика электрических нагрузок в энергосистеме. Вследствие чего проектно-конструкторские организации вынуждены искать новые способы повышения маневренных возможностей АЭС.
Исследования этой проблемы в различных странах начали проводиться практически одновременно с вводом первых энергоблоков в промышленную эксплуатацию. Первоначальные способы маневрирования предусматривали изменение мощности реакторной установки (РУ) и паротурбинной установки (ПТУ), что негативно влияло на безопасность и серьезно сказывалось на экономичности эксплуатации станции. В связи с этим возник интерес к системе аккумулирования тепловой энергии (САТЭ) как способу обеспечения маневренности АЭС с сохранением базового режима работы РУ, оптимального с точки зрения ядерной безопасности.
САТЭ с высокотемпературным теплоносителем (ВТТ) в качестве опции была включена в проект АЭС-2006, однако в настоящее время не реализована и не внесена в новые инвестиционные программы эксплуатирующей организации, несмотря на детальные технико-экономические обоснования в составе проекта. Проблема, насколько можно судить, не в технике, в излишне оптимистичных подходах к оценке эффективности САТЭ без учета реальных правил оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ), соблюдение которых делает нецелесообразным вложения в данную технологию.
Это вынуждает еще раз вернуться на этап технико-экономического обоснования для оптимизации параметров и режимов работы САТЭ в составе энергоблока АЭС с учетом реальных рыночных условий.
Степень разработанности проблемы
Исследования САТЭ применительно к АЭС проводились с 50-х годов в различных странах. В первых проектах предполагалось использование
аккумуляторов тепла на горячей воде. В 80-е годы подобная модель САТЭ была включена в нереализованный проект Татарской АЭС (строительство прекращено в 1990 г.).
Существенным прорывом в совершенствовании САТЭ стало использование в качестве аккумулирующей среды ВТТ (ТЛВ-330), позволяющего отказаться от использования дорогостоящих сосудов под давлением.
В настоящее время САТЭ с ВТТ в качестве опции включена в проекты АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ (совместные разработки АО «Концерн Росэнергоатом», ОАО «ВНИИАЭС», ОАО «Атомэнергопроект», ОАО «Атомтехэнерго», ОАО «ГКБ Гидропресс», НИЦ «Курчатовский институт», ОАО «ВНИИАМ», ОАО «НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова», НИУ МЭИ и др.).
Цель и задачи диссертационной работы
Цель работы - расчетное исследование вариантов исполнения, режимов работы и способов модернизации энергокомплекса АЭС+САТЭ в режиме суточного регулирования на примере энергоблока ВВЭР-1200 с системой теплового аккумулирования на площадке НВАЭС с учетом его воздействия на ОРЭМ.
Задачи работы: S создание и верификация комплексной математической модели, позволяющей определить оптимальные степень форсирования оборудования и режимы работы АЭС с САТЭ с учетом:
о технических и ценовых характеристик оборудования АЭС и САТЭ; о затрат на модернизацию основного оборудования АЭС и
дополнительного оборудования САТЭ; о рыночных условий; S выполнение многовариантных расчетов с целью определения оптимальных
технических и режимных параметров энергокомплекса АЭС+САТЭ; S оценка влияние вывода на ОРЭМ АЭС+САТЭ; S выполнение расчетов с целью обоснования вариантов модернизации
энергокомплекса для повышения его удельных характеристик; S сравнение конкурентоспособности САТЭ с перспективными системами аккумулирования.
Научная новизна работы
В данной диссертационной работе:
-
Разработана комплексная математическая модель, учитывающая как технические и режимные параметры объекта, так и его влияние на ОРЭМ.
-
В модели для оценки затрат на оборудование АЭС+САТЭ применена методология Cost Estimating (оценка стоимости), позволяющая моделировать стоимостные характеристики энергокомплекса без трудоемких технических
расчетов, что делает модель удобным инструментом технико-экономического обоснования на предпроектных стадиях и в условиях недостатка исходных данных.
-
Рассмотрен вариант использования в составе энергокомплекса АЭС с САТЭ на основе ВТТ ПТУ с увеличенной номинальной мощностью.
