Якубенко Технологические процессы производства тепловой 2013

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Типы тепловых и атомных станций

Основное назначение тепловой и электрической энергетики в мире и в каждой отдельно взятой стране заключается в удовлетворении потребностей населения и всех направлений его деятельности в тепле и электроэнергии.

Индустриальное развитие промышленных источников тепловой

иэлектрической энергии за последние 150 лет изобилует широким спектром инженерных решений по способам и направлениям генерации энергии, а также типоразмерам основного оборудования.

Этом многообразие способствовало росту энерговооруженности в ХХ веке в мире и в России, который составлял 7–10 % ежегодно и лишь в 1990-е годы сдерживался макроэкономическими проблемами на уровне 3–4 %. Перспективы развития энергетики России до середины ХХI века [1] обещают дальнейший подъем энерговооруженности народного хозяйства до 6–7 % в год за счет ввода новых мощных энергоблоков на ТЭС и АЭС, газо-турбинных

ипарогазовых установок и модернизации существующего парка котлов, турбин, реакторов и трансформаторов.

Рассмотрим основные типы промышленных энергетических предприятий, обеспечивающих надежную и экономически выгодную поставку всем потребителям тепловой и электрической энергии. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается на электростанциях трех типов:

–ТЭС, сжигающих органическое топливо (мазут, газ, уголь, торф, сланцы, отходы производства) [2];

–ГЭС, использующих запасенную потенциальную энергию воды;

–АЭС, использующих ядерное топливо [3].

Другие источники энергии, так называемые возобновляемые (нетрадиционные), использующие энергию ветра, солнца, приливов и отливов, геотермальных вод, дают пока незначительный вклад (менее 0,3 %) в мировую выработку электроэнергии. По сообщению Института Cato (США) [4] пятнадцатилетнее стимулирование государственным департаментом разработки возобновляемых источников энергии признано малоэффективным. Несмотря на выделение более 11 млрд. долларов в течение последних 25 лет в форме

11

налоговых кредитов, возобновляемые источники энергии в США к концу 2000 г. обеспечивали только 2 % полного производства электричества в стране, и без политики привилегий промышленность возобновляемых источников энергии вряд ли могла бы существовать [4].

Тепловая энергия вырабатывается, как основной продукт, на отопительных и производственных котельных, сжигающих органическое топливо и отходы производства, электрических бойлерных установках, атомных станциях теплоснабжения и как дополнительная энергия – на ТЭС, газотурбинных, парогазовых установках и на АЭС.

Исходя из принципов энергетической безопасности, энергетическая стратегия России [1] предусматривает некоторое снижение во внутреннем потреблении удельного веса газа (с почти 50 % во второй половине 1990-х годов до 42–45 % к 2020 г.). Удельный вес нефти в течение всего перспективного периода будет в основном стабильным (22–23 %). Практически стабилизируется, увеличившись с 20 % в 2000 г. до 22 % в 2010 г., удельный вес угля (2020 г.

– 21–23 %) при росте доли выработки электроэнергии на АЭС (до

20 % к 2020 г.).

Гидроресурсы России по экономически эффективному потенциалу сопоставимы с современной выработкой всех электростанций страны. Однако их освоение (за исключением использования малых и микро-ГЭС) требует очень больших сроков сооружения и капиталовложений. С учетом этого возможная выработка электроэнергии на ГЭС составит 170–177 млрд. кВт ч. в 2010 г. и 190–200 млрд. кВт ч. в 2020 г. при условии, что цены производства электроэнергии (включая инвестиционную компоненту) на новых ГЭС не превысят 3,5–4 цента/кВт ч. [1].

В большом многообразии конструкций тепловых и атомных станций в России и за рубежом к концу ХХ столетия определилось несколько наиболее распространенных и часто тиражируемых проектных и компоновочных решений, которые принято называть типовыми или серийными (унифицированными).

Как правило, все ТЭС подразделяются на электростанции с поперечными связями по пару и питательной воде и на блочные электростанции, которые практически не имеют полнопроходных по-

12

перечных коллекторов по пару и питательной воде [5, 6]. Для блочных электростанций возможно использование несколькими блоками одних и тех же вспомогательных общестанционных систем (систем водоподготовки, охлаждающей циркуляционной воды, топливоподачи, сбора и очистки загрязненных масел, разводок сжатого воздуха, азота, водорода, кислорода).

АЭС последних поколений проектировались и эксплуатируются как блочные электростанции без поперечных связей по пару и питательной воде.

