Первичное регулирование частоты тока в энергосистеме атомными электростанциями на основе водородно-теплового аккумулирования

Согласно Техническим требованиям к генерирующему оборудованию участников оптового рынка Единой энергосистемы России с 2016 г. для участия в общем первичном регулировании частоты (ОПРЧ) маневренные характеристики генерирующего оборудования АЭС с реакторами типа ВВЭР, введенными в эксплуатацию до 2009 г., при отклонениях частоты должны обеспечивать гарантированную реализацию требуемой первичной мощности на загрузку до 2 % номинальной электрической мощности. Для этого текущая мощность реакторной установки должна поддерживаться на уровне не более 98% номинальной тепловой мощности. Выполнение этого требования значительно снижает коэффициент используемой мощности (КИУМ) реакторных установок.
Кроме того, в настоящее время в ЕЭС РФ прослеживается тенденция роста дефицита пиковых и полупиковых мощностей. На полупиковый режим переведено большинство тепловых станций, работающих на органическом топливе, что негативно сказывается на их экономичности и надежности. Помимо этого, удорожание природного газа делает более выгодным продажу его за рубеж вместо сжигания на электростанциях. С другой стороны, в ЕЭС прослеживается рост доли атомных станций, что усугубляет проблемы, связанные с прохождением минимумов и максимумов суточной нагрузки в энергосистеме, вследствие экономически и технически обоснованной необходимости загрузки АЭС с максимальным КИУМ.
Авторами разработан подход к решению этой проблемы на основе комбинирования с экологически чистым энергоисточником – автономным водородным комплексом (АВК), включающим в себя тепловые аккумуляторы и дополнительную многофункциональную паротурбинную установку. Разработанный энергокомплекс позволит аккумулировать энергию в часы спада нагрузки в энергосистеме за счет электролиза воды с получением водорода и кислорода, а также накопления горячей воды в баках-аккумуляторах. Аккумулированная энергия может быть использована для генерации сверхноминальной электроэнергии на покрытие полупиковой зоны нагрузки в энергосистеме. Кроме того, наличие маломощной паротурбинной установки позволит обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей собственных нужд АЭС за счет использования энергии остаточного тепловыделения реактора при полном обесточивании станции.
На основе предложенного энергокомплекса разработан способ обеспечения участия АЭС в первичном регулировании частоты тока в энергосистеме с постоянным КИУМ реакторных установок. Для оценки эффективности предложенного решения разработана методика термодинамического анализа энергокомплекса на основе комбинирования АЭС с АВК. Построена зависимость необходимого расхода водородного топлива и коэффициента полезного использования внепиковой электроэнергии от температуры питательней воды подаваемой в водород-кислородный парогенератор из баков горячей воды.
На основании полученных результатов рассмотрена технико-экономическая эффективность разработанного энергокомплекса. Определен накопленный чистый дисконтированный доход в зависимости от тарифа на внепиковую электроэнергию для трех вариантов прогнозной динамики полупикового тарифа на электроэнергию с учетом экономии природного газа, снижения капвложений в системы безопасности АЭС и экономического эффекта от обеспечения участия АЭС в ОПРЧ при работе станции на 100 % нагрузки.

1. Шпильрайн, Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264с.

2. Пономарев-Степной, Н.Н. Атомноводородная энергетика. Системные аспекты и ключевые проблемы. Монография. / Н.Н. Пономарев-Степной, А.Я. Столяревский, В.П. Пахомов. М.: Энергоатомиздат, 2008. 108 с.

3. Малышенко, С.П. Исследования и разработки ОИВТ РАН в области технологий водородной энергетики / С.П. Малышенко // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2011. № 3 (95). С. 10-34.

4. Юрин В.Е., Егоров А.Н. Прогнозная экономическая эффективность комбинирования АЭС с автономным водородным энергокомплексом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2019. №13-15. С.40-51

5. Патент РФ № 2640409. Способ повышения маневренности и безопасности АЭС на основе теплового и химического аккумулирования / Юрин В.Е., Егоров А.Н. // Заявка на патент РФ №2017106398 от 27.02.2017, опубл. 9.01.2018. Бюл. № 1.

