Европейский опыт организации теплоснабжения от АЭС

К.т.н. В.С. Пузаков Автор благодарит за помощь в подготовке статьи Герхарда Воежели (компания Refuna AG, Швейцария), И. А. Лайтермана (концерн «Городские тепловые сети», г. Запорожье, Украина), В. А. Степаненко (ЭСКО «Экологические системы», г. Запорожье, Украина) и В. И. Шлапакова (г. Санкт-Петербург)., выпускающий редактор

журнала «Новости теплоснабжения»

г. Москва

Швейцария

Коротко о стране. Территория Швейцарии составляет около 41,3 тыс. км², 60% которой занимают горные Альпы. Население Швейцарии — 7,2 млн чел., плотность населения составляет 176 чел./км². Швейцария — федерация из 26 автономных кантонов (регионов), состоящих в свою очередь, из округов, каждый из которых включает в себя коммуны (муниципалитеты). Число проживающих в коммунах колеблется от 17 чел. до 100 тыс. чел.

Атомная энергетика. После энергетического кризиса 1970;х гг. энергетическая политика Швейцарии направлена на снижение доли энергии, получаемой при сжигании органических видов топлива, за счет ее замещения различными альтернативными видами энергии, источниками которой являются: вода, солнце, ветер, биомасса и атомная энергия. При этом в стране большое внимание уделяется повышению энергоэффективности действующего оборудования.

В Швейцарии атомная энергетика достаточно развита. Сегодня в стране эксплуатируется пять атомных блоков на четырех АЭС (три из которых расположены на севере, а одна на западе страны) суммарной электрической мощностью 3077 МВт, годовая выработка электроэнергии атомными станциями составляет около 40% общего объема генерации электрической энергии в Швейцарии. Самый первый атомный энергоблок «Безнау-1» (Beznau-1) был введен в эксплуатацию в 1969 г., а самый «молодой» блок «Лайбштадт» (Leibstadt) — в 1984 г С точки зрения передачи тепловой энергии от действующих АЭС внешним потребителям, интересны две станции: «Гёсген» и «Безнау». АЭС «Гёсген» установленной электрической мощностью 970 МВт с 1980 г. снабжает близлежащий целлюлозно-бумажный комбинат паром температурой 220 ^ОС.

Несмотря на то, что АЭС «Безнау» является самой старой станцией в Швейцарии, она стала вторым атомным источником в стране, от которого производится утилизация сбросного тепла, но в то же время является единственной атомной станцией, снабжающей тепловой энергией как промышленных потребителей, так и население. АЭС «Безнау», расположенная в 35 км к северо-западу от Цюриха, сегодня осуществляет теплоснабжение 11 коммун и нескольких промышленных потребителей.

Система ЦТ на базе АЭС «Безнау». Атомная станция «Безнау» расположена в южной части одноименного небольшого острова на р. Аарэ (Aare). Первый энергоблок «Безнау-1» на АЭС был запущен в работу в 1969 г., менее чем через два года (в 1971 г.) был введен в эксплуатацию второй блок «Безнау-2». В апреле 1981 г. восемь коммун, ряд промышленных и коммерческих потребителей и несколько национальных исследовательских институтов, которые все расположены в кантоне Ааргау (Argovia) в различной степени удаленности от атомной станции «Безнау», приступили к изучению проекта по созданию системы ЦТ на базе АЭС «Безнау».

Реализация такого проекта позволяла решать национальные задачи по снижению объема импортируемого органического топлива (нефти) и улучшению экологической обстановки в стране. В 1983 г. на основе публичного голосования эти восемь муниципалитетов стали акционерами новой теплоснабжающей организации Refuna AG и приступили к строительству одноименной системы ЦТ на базе АЭС «Безнау».

Объем инвестиций на создание системы ЦТ (магистральные и распределительные сети) составил в 1983 г. 100 млн франков (1 франк в 1983 г. равнялся 35 коп.; в 2011 г. — 30,4 руб.), из них 40 млн франков пошло на строительство магистральных теплосетей и 60 млн франков — на строительство распределительных сетей (включая затраты на подключение домов и монтаж узлов учета тепловой энергии).

Каждая из восьми коммун в границах своей территории вела строительство распределительных тепловых сетей (от магистральных теплопроводов до потребителей) и в дальнейшем начала их эксплуатацию.

В 1985 г. было принято решение о расширении зоны действия системы ЦТ за счет строительства распределительных тепловых сетей в трех новых муниципалитетах. Таким образом, с 1985 г. компания Refuna стала осуществлять теплоснабжение 11 населенных пунктов (рис. 1).

