Харитонов Енергетика

раину и Белоруссию. «Голубой поток» стал примером диверсификации газовых поставок. Немаловажен и тот технологический опыт, который приобрела Россия при реализации проекта «Голубой поток». Эти навыки окажутся чрезвычайно полезными при осуществлении другого, не менее амбициозного проекта – «СевероЕвропейского газопровода», который пройдет по дну Балтийского моря (см. рис. 4.8).

Вмировой практике апробировано использование для транспорта газов (в том числе агрессивных) стекловолокнистых эпоксидных

иполиэтиленовых труб. Наибольшее распространение пластмассовые трубы нашли в газораспределительных системах многих стран.

Для оперативного управления магистральными газопроводами необходимо иметь качественную запорную аппаратуру, устанавливаемую через каждые 20 – 30 км. Основным типом запорной арматуры являются шаровые равнопроходные краны. За рубежом работа запорной арматуры автоматизирована.

Вразвитых зарубежных странах, несмотря на высокий уровень подготовки газа к транспорту, периодическая очистка газопроводов с помощью шаровых и поршневых устройств является обязательным звеном технологического процесса транспортировки. Это улучшает гидравлическую эффективность газопроводов на 5 – 7 %, обеспечивает экономию топливного газа (для турбокомпрессоров) примерно на 15 %. В России за счет низкого качества строительномонтажных работ и подготовки газа к транспорту приходится проводить многократную очистку газопроводов, что увеличивает текущие расходы.

Трубопроводный транспорт признан одним из самых безопасных способов доставки энергии. Однако и он, подобно другим механическим сооружениям, подвержен отказам. Вероятность отказа газопровода является, прежде всего, функцией его срока службы. Наибольшая вероятность отказа характерна для двух отрезков времени: когда газопровод только построен (отладка) и когда он состарился. Характерно, что по мере роста диаметров газопроводов увеличивается значимость коррозии в интенсивности отказов: от 10 % для диаметров менее 1020 мм до 35 % и 60 % для диаметров соответственно 1220 и 1420 мм. Для защиты трубопроводов от электрохимической коррозии в России построено более 18 тыс. установок катодной защиты мощностью от 0,6 до 5 кВт, свыше 520

установок дренажной защиты, 43600 установок протекторной защиты. Для электроснабжения катодной защиты в эксплуатации находится около 30 тыс. км линий электропередач напряжением 6 –

10кВ.

Как в отечественной, так и в американской практике на собст-

венные нужды промыслов и транспорт газа расходуется до 10 % добываемого газа. Газотранспортная сеть России является более энергоемкой системой по сравнению с зарубежными газопроводами на 30 – 60 %. Это обусловлено следующими факторами:

•проектные решения действующих газопроводов ориентированы в основном на металлосбережение, так как реализовывались в условиях дефицита труб и низких цен на электроэнергию;

•различием в техническом уровне компринирования газа (сжатия в компрессорных станциях) и эксплуатации газопроводов;

•неоправданно велики технологические потери на газопрово-

дах.

Магистральные нефтепроводы. Система магистрального транспорта нефти является главной составляющей инфраструктуры российского нефтяного рынка: она обеспечивает транспортировку нефти из районов ее добычи на нефтеперерабатывающие предприятия и пункты входа на экспорт [4.7]. В 1964 г. сдан в эксплуатацию магистральный нефтепровод «Дружба» протяженностью 4665 км, по которому нефть Татарии и Поволжья стала поступать в Чехословакию, Венгрию, Польшу и Восточную Германию. В 70-е годы в связи с разработкой крупных месторождений нефти в Тюменской области создается наиболее крупная в мире нефтепроводная система суммарной протяженностью около 35 тыс. км и пропускной способностью более 500 млн т/год. Она включает сверхдальние магистральные нефтепроводы диаметром 1220, 1020 и 820 мм: Уренгой – Холмогоры – Пермь – Клин (длиной 2661 км), Холмогоры – Сургут – Пермь – Нижний Новгород – Ярославль – Полоцк (3557 км), Самотлор – Анжеро-Судженск – Красноярск – Иркутск

(2476 км) и др.

Наиболее активное развитие системы магистральных нефтепроводов произошло в период с 1960 по 1980 г. Интенсивная эксплуатация нефтепроводов с транспортировкой более 500 млн т нефти в год привела к их износу, что требует ежегодного ремонта около

1500 км труб. Средняя стоимость ремонта составляет приблизительно 150 тыс. дол./км.