Взависимости от преимущества в выпускаемом виде энергии (тепловой или электрической) ТЭС и АЭС бывают [6, 7]:

•чисто электрогенерирующими с небольшим объемом теплофикации для собственных нужд (ГРЭС на органическом топливе и АЭС);

•чисто теплогенерирующими без выработки электроэнергии (отопительные котельные на органическом топливе, электрические котельные, электробойлерные и атомные станции теплоснабжения);

•электростанции, предназначенные для комбинированной выработки больших количеств тепла и электрической энергии (теплоэлектроцентрали на органическом топливе и атомные теплоэлектроцентрали).

По виду применяемого топлива и способу превращения его в тепловую, а затем и в электрическую энергию электростанции подразделяются на:

•ТЭС и ТЭЦ на твердом топливе;

•газо-мазутные ТЭС и ТЭЦ;

•АЭС и АСТ на тепловых нейтронах (канальные, корпусные, одно-, двух- и трехконтурные);

•АЭС на быстрых нейтронах;

•АЭС с газоохлаждаемыми ядерными реакторами.

Всвою очередь, в зависимости от уровня готовности энергомашиностроительной отрасли к изготовлению более крупных турбинных агрегатов и котлов блочные электростанции могут состоять из моноблоков, дубль-блоков и, что значительно реже, труа-блоков.

Вклассическом варианте моноблок состоит из одной котельной или реакторной установки, одной турбогенераторной установки и одного главного трансформатора выдачи электрической мощности.

13

Для ТЭС с дубль-блоками работу одной турбогенераторной установки обеспечивают две котельных установки.

Для АЭС с дубльили труа-блоками одна реакторная установка обеспечивает работу двух или трех турбогенераторных установок.

1.2. Обеспечение безопасности АЭС и ТЭС

По подходу к оценке результатов технологического и техногенного воздействия на население и окружающую среду при эксплуатации энергетического оборудования философия проектировщиков по обеспечению безопасности ТЭС и АЭС различна.

Так, для ТЭС, расположенных в несейсмоопасных районах (для России это 90 % от всей территории), проектирование зданий, сооружений, оборудования и систем ведется для условий нормальной эксплуатации с перечнем минимально необходимых систем защиты и не проводится вероятностная оценка безопасности оборудования при авариях. Только для ТЭС, строящихся в сейсмически опасных районах, предварительно проводится вероятностная оценка безопасности и присваиваются категории зданиям, сооружениям оборудованию и системам [2].

При проектировании АЭС высокая безопасность зданий, сооружений и оборудования закладывается на всех стадиях их создания, монтажа и наладки и обеспечивается в процессе эксплуатации на протяжении всего запланированного срока службы как при нормальной эксплуатации, так и при всех аварийных режимах. Всем зданиям, сооружениям и оборудованию АЭС проектировщик присваивает категории на основании расчетов их вероятностных оценок безопасности [3].

Основной целью обеспечения безопасности на всех этапах жизненного цикла АЭС является принятие эффективных мер, направленных на предотвращение тяжелых аварий и защиту персонала и населения за счет удержания внутри проектных объемов (барьеров) и предотвращения выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду при любых обстоятельствах.

Всеми нормативными документами Российской Федерации постулируется принцип, что АЭС является безопасной, если техническими средствами и организационными мероприятиями обеспечи-

14

вается непревышение установленных Санитарным надзором России [8] доз по внутреннему и внешнему облучению ее персонала и населения и норм Государственного комитета по экологии по радиационному воздействию от АЭС на окружающую среду при нормальной эксплуатации и при любых проектных авариях [3, 9].

При тяжелых (запроектных) авариях радиационное воздействие от АЭС должно ограничиваться (локализовываться) до приемлемых вышеуказанными нормами значений.

Весь жизненный цикл АЭС, начиная с этапа проектирования и заканчивая этапом снятия с эксплуатации, пронизан деятельностью, направленной на обеспечение высокого уровня безопасности ее оборудования.

