9 Января 2018

Доклад на Четвертом Международном Энергетическом Форуме: "Основные проблемы повышения энергоэффективности ТЭС и АЭС"

Публикация из СМИ

Доклад посвящен рассмотрению основных проблем повышения энергоэффективности работы тепловых и атомных электростанций. В докладе сформулированы основные и общие для большинства российских предприятий проблемы ограничений мощности и недостаточного КИУМ и предложены пути преодоления.

По оценкам Международного Энергетического Агентства (МЭА) потребность мировой экономики в электроэнергии к 2050 году может более чем удвоиться по отношению к 2005 году. Вместе с тем ООН прогнозирует, что к 2050 году 40% населения планеты из-за изменения климата, роста численности населения и неэффективного водопользования будет жить в вододефицитных регионах. Очевидно, что единственной стратегией сохранения устойчивого и безопасного развития мировой экономики в XXI веке является ее развитие, направленное на всемерное совершенствование энергетических технологий, производства, транспортировки, распределения и потребления энергии во всех ее формах.

Независимо от качества прогноза необходимы активные продуманные решения по изменению технологического облика энергетической инфраструктуры, уход от стереотипов, как в новом строительстве, так и в модернизации существующих производств.

В последние годы активно обсуждаются проблемы энергообеспечения, необходимости использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Государства Европейского Союза планируют 20-типроцентную долю ВИЭ в балансе производимой электроэнергии к 2020 году, а МЭА прогнозирует долю в 46 % ВИЭ в мировом балансе к 2050 году. Из обилия сценариев развития мировой энергетики очевидным является то, что на ближайшие 40 лет основная доля выработки электрической энергии будет приходиться на тепловые и атомные электростанции.

От надёжности и готовности ТЭС и АЭС работать эффективно с установленной мощностью зависит надёжность энергообеспечения в условиях изменений климата и других непредвиденных обстоятельствах. Малоснежные зимы становятся проблемой для обеспечения мощности ГЭС, снижают уровень запаса воды в водохранилищах и выработку электрической энергии гидроэлектростанциями. Например, в январе-феврале 2008 года электростанции ЕЭС увеличили выработку энергии на 7-8% по сравнению с аналогичным периодом 2007 года. Из-за неблагоприятного гидрологического режима на ряде крупнейших ГЭС в Сибири прирост электропотребления обеспечивался выработкой тепловых электростанций. В результате выработка ТЭЦ за два месяца выросла на 12,5%. Трагические события, произошедшие на Саяно-Шушенской ГЭС, не только дают повод для оценки состояний гидроэлектростанций, но и обязывают обратить пристальное внимание на техническую готовность и возможности тепловых электростанций мобильно увеличивать рабочую мощность до установленной.

По статистике уже сегодня неудовлетворенный спрос на присоединение потребителей составляет минимум 10 ГВт. В ряде региональных энергосистем к 2010 году может возникнуть энергодефицит более 16 ГВт. Не подключаются в основном промышленные предприятия. Ежегодное недопотребление составит 50 млрд кВт·ч. На один рубль электропотребления приходится около 30 рублей ВВП, т.е. ежегодные прямые потери ВВП в среднем - 1,5 триллиона рублей или 5% ВВП. Кроме этого ВВП не растет и в силу отсутствия инвестиционного спроса на услуги проектных, строительных, машиностроительных предприятий.

В планах развития энергетики РФ определены существенные объемы ввода мощностей. К 2030 году должен быть создан 17% резерв. Но ввод мощности по маркировке на турбине, не означает, что в эксплуатации эти мощности будут реализованы. Установленная мощность отличается от выработки на величину ограничений мощности.

Одним из ключевых показателей эксплуатации генерирующих мощностей является эффективность использования установленной мощности электростанций, которая характеризуется коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ).

Представленные данные показывают, что среднее значение КИУМ электростанций России во все годы эксплуатации не превышает 50%.

Значение КИУМ зависит от многих факторов, основными из которых являются: тип установленного оборудования; количество и структура потребителя; величина тепловой нагрузки (для ТЭЦ); уровень воды в водохранилищах (для ГЭС); конкурентность цен на электрическую и тепловую энергию; качество эксплуатации, ремонтов, реконструкций и ограничения мощности по техническому состоянию и функциональному соответствию оборудования.

Одной из главных задач экономики в энергетике является постоянное и непрерывное повышение энергоэффективности, в первую очередь – на действующих и строящихся ТЭС и АЭС. Концерн Duke Energy (США) вообще назвал энергоэффективность "пятым видом топлива" - наряду с углем, природным газом, атомной энергией и возобновляемыми источниками. Повышение энергоэффективности неразрывно связано с внедрением технологий, снижающих воздействие на экологическую среду через системы топливоприготовления, газоудаления и системы технического водоснабжения (СТВ) с градирнями.