6. Malyshenko S.P., Gryaznov A.N., Filatov N.I. High-pressure H2/O2 – steam generators and they possible applications. International Journal of Hydrogen Energy. 2004. Volume 29. pp. 589-596.

7. Development of Hydrogen-combustion Turbine. 1998. https://www.enaa.or.jp/WENET/report/1998/english/8_2.htm

8. Аминов Р.З. Комбинирование АЭС с многофункциональными энергетическими установками / Р.З. Аминов, В.Е. Юрин, А.Н. Егоров. М.: Наука, 2018. 240с.

9. Aminov R.Z., Egorov A.N. Evaluation of the efficiency of combining wet-steam NPPs with a closed hydrogen cycle // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1111. 012022.

10. Патент РФ №2488903. Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара / Р.З. Аминов, А.Н. Байрамов, В.Е. Юрин // Заявка от 03.05.2012, опубл. 27.07.2013. Бюл. №21.

11. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович Б.В., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478с.

12. Глинка Н.Л. Общая химия. – Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А. Рабинович. М.:Интеграл-Пресс, 2007. 728с.

13. Медведева О.Н. Физико-химические основы горения газового топлива. Саратов: СГТУ, 2007. 116 с.

14. Якименко Л. М., Модылевская И. Д., Ткачек З. А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970. 263 с.

15. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Cправ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова. М.: Химия, 1989. 672 с.

16. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М.: Высшая школа, 1986. 268с.

17. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 721с.

18. Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями. – М.: Наука, 2016 -254 с.

19. Столяревский А.Я. Хемотермические циклы и установки аккумулирования энергии // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. №3 (23). 2005. с.45-58.

20. Аминов Р.З., Егоров А.Н., Юрин В.Е., Бессонов В.Н. Многофункциональное резервирование собственных нужд атомных электростанций // Атомная энергия. 2016, т.121, вып. 5. C. 256-261.

21. Юрин В.Е., Егоров А.Н. Обоснование экономической конкурентоспособности автономного водородного энергокомплекса при комбинировании с АЭС. Труды Академэнерго. №2, 2019. С. 53-62.

22. Aminov R.Z., Egorov A.N. Hydrogenoxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle // International Journal of Hydrogen Energy V. 44. I. 21. 2019. pp. 11161-11167

23. Средняя цена реализации газа в России [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gazprom.ru/about/marketing/europe. – (Дата обращения: 05.04.2019).

24. Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года [Электронный ресурс]. – М.: ИНЭИ РАН – АЦ при Правительстве РФ. – 2014. – Режим доступа: https://www.eriras.ru/files/prognoz-2040.pdf. – (Дата обращения: 05.04.2019).

25. Распоряжение Правительства Российской Федерации №705-р от 18 апреля 2016 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://government.ru/docs/22720. – (Дата обращения: 05.04.2019).

26. Aminov R.Z., Egorov A.N., Yurin V.E. Redundancy of NPP’s own needs using hydrogen energy complex // 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). IEEE Publishing, 2019. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934690

27. Aminov R.Z., Egorov A.N. Comparison and analysis of residual heat removal systems of reactors in station blackout accidents // Atomic Energy. 2017. V. 121. № 6. pp. 402-408

28. Официальный сайт о размещении заказов на закупки товаров, работ и услуг для нужд Госкорпорации «Росатом» http://zakupki.rosatom.ru (дата обращения 25.12.2019).

29. Открытое акционерное общество «Администратор торговой системы оптового рынка электроэнергии» https://www.atsenergo.ru (дата обращения 25.12.2019).

30. Прогноз долгосрочного социальноэкономического развития Российской Федерации на период до 2030 года http://economy.gov.ru/minec/activity/sections/macro/prognoz/doc20130325_06 (дата обращения 25.09.2019).