В целях реализации конкурентных преимуществ российских нефтяных компаний на мировом нефтяном рынке ведется разработка новых экспортных направлений транспорта нефти: Каспий- ско-Черноморско-Средиземноморского (в частности, через Новороссийский терминал), Северо-Балтийского, Центрально-Евро- пейского, Восточно-Сибирского (для освоения энергетических рынков Азиатско-Тихоокеанского региона).

4.4.Транспортировка нефти

исжиженного газа танкерами

США получают более половины потребляемой ими сырой нефти по морю из других стран, Западная Европа более 95 % потребляемой нефти ввозит из стран Ближнего Востока, Япония практически полностью зависит от зарубежных поставщиков нефти. Доля нефтегрузов составляет около 40 % от всего количества морских перевозок и, видимо, будет расти.

Размеры танкеров диктуются экономическими соображениями. Перевозка нефти крупными танкерами более экономична: затраты на перевозку в расчете на одну тонну нефти меньше, чем при перевозке судами меньшего водоизмещения. Во время Второй мировой войны грузоподъемность (водоизмещение) танкеров не превышала 50 тыс. т. В настоящее время перевозка нефти осуществляется супертанкерами, водоизмещение которых превышает 300 тыс. т (рис. 4.9). Количество танкеров в мире водоизмещением более 200 тыс. т насчитывается около 7000 штук.

Современный супертанкер водоизмещением 500 тыс. т имеет следующие характеристики [4.8]:

•осадка в воде 25 м,

•надводная часть 6 м,

•длина до 400 м,

•ширина до 50 м,

•расход топлива для двигателей 400 т/сут. (рис. 4.10),

•скорость 16 узлов = 30 км/ч,

•тормозной путь (винты работают «полный назад») 5 км,

•время остановки 25 мин.

При перевозке нефти на расстояние S = 3000 км со скоростью u = 30 км/ч танкер находится в пути в течение времени t = S/u = 100 ч ≈ 5 сут. За это время сжигается топливо в двигателях в количестве (5 сут.)×(400 т/сут.) = 2000 т, т.е. более 33 железнодорожных цистерн (объемом около 60 т каждая).

Известны десятки крупных аварий с танкерами. В результате каждой из них в море выливались сотни тысяч тонн нефти. Ущерб от таких аварий составляет сотни миллионов долларов. Много нефти выливается в море и при обычных операциях с ней в процессах погрузки и разгрузки танкеров (суммарно эти потери превышают загрязнение морей от аварий с танкерами). Если танкер предназначается для загрузки на обратном пути, например, зерном, как это часто бывает, то его необходимо очистить от остатков нефти. Обычно в резервуары заливают морскую воду и затем ее выкачивают вместе с остатками нефти прямо в море. Если танкер возвращается к месту погрузки без обратного груза, то нефтяные резервуары наполняют морской водой с целью создания балласта и обеспечения устойчивости судна. Когда балласт выкачивают, в нем содержатся большие количества остатков нефти.

В целях обеспечения морской безопасности принимаются жесткие меры на международном уровне. Так, по решению стран Европейского союза с 2003 г. все порты ЕС будут закрыты для танкеров с одинарным корпусом и танкеров старше 23 лет (а с 2010 г. – старше 15 лет), везущим нефть и ее производные (мазут, битум, гудрон и др.). Сейчас только около 40 – 50 % мирового танкерного флота составляют суда с двойным корпусом, и свыше половины танкеров построены более 20 лет назад. Двойные корпуса выполняют роль разделительных балластных резервуаров, заполняемых водой для обратных рейсов. Эти дополнительные резервуары размещаются вокруг нефтяных резервуаров для того, чтобы 1) обеспечивать дополнительную защиту на случай ударов о грунт или скалы, в результате которых пробивается наружный корпус судна, и 2) снизить загрязнение моря, исключая заливку нефтяных резервуаров балластной водой. Дополнительные резервуары означают и более высокие затраты на строительство судов.

В последнее время появились проекты танкеров на базе подводных лодок с ядерными источниками энергии (рис. 4.11).

Для успешного освоения континентального шельфа России нужен мощный специализированный и наукоемкий «континентальный флот России» – газовозы, химовозы, танкеры, разного рода вспомогательные суда (даже суда охраны, вплоть до способных нести на палубах патрульные вертолеты, учитывая потенциальную террористическую угрозу крупным объектам энергетики).

Судостроение – одно из самых приоритетных направлений развития экономики, особенно в связи с тем, что добыча энергоресурсов все дальше уходит с материка в море. Суда дедвейтом (полной грузоподъемностью) около 300 тыс. т предполагается строить в рамках крупного государственного холдинга на базе, например, Объединенной промышленной корпорации в Санкт-Петербурге, в структуру которой входит ряд судостроительных предприятий (Северная верфь, Балтийский завод, Конструкторское бюро «Айсберг» и др.).