При этом безопасность АЭС обеспечивается:

•благоприятным выбором площадки расположения АЭС и надлежащим удалением ее от крупных населенных пунктов;

•расчетом и установлением необходимой санитарно-защитной зоны вокруг АЭС;

•оснащением энергоблоков и АЭС в целом системами безопасности и такими проектными решениями, при которых реакторная установка обладает свойствами самозащищенности;

•высоким качеством проектов систем, важных для безопасности и проекта АЭС в целом;

•высоким качеством изготовления оборудования, сооружения

имонтажа энергоблока и АЭС в целом с применением апробированных технологий, строгим соблюдением проектных требований и требований специальной нормативно-технической документации;

•всеобъемлющей и качественной предпусковой наладкой и функциональными испытаниями смонтированного оборудования и систем с целью подтверждения их соответствия требованиям проекта;

•высоким качеством эксплуатации оборудования и систем в соответствии с технологическими регламентами;

•поддержанием в надежном работоспособном состоянии оборудования и систем, важных для безопасности путем плановопредупредительных профилактических мер и своевременной замены износившегося оборудования;

15

•качественной наладкой и функциональными испытаниями отремонтированного или модернизированного оборудования и систем с целью подтверждения их работоспособности в полном соответствии с требованиями технологических регламентов;

•психофизиологическим отбором персонала, выполняющего ядерноопасные работы и работы по эксплуатации установок и систем, важных для безопасности АЭС;

•обеспечением высокого уровня подготовки и переподготовки всего персонала АЭС и обслуживающих организаций;

•постоянным государственным надзором за работами на АЭС.

1.3. Организации, осуществляющие надзор за безопасным ведением работ

Надзор за работами, выполняемыми на ТЭС и АЭС, осуществляется несколькими специальными ведомственными надзорными органами, начиная с этапа проектирования объекта и заканчивая этапом снятия его с эксплуатации. Деятельность каждого надзорного органа направлена на претворение в жизнь государственной политики в области технической, противопожарной, ядерной и радиационной безопасности в соответствии с Законами Российской Федерации. Это, прежде всего, – создание условий и процедур контроля, при которых гарантируется защита персонала, населения и окружающей природной среды от недопустимого многофакторного воздействия оборудования, сооружений и систем ТЭС и АЭС.

Основными надзорными органами являются межрегиональные территориальные управления Федеральной службы по санитарному, экологическому, технологическому промышленному и атомному надзору.

Межрегиональные территориальные управления по надзору за ядерной и радиационной безопасностью надзирают за ядерной безопасностью АЭС, правильным устройством, монтажом, ремонтом и эксплуатацией оборудования и систем, важных для безопасности АЭС.

Межрегиональные территориальные управления по технологическому и экологическому надзору по федеральным округам надзирают за правильным устройством, монтажом, ремонтом и экс-

16

плуатацией оборудования и систем котлов, трубопроводов и сосудов на ТЭС, ГПМ, компрессорных станций различного назначения.

Государственный санитарный надзор Министерства здравоохранения России организует и проводит контроль за накоплением вредных техногенных продуктов в организмах людей от воздействия ТЭС и АЭС, а также надзирает за радиационным воздействием на персонал и население вокруг АЭС.

Государственный пожарный надзор Министерства по чрезвычайным ситуациям России ведет постоянную профилактическую работу по предупреждению возгораний на ТЭС и АЭС, а также организует противопожарную защиту персонала, зданий, сооружений и оборудования при возникновении пожаров.

Государственный надзор Комитета России по экологии проводится на ТЭС и АЭС с целью контроля в техногенных выбросах непревышения предельно допустимых норм по загрязнению недр, воздушного и водного бассейнов вокруг энергетических объектов.

Все вышеупомянутые государственные надзорные органы начинают свою работу с этапа начала проектирования ТЭС или АЭС, активно осуществляют ее при изготовлении оборудования, строительстве и монтаже объекта, его наладке, эксплуатации, ремонте и модернизации (реконструкции) вплоть до полного вывода энергоблока из эксплуатации.

При сооружении энергоблоков ТЭС и АЭС государственные надзорные органы осуществляют:

•анализ проектной документации зданий, сооружений, оборудования и систем, важных для безопасности энергоблоков;

•выборочную проверку работ по строительству, изготовлению, монтажу и наладке оборудования и систем, важных для безопасности:

•контроль уровня квалификации персонала организаций, участвующих в сооружении объекта и изготовлении оборудования и материалов;

•выдачу и изъятие разрешений на выполнение подконтрольных строительных, монтажных и наладочных работ;

•периодические комплексные проверки организаций по всему спектру подконтрольных вопросов;

•регистрацию поднадзорных объектов и систем;

17

•приемку законченных сооружений и объектов путем участия

вГосударственных приемочных комиссиях.