СТВ – это основное технологическое устройство низкопотенциальной части ТЭС и АЭС, а также промышленных предприятий независимо от профиля производства. СТВ выполняют функцию определённого регулятора эмиссии вредных и парниковых газов, состояния природных источников воды, изменений микроклимата, эффективности и экономичности ТЭС и АЭС, промышленных предприятий. Через природные гидроохладители и градирни в окружающую среду отдается до 60% тепловой энергии, полученной в результате сжигания топлива для выработки электроэнергии.

Градирни – наиболее распространенные компактные искусственные гидроохладители, позволяющие размещать электрические станции на значительном расстоянии от источников воды, на территории городов, вблизи от энергопотребителей. От совершенства СТВ и градирен, при прочих равных зависят величины удельных расходов топлива и выбросов вредных газов СО2, NOx, SO2 в окружающую среду, соответственно чем ниже температура охлаждающей воды, тем меньше расход топлива и выбросы в атмосферу.

Суммарная установленная мощность ТЭС РФ составляет 149,60 тыс. МВт, атомных – 23,70 тыс. МВт., объем потребляемой воды превышает 240,00 млрд. м3 в год. Это полугодовой сток Енисея или годовой сток Волги. Ежегодные потери воды с испарением и уносом достигают 12,50 млрд. м3. Стоимость воды постоянно растет, в среднем на 18% в год. Уже сегодня стоимость воды существенно превосходит затраты на ее подготовку и перекачивание.

Очевидно, что в условиях глобальных изменений климата инновации необходимы по всей технологической схеме производства, включая СТВ и градирни, однако важно уберечься от тенденциозных решений, не всегда экономически оправданных.

Примером могут послужить «сухие» градирни. Массовое применение этой внешне привлекательной технологии имеет свои скрытые угрозы, достаточно сказать, что для испарительных градирен теоретическим пределом охлаждения является температура мокрого термометра, для сухих градирен – сухого. Разница в значениях теоретических пределов превышает 70С с соответствующими негативными последствиями недобора мощности, увеличенных выбросов газов. Основным аргументом по их массовому применению является отсутствие видимого факела пара, который, безусловно, не украшает пейзаж, но является результатом самого эффективного способа охлаждения технической воды в атмосферных условиях.

Российская экономика и энергетика, сложившиеся в основном в советский период, тем не менее обладают большим потенциалом. Эффект от его реализации может исчисляться десятками и сотнями миллиардов долларов. Достижение такого результата возможно решением основополагающих проблем:

1. Снятие ограничения мощности. Решение энергетических и экологических проблем замещением традиционной энергетики на ВИЭ – это одно направление развития энергетического потенциала. Второе – это повышение энергоэффективности традиционных способов производства электростанций путем инновационной модернизации.

Кризис предоставляет возможность обратить внимание на имеющиеся скрытые ресурсы и задействовать их. В первую очередь снять ограничения мощности, имеющие постоянный характер.

На диаграмме структура летних ограничений мощности ТЭС РФ 2003-2008 годах, величина которых во времени не изменилась и в летний период составляют 18 ÷ 20%, а в зимний 9% от установленной.

Максимум ограничений мощности происходит из-за недостаточного промышленного теплопотребления, количества охлаждающей воды и высоких значений ее температуры.

На 45 электростанциях ЕЭС установлено 86 практически незадействованных крупных турбин на противодавлении (68 Р-50-130 и 18 Р-100-130) общей мощностью 5300 МВт. Этому способствовала тенденция предприятий создания собственных (автономных) энергоисточников и стремление потребителей к снижению доли затрат на энергоносители в себестоимости продукции.

В условиях спада промышленного производства и недостатка мощности по присоединению потребителей актуальной выглядит задача повышения эффективности эксплуатации за счет модернизации установленных на электростанциях турбин типа Р-50 и Р-100. Подключение к ним турбин на мятом паре позволит включить в работу порядка 8700 МВт. Удельная стоимость одного киловатта составит 157$/КВт.

Подобная модернизация турбин с противодавлением типа «Р» позволит максимально снять напряжение с подключением мощностей при существенном сокращении времени ввода и минимуме затрат, не сопоставимых со строительством и вводом новых мощностей.

Модернизация СТВ позволяет обеспечить быстрый ввод до 10 ГВт мощностей по цене 100$/КВт.