-
Произведена оценка срока окупаемости установки в реальных и прогнозируемых рыночных условиях (учтены различные варианты оплаты пиковой мощности) и сделаны оценки оптимального (по сроку окупаемости дополнительных затрат) относительного прироста мощности ПТУ.
-
Выполнены оценки влияния АЭС+САТЭ на ОРЭМ, показана необходимость учета в оптимизационных моделях экономического воздействия, оказываемого вводом энергокомплекса, на другие АЭС.
-
Проведено сравнение конкурентоспособности САТЭ в составе энергоблока АЭС с новейшими системами аккумулирования на основе жидких аккумуляторов (разработкой MIT).
Методология и методы исследования
Исследование проведено посредством выполнения многовариантных расчетов для различных наборов технических и режимных параметров энергоблока АЭС с САТЭ и ценовых параметров энергорынка и определения по результатам расчета оптимальных параметров по критерию минимума срока окупаемости.
Моделирование затрат при изменении технических и режимных параметров выполнено на основе методики Cost Estimating.
Моделирование влияния САТЭ на ОРЭМ выполнено на основе методики прогнозирования цен, предложенной Ассоциацией «НП Совет рынка».
Обоснование варианта усовершенствования ТАК выполнено посредством оценки изменения стоимости аккумулятора для варианта с инертным наполнителем.
Оптимизация температурных напоров в схеме выполнено по критерию минимума суммарных капитальных затрат в дополнительное оборудование АЭС и САТЭ.
Сравнение конкурентоспособности САТЭ с альтернативными системами выполнялось по удельным затратам на единицу емкости и единицу мощности системы.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обуславливается использованием в составе модели оптимизации в части:
- оценки затрат – апробированной при обосновании проектов IV поколения международной общепризнанной методологии Cost Estimating;
- прогнозирования цены электроэнергии на РСВ и оценки влияния вывода АЭС+САТЭ на ОРЭМ – методики построения прогнозов свободных нерегулируемых цен, разработанной Ассоциацией «НП Совет рынка» [41], используемой всеми участниками ОРЭМ при разработке ценовой стратегии; а также:
классической модели оптимизации;
данных ценовых и технических параметров проекта НВАЭС-2 и САТЭ в его составе как опции.
Верификация результатов модели проведена путем сопоставления с данными ведущих научных организаций, погрешность не превышает 3%.
Практическая значимость работы.
Разработана комплексная математическая модель, которая может быть использована при обосновании вариантов исполнения АЭС с САТЭ на предпроектной стадии.
Определены оптимальная степень форсирования ПТУ в составе АЭС с САТЭ в современных условиях.
Показана необходимость учета при технико-экономическом обосновании вариантов использования САТЭ влияния даже единичного атомного энергоблока с САТЭ на другие АЭС и на ОРЭМ.
Выполнены расчетные оценки и показана возможность повышения
удельных показателей САТЭ как способа аккумулирования до уровня,
обеспечивающего конкурентоспособность с новейшими системами
аккумулирования.
Результаты работы могут быть полезны научным, проектным,
эксплуатирующим, сбытовым и инфраструктурным организациям.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту
-
Реализованные в модели подходы к оптимизации энергокомплекса АЭС+САТЭ с использованием аппроксимационных зависимостей методологии Cost Estimating и прогнозов ценовых параметров по методике прогнозирования цен, предложенной Ассоциации «НП Совет рынка».
-
Результаты оптимизации для различных технических и режимных параметров энергоблока АЭС с САТЭ в современных условиях.
-
Результаты расчетного обоснования способов улучшения удельных характеристик САТЭ.
Апробация результатов работы
Результаты работы представлены на 19-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2013 г., а также на заседании кафедры Атомные электрические станции НИУ МЭИ в 2016 г.
Публикации
По теме диссертации напечатано 3 статьи в Вестнике МЭИ (входит в перечень ВАК): выпуск №3 - 2015 г., выпуск №3 и выпуск №5 - 2016 г.; 2 работы – в сборниках тезисов докладов конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, трех приложений, списка литературы из 112 наименований. Содержит 222 страниц, 21 таблицу, 70 рисунков.