Рис. 1. Система ЦТ Refuna (без указания распределительных тепловых сетей)

В ходе планово-предупредительного ремонта (ППР) на АЭС «Безнау» летом 1983 г. на одной из двух конденсационных турбин (2×190 МВт) второго блока были проведены соответствующие работы по обеспечению возможности нерегулируемого отбора пара из нее (между ступенями высокого и низкого давления).

В машинном зале был установлен кожухотрубный теплообменный аппарат для нагрева сетевой воды в системе ЦТ паром из отбора. Монтаж еще одного теплообменника на первом энергоблоке, который абсолютно идентичен второму блоку и имеет две конденсационные турбины такой же мощностью, был произведен в 1984 г. Выполненная модернизация позволила производить отбор пара (температурой 122/128 ^ОС и давлением 2,2/2,8 бар соответственно) от одной из двух турбин каждого энергоблока АЭС «Безнау». Данная схема позволяет обеспечивать бесперебойное теплоснабжение потребителей даже при проведении планового обследования одного из двух энергоблоков (эти обследования с 1994 г проводятся 1 раз в 1,5 года).

В случае возникновения неполадок на обоих энергоблоках одновременно, нагрузка «перебрасывается» на существующие пиковорезервные котельные (см. рис. 1) на жидком органическом топливе, общей установленной мощностью 66 МВт (56,8 Гкал/ч), покрывающие до 80% тепловой нагрузки в пиковом режиме (по состоянию на 1998 г., такая ситуация случалась лишь однажды и длилась всего несколько часов).

В ноябре 1990 г. на блоке «Безнау-1» был смонтирован еще один теплообменник, более эффективный, в котором нагрев паром сетевой воды производился по двухступенчатой схеме, что позволяет снижать недовыработку электроэнергии на тепловом потреблении: на первой ступени идет нагрев сетевой воды паром из турбины низкого давления до температуры 85 ^ОС, а во второй ступени она подогревается до температуры 125 ^ОС паром из турбины высокого давления. Кроме этого, ввод теплообменника обеспечил возможность покрытия возрастающей общей тепловой нагрузки.

Нагретая в теплообменнике сетевая вода поступает в центральную насосную станцию (ЦНС). Отпуск тепла от атомной станции осуществляется по методу количественного регулирования. Температура в подающем трубопроводе зимой составляет около 125 ^ОС, а летом — 80 ^ОС. Температура в обратном трубопроводе — около 50 ^ОС. В общей сложности в системе ЦТ работает 9 подкачивающих насосных станций для обеспечения необходимого перепада давлений у самых удаленных потребителей, расположенных на расстоянии до 12 км от АЭС «Безнау».

Несмотря на высокую надежность атомной станции, дополнительно обеспечивается защита теплоносителя в системе теплоснабжения от радиоактивных продуктов. Давление сетевого теплоносителя постоянно поддерживается выше давления греющей среды (пара), т. е. сетевая вода в системе ЦТ имеет давление 16 бар, в то время как пар, отбираемый из турбин, имеет давление не более 2,8 бар.

Всего три специалиста компании Refuna постоянно обслуживают все магистральные тепловые сети, а также распределительные сети в трех самых малых коммунах. Восемь других муниципалитетов самостоятельно эксплуатируют распределительные тепловые сети, находящиеся у них в собственности. В случае возникновения каких-либо проблем в системе теплоснабжения, привлекаются соответствующие сторонние специалисты, включая сотрудников компании Refuna, для оказания инжиниринговой поддержки и помощи.

Тепловые сети. Сегодня общая протяженность магистральных и распределительных тепловых сетей около 137 км в двухтрубном исчислении условным диаметром 20+350 мм. Магистральные теплопроводы составляют около 25% общей протяженности (более 35 км). Все трубопроводы тепловых сетей предизолированные пенополиуретаном (ППУ) с системой оперативного дистанционного контроля проложены бесканально (подземная прокладка), кроме участков тепловых сетей, которые имеют воздушную прокладку вдоль мостов при пересечении рек. Применяется два вида труб: стальные трубы в ППУ изоляции и гибкие трубы из нержавеющей стали в ППУ изоляции (типа «Касафлекс») одной из швейцарско-немецких фирм.

Тепловые потери в магистральных тепловых сетях составляют около 6%, в распределительных сетях — от 6 до 12%. Общие потери тепловой энергии при транспорте теплоносителя составляют около 15%. Стоит отметить, что частные дома, в которых проживает одна или две семьи, составляют основную часть всех потребителейоколо 75%, что обуславливает такую величину тепловых потерь вследствие низкой плотности тепловой нагрузки по отдельным территориям.

Водяной объем всех тепловых сетей составляет порядка 2500 м³. Нормативные утечки теплоносителя составляют от 1 до 1,5 м³ в день (т.е. от 0,04 до 0,06%). В случае превышения величины утечки теплоносителя до 20−25 м³ в день, сразу же принимаются необходимые меры по нахождению мест утечек, благодаря использованию различных методов (в частности, применяется тепловизионная диагностика).