При эксплуатации энергоблоков ТЭС и АЭС государственные надзорные органы осуществляют:

•систематический контроль выполнения регламентов безопасной эксплуатации оборудования, систем и энергоблоков в целом;

•аттестацию и переаттестацию руководящего персонала ТЭС

иАЭС;

•выборочный контроль работы персонала АЭС, связанного с обращением с ядерным топливом и с системами, важными для безопасности;

•периодические комплексные проверки всех организаций по всему спектру подконтрольных вопросов;

•контроль сроков и полноты выполнения намеченных комплексными проверками мероприятий;

•выдачу и изъятие разрешений на выполнение подконтрольных ремонтных, модернизационных (реконструктивных) и наладочных работ;

•рассмотрение документов о продлении эксплуатации энергоблоков либо об их выводе из эксплуатации.

При комплексных проверках одного энергетического объекта возможна консолидация нескольких надзорных органов и составление единого плана мероприятий по устранению обнаруженных замечаний.

1.4. Характеристика барьеров безопасности на АЭС

Среди основных принципов безопасности АЭС [7, 10] особое место занимает принцип защиты в глубину (глубоко эшелонированной защиты), который предполагает создание ряда последовательных уровней защиты от вероятных отказов технических средств и ошибок персонала, включая:

• установление последовательных физических барьеров на пути распространения ионизирующих излучений и радиоактивных продуктов в окружающую среду;

18

•предусмотрение технических и административных мероприятий по сохранению целостности и эффективности этих барьеров;

•предусмотрение мероприятий по защите населения и окружающей среды в случае разрушения барьеров.

Принцип глубоко эшелонированной защиты обеспечивает ограничение в рамках каждого уровня (эшелона) последствий вероятностных отказов и гарантирует, что единичный отказ технических средств или ошибка персонала не приведут к опасным последствиям. В случае множественных ошибок персонала и отказов технических средств, применение этого принципа снижает вероятность отрицательного воздействия излучения и радиации на персонал, население и окружающую среду.

В основе данного принципа лежит установление ряда последовательных физических барьеров, обеспечивающих надежное удержание радиоактивных веществ в заданных проектом объемах (барьерах) или границах зданий и сооружений АЭС.

Система барьеров включает в себя: а) физические барьеры:

•топливную матрицу;

•оболочки стенок ТВЭЛ;

•стенки границ контура радиоактивного теплоносителя;

•железобетонную биологическую защиту вокруг реактора;

•герметичное ограждение контайнмента и боксов локализующих систем безопасности;

•физические барьеры, разделяющие помещения на зоны возможного загрязнения и зоны свободного посещения;

б) организационные барьеры:

•ограждение и инженерно-технические средства охраны площадки размещения основных зданий и сооружений АЭС;

•границы санитарно-защитной зоны вокруг АЭС;

•границы тридцатикилометровой зоны наблюдения.

Каждый физический и организационный барьер проектируется, изготавливается и сооружается с учетом специфических норм и правил для обеспечения его повышенной надежности. Количество барьеров, а также их характеристики определяются при проектиро-

19

вании конкретных АЭС. К примеру, для АСТ запроектировано два герметичных контайнмента.

В процессе эксплуатации состояние физических барьеров контролируется прямыми (визуальный контроль ТВС перед их загрузкой в активную зону реактора) или косвенными методами (измерение активности теплоносителя при работе блока или анализ водовоздушной среды каждой ТВС при перегрузках).

При обнаружении неэффективности или повреждения любого физического барьера энергоблок или АЭС останавливаются для устранения причин и восстановления работоспособности этого барьера.

Эффективность работы организационных барьеров подвергается систематическому круглосуточному контролю, и при снижении их надежности разрабатываются и выполняются компенсирующие мероприятия.

1.5. Основные нормативные документы по обеспечению безопасности работ на АЭС и ТЭС

Основные принципы безопасности ТЭС и АЭС содержатся как в российской нормативной, так и в международной нормативнорегламентирующей документации. Так, международными агентствами и консультативными группами разработан ряд рекомендательных документов, определяющих общие подходы и принципы обеспечения безопасности.

ВРоссийской Федерации действует более сотни специальных правил и норм (серия «Правила и нормы в энергетике» ПНЭ для тепловой энергетики и «Правила и нормы в атомной энергетике» ПНАЭГ для атомной энергетики). Эта документация нормативного характера охватывает все этапы жизненного цикла оборудования и систем ТЭС и АЭС и разработана на основе международного опыта

сучетом российской специфики.

Всоответствии с вышеизложенным все нормативные документы по обеспечению безопасности тепловых и атомных станций подразделяются на несколько уровней.

• Рекомендации международных организаций МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии), МИРЭК (Мировой

20