2. Повышение КИУМ электростанций. Необходима качественная структуризация причин, ограничивающих КИУМ, которая позволит оценить правильность выбранных направлений модернизации всей энергетической инфраструктуры. В расчетах докризисного периода ставилась задача повышения ВВП на 6%. Для этого необходим ввод мощностей 4% в год. В этих цифрах подразумевается установленная мощность. Вместе с тем при сохранении порога КИУМ в 50% и необходимости замены морально и физически устаревшего оборудования очевидна неэффективность и недостаточность перспективных вводов мощностей.

3. Снижение удельного расхода топлива за счёт внедрения технологий, снижающих зависимость работы электростанций от изменения параметров атмосферы и приближающих температуру охлаждённой воды к теоретическому пределу охлаждения. Конечным звеном в обеспечении термодинамических процессов работы ТЭС и АЭС являются атмосферные параметры - прежде всего температура и влажность воздуха. Ключевой вопрос – регулирование этих параметров в пределах, обеспечивающих максимальную эффективность. Снижение удельного расхода топлива может достигать 38 г.у.т./квт.ч., или экономию топлива не менее 25 млн. т.у.т. в год.

4. Исключение использования природных источников воды в качестве технических охладителей, внедрение высокоэффективных технологий газоочистки, водообработки и парогазоудаления.

5. Внедрение технологий использования низкопотенциального тепла технической воды и дымовых газов. Суммарное количество неиспользуемого тепла достигает 70% от всего тепла, полученного при сжигании топлива, поэтому важно задействовать рациональные механизмы по его использованию. Особенно это актуально для России, где отрицательные температуры воздуха стоят более полугода.

Решение пяти вышеперечисленных проблем позволит существенно сократить выбросы парниковых и вредных газов в окружающую среду.

Вместе с тем, существует значительная неопределенность относительно динамики возможных изменений климата и порождающих их причин. В частности, неоднозначны оценки чувствительности климата к росту концентрации парниковых газов из-за сложности взаимодействия атмосферы с океаном, недостаточной ясности роли облачности, ледовых образований, реакции биомассы и т.д.

По статистике в своей жизнедеятельности человечество выбрасывает 7 Гигатонн СО2, а мировой океан – до 80 Гигатонн/год СО2. Много это или мало? Какое влияние оказывают выбросы СО2 человеком, простое сопоставление цифр вряд ли даст ответ. Очевидно, что необходимо рассматривать динамику процессов, сосредоточенность в пространстве и времени во взаимодействии со многими другими факторами. И уже сейчас независимо от решения этой проблемы, жизненно важен поиск и внедрение энергоэффективных управляемых технологий, снижающих техногенное воздействие на окружающую среду.

6. Внедрение технологий обеспечения собственных нужд ТЭС и АЭС от ВИЭ, включая энергию движения удаляемых газов и воздуха, что позволит увеличить полезный отпуск электрической энергии до 5%.

7. Создание эффективных и последовательно реализуемых стратегических планов, обеспечение контроля их реализации, внедрение инноваций, требующее решения кадровой, финансовой и инфраструктурных проблем. Финансовая обеспеченность является важной, но недостаточной составляющей для запуска инновационного процесса.

Денежные вливания должны быть подкреплены эффективной системой управления, современной инновационной инфраструктурой, законодательной базой, системой защиты интеллектуальной собственности.

В настоящий момент внедрение инноваций в большей части носит не системный, эпизодический характер. Существенная часть перспективных технологий остается невостребованной. Одним из тормозов является срок окупаемости. Считается, что оптимальный срок окупаемости от 2 до 5 лет, но лучше 2 года. В энергетике это редко достижимо.

8. Создание системы высокотехнологичного мониторинга надёжности оборудования и сооружений, определение их остаточного ресурса, введение системы планово-предупредительных обследований и ремонтов. Для определения реального состояния всей энергетической инфраструктуры необходим всесторонний комплексный энергоаудит, основанный на инженерных обследованиях.

9. Нормотворчество. В последние годы сформировалась несогласованность нормативных документов, регламентирующих проектно-изыскательные работы и эксплуатацию. Переработка имеющихся документов в стандарты организаций и технические регламенты во многом выхолостили содержание нормативов и требований.

В соответствии с Федеральной программой развития энергетики на ближайшие годы был запланирован ввод 40,9 ГВт мощности. Объем инвестиций оценивается в 3,1 триллиона рублей. Без решения вышеприведенных проблем, омертвленными окажутся, по меньшей мере, 300 млрд. рублей.

Проблем развития энергетики много, как их преодолеть – вопрос, на который необходимо найти ответ всему научному и инженерному сообществу. И здесь необходима интеграция всех специализированных коллективов – больших и маленьких, известных и неизвестных.

Будущее за экологически безопасной и надежной энергетикой!

Калатузов В.А., к.т.н.