Потребители тепловой энергии. Сегодня количество потребителей, по данным компании Refuna, составляет около 2600 (примерно 15 тыс. чел.). Подключенная тепловая нагрузка от АЭС «Безнау» составляет около 80 МВт (68,8 Гкал/ч).

Подключение потребителей тепловой энергии, идущей на нужды отопления и ГВС, производится по независимой схеме через индивидуальные тепловые пункты (ИТП). Только один промышленный потребитель был подключен по зависимой схеме (т.е. напрямую), водяная система отопления которого также, как и система ЦТ, работает под давлением 16 атм.

При подключении нового потребителя с него взимается соответствующая плата, а также плата за реконструкцию существующей системы отопления в доме, если это не новое здание и оно ранее было подключено от другого источника и по другой схеме.

Тариф на тепловую энергию является двухставочным, формируемый из переменной (за количество потребленной тепловой энергии) и постоянной (за подключенную нагрузку) ставок.

Другие жители коммун, не подключенные к системе ЦТ от АЭС «Безнау», получают тепловую энергию, как правило, от котельных на органическом виде топлива или за счет установленных тепловых насосов. Стоит отметить, что в Швейцарии все малые и средние ГЭС в количестве 1300 шт. ежегодно вырабатывают около 56% всей электроэнергии, что способствует широкому использованию тепловых насосов.

Теперь несколько слов о тарифах на тепловую энергию от различных источников энергии. Для потребителей, «запитанных» от системы ЦТ, он не менялся уже долгие годы и сегодня составляет в среднем 0,08 франков за.

1кВт.ч (2830 руб./Гкал). Стоимость же тепловой энергии, получаемой потребителями от котельных на органическом виде топлива, в период с 1997 г. по 2011 г. возросла в среднем с 0,05 до 0,09 франков за 1 кВт. ч (с 1770 до 3160 руб./Гкал). Стоимость тепловой энергии, полученной в тепловом насосе, в среднем сегодня составляет 0,05 франков за 1кВт. ч (1770 руб./Гкал). Все тарифы указаны без учета инвестиционной составляющей и различных издержек со стороны компанийпоставщиков энергии.

Эффективность системы ЦТ. Утилизация части сбросного тепла АЭС «Безнау» (около 100 тыс. МВт. ч/год или 86 тыс. Гкал/год), которое традиционно сбрасывалось в р. Аарэ, позволяет ежегодно экономить до 20 тыс. т жидкого топлива, что в пересчете на годовой объем выбросов вредных газов составляет: 50 тыс. т CO₂, 100 т SO₂ и 50 т NO_x.

Перспективы развития атомной энергетики. В течение 2010 г. велась работа по определению дальнейшей судьбы ряда АЭС в Швейцарии. Так, проведенный в начале 2010 г. по заказу Swissnuclear (ядерное подразделение организации сетевых компаний Swisselectric) телефонный опрос общественного мнения показал, что 54,6% респондентов выступили за строительство новых АЭС взамен старых. Опрос продемонстрировал также, что, как и в прошлые годы, абсолютное большинство (82,4%) считает швейцарские объекты использования атомной энергии безопасными.

Если говорить об АЭС «Безнау», то в ее отношении первоначально рассматривался вариант продления рабочего ресурса атомной станции еще на 20 лет, что потребовало бы от руководства станции вложений в объеме 850 млн долл. США (примерно такая же сумма была потрачена на модернизацию этой АЭС за ее 40-летний срок эксплуатации).

В ноябре 2010 г. Федеральная инспекция по ядерной безопасности Швейцарии ENSI дала Министерству энергетики страны положительное заключение на строительство трех новых АЭС на месте старых в Нидерамте (вместо Гёзгена), Безнау и Мюлеберге. В заявках речь идет о строительстве современных реакторов мощностью от 1100 до 1600 МВт с использованием гибридных охлаждающих систем, способствующих снижению водопотребления. Они придут на смену двум реакторам мощностью 365 МВт в Безнау, одному реактору мощностью 985 МВт в Гёзгене, а также реактору мощностью 372 МВт в Мюлеберге, которые предполагается вывести из эксплуатации в 2019;2029 гг. (АЭС в Лайбштадте мощностью 1165 МВт планируется к выводу из эксплуатации в 2034 г.).

Ввод новых атомных энергомощностей является частью энергетической политики Швейцарии, принятой правительством в 2007 г. с целью избежать предполагаемого дефицита энергии к 2020 г. с закрытием старых реакторов и окончанием срока действия соглашения с Францией об импорте электроэнергии.