Транспортировка сжиженного газа. Промышленное произ-

водство сжиженного природного газа (СПГ = LNG) и строительство терминалов по отправке танкеров с СПГ ведутся более чем в 12 странах. Объем реализации СПГ превышает 200 млрд кубометров в год, т.е. приближается к 30 % от мировых экспортных продаж газа [4.9]. Затраты на производство СПГ снижаются и составляют 200 – 250 дол. за 1 т. Произошло снижение стоимости танкеровметановозов (рис. 4.12). За 10 лет стоимость строительства одного танкера-метановоза вместимостью 135 тыс. кубометров упала с 250 до 150 млн дол.. Мировой танкерный флот насчитывает более 160 специализированных судов, суммарная вместимость которых составляет почти 20 млн кубометров.

Упражнения и задачи к главе 4

4.1. Нефтепровод имеет протяженность 750 км и пропускную способность G = 2 тыс. т/ч. Сколько электрической энергии будет производить ТЭС, работающая на этой нефти с КПД η = 40 %? Принять теплотворную способность нефти q = 43 МДж/кг.

Ответ: Электрическая мощность W = ηqG = 0,4·43·106/3600 ≈

≈9600 МВт.

4.2.Определите затраты электрической мощности на питание насосов, прокачивающих нефть по нефтепроводу с параметрами

задачи 4.1. Принять, что режим течения нефти турбулентный с коэффициентом сопротивления ξ = 0,03; диаметр труб D = 830 мм; плотность нефти ρ = 900 кг/м3; КПД насосов ηn = 0,9.

Решение. Согласно (4.17) и (4.18) затраты мощности на прокачку равны

8ξ LG3

Wn = π2 D5ρ2ηn .

Подстановка числовых значений дает Wn ≈ 10 МВт.

4.3. Если передавать ту же электрическую мощность, что и в задаче 4.1, на то же расстояние по линии электропередачи постоянного тока с напряжением 1000 кВ, то какая часть передаваемой мощности потеряется на джоулево тепловыделение? Принять суммарное сечение алюминиевых проводов 2010 мм2, электропроводность алюминия σ = 0,2·108 1/Ом·м.

Решение. Согласно (4.4) относительные потери в проводах составляют ε = WR/U2 = W2L/U2Sσ ≈ 0,36, т.е. больше трети энергии в рассмотренном примере теряется.

Список литературы к главе 4

4.1.Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.- корр. РАН Е.В. Аметистова. – Ч. 2. Современная электроэнергетика / Под ред. проф. А.П. Бурмана и В.А. Строева. – М.: Изд-во МЭИ, 2003. – 454 с.

4.2.Строители России. ХХ век. Электроэнергетика. – М.: Изд-во

«Мастер», 2003. – 1164 с.

4.3.Тукенов А.А. Рынок электроэнергии: от монополии к конкуренции. – М.: Энергоатомиздат, 2005. – 416 с.

4.4.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Проблемы функционирования и развития электроэнергетики). – М.:

МГФ «Знание», 2001. – 480 с.

4.5.Розанов В.Б., Степанов Р.В. Концепции современного естествознания. Что и почему должен знать каждый из физики: Учеб. пособие / Под ред. проф. В.В. Харитонова. – М.: МИФИ, 2003. –

232 с.

4.6.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Газовая промышленность России). – М.: МГФ «Знание», ГЭИТИ,

2005. – 688 с.

4.7.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Нефтяной комплекс России). – М.: МГФ «Знание», 2000. – 432 с.

4.8.Дэвинс Д. Энергия: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат,

1985. – 360 с.

4.9. Симонов К.В. Энергетическая сверхдержава. – М.: Алго-

ритм, 2006. – 272 с.

Глава 5

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

5.1.Инженерно-физические основы ядерной энергетики

Вданном разделе дается краткий обзор физических процессов, определяющих современное состояние и направления развития ядерной энергетики на основе деления тяжелых ядер, в первую очередь урана. Часть этих процессов рассмотрена в гл. 2. Резюмируем приведенные там результаты.

1. Единственным делящимся материалом, имеющимся в природе, является изотоп урана 235U. В природной смеси изотопов урана содержится чуть более 0,7 % урана-235, остальная часть приходится на уран-238 (и следы урана-234, см. табл. 5.1).

Таблица 5.1

Содержание изотопