Сухие градирни против парникового эффекта

Антропогенное сжигание кислорода воздуха приводит не только к выбросам в атмосферу «парникового» углекислого газа, но «парникового» водяного пара как за счет окисления углеводородного топлива, так и за счет наиболее распространенных сейчас систем испарительного охлаждения технической воды для сброса отработанного тепла энергетических установок на органическом топливе. В этом смысле считающиеся вполне экологичными с точки зрения выбросов парниковых газов АЭС также не лишены этого недостатка.

В наше время парниковый эффект в среднем на 78% обусловлен парами воды и только на 22% углекислым газом. То есть в приземном слое атмосферы, где собственно и реализуется «парниковый эффект», на 10 весовых частей водяного пара, создающих 78% «парникового эффекта», приходится 1 весовая часть углекислого газа, создающая, однако, 22% «парникового эффекта». Тем не менее одна весовая часть углекислого газа в 2,82 раза более эффективна в создании «парникового эффекта», чем одна весовая часть пара воды. Из изложенного выше легко определить суммарный вклад выбросов водяного пара и углекислого газа в «парниковый эффект» для различных энергетических установок (см. таблицу).

Если вместо использования воды для отвода «сбросного тепла» на электростанциях будет использоваться воздушное охлаждение («сухие» градирни), то (без учета изменения КПД): для ТЭС на угле суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте составит 1340 (100%) г на кВт-час, а для ТЭС на газе суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте составит 505 (77,5%)+146,5 (22,5%) = 651,5 (100%) г на кВт-час, для АЭС суммарный «парниковый эффект» в CO2-эквиваленте составит 0 (100%) г на кВт-час.

Водяной пар как фактор «парникового эффекта»

Тем самым игнорирование вклада водяного пара в производстве электроэнергии на ТЭС и АЭС означает игнорирование от 22,5% до 100% антропогенного воздействия вклада при таком производстве в «парниковый эффект». Поэтому можно утверждать, что методика проведения мониторинга антропогенных выбросов в атмосферу газов, оказывающих непосредственное парниковое воздействие на атмосферу Земли, основанная на учете потребления топливно-энергетических ресурсов на предприятиях и в организациях всех форм собственности, но не учитывающая антропогенные выбросы водяного пара, не представляется достаточно эффективной с позиций регионального и глобального изменения климата.

В настоящее время плата за потребление природной воды составляет ничтожную часть в себестоимости электроэнергии, так как не учитывается влияние испарительного охлаждения 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. Сейчас достаточно хорошо изучены башенные «сухие» градирни, в которых техническая вода охлаждается воздухом за счет естественной тяги (башенные «сухие» градирни были установлены в 1970 году на Разданской ГРЭС в Армении), и вентиляторные «сухие» градирни, в которых воздух для охлаждения воды в радиаторных теплообменниках (дельтах) принудительно прокачивается вентиляторами (такие установлены в 1973–1976 годах на Билибинской АТЭЦ (Чукотка). Начало применению сухих градирен в современной России положено на ПГУ–ТЭЦ в Сочи и на ПГУ–ТЭЦ, которая обеспечивает энергоснабжение Москва-Сити.

Как показано выше, основными потребителями охлажденной технической воды на тепловых и атомных электростанциях являются конденсаторы паровых турбин. При «сухих» градирнях конденсация отработанного пара в конденсаторах может быть обеспечена, как на трубчатой поверхности без контакта с технической водой, охлажденной в «сухой» градирне, так и за счет смешения в брызгалах конденсатора с химобессоленной водой, циркулирующей через теплообменники «сухих» градирен. При стопроцентной 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 1 градуса, а при конденсации отработанного пара на теплообменной поверхности необходим температурный напор в 3–5 градусов, что предопределяет большее 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 (э).

Проблемы компенсации

Компенсацией роста удельных затрат при снижении мощности турбины (рассматривается турбина ЛМЗ мощностью 1000 МВт на 3000 об/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 вводно-химического режима в закрытом контуре «градирня–конденсатор» и исключение загрязнение трубок конденсатора; исключение потребности в подпиточной воде, объем которой для энергоблока АЭС-2006 составляет не менее 1,2–1,5 куб. м/с, или 30–38 млн. куб. м/год; сокращение капитальных затрат на турбоустановку: при сухих градирнях турбине достаточно три цилиндра 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 (ЦВД+3ЦНД) проще полноразмерной (ЦВД+4ЦНД).

Применение сухих градирен на АЭС-2006 при смешивающих конденсаторах приведет к удельному удорожанию системы охлаждения циркуляционной воды в 2 раза (на ~1,5 млрд. руб.) при сокращении капитальных затрат по машинному залу на 0,9–1,0 млрд. руб., то есть увеличение капитальных затрат по энергоблоку составит ~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, оребренных листовым алюминием или листовой оцинкованной сталью, – может быть организовано на энергомашиностроительных заводах (ЗиО, Атоммаш и других) или закуплено за рубежом.

Внедрение сухих градирен на АЭС обязательно привлечет внимание разработчиков проектов ГРЭС и ТЭЦ, экологические проблемы которых, как показано выше, значительно более остры в настоящее время.

Учитывая, что в ближайшее время неизбежно значительное увеличение платы за безвозвратное использование природной воды в испарительных системах охлаждения в промышленности, совместное предприятие будет иметь высокую загрузку по производству элементов сухого охлаждения.

Кроме этого, длительный срок службы АЭС и усугубление экологических проблем уже в ближайшей перспективе обусловят необходимость решительного 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, состоящая из следующих мероприятий, включающих в себя: проработку структуры тепловой схемы и конструкции турбоустановки при различных условиях использования воздушного охлаждения технической воды, создание совместного предприятия в Росатоме с фирмой GEA-EGI, аналогичного предприятию с фирмой ALSTOM по производству тихоходных турбин, сооружение опытно-демонстрационной «сухой» градирни, например, на действующем энергоблоке с ВВЭР-440 НВАЭС, работающем с испарительными градирнями, разработку конструкторской и проектной документации по использованию «сухих» градирен на ЛАЭС-2 и сооружение головной сухой градирни для одного из энергоблоков ЛАЭС-2.

Выполнение этой отраслевой программы должно обеспечить к 2020 году переход на воздушное охлаждение на всех строящихся АЭС. При сооружении АТЭЦ, которые всегда будут располагаться вблизи промышленно-жилищных агломераций, необходимо рассматривать только воздушное охлаждение технической воды.

Кроме этого, при сооружении АТЭЦ малой мощности (6, 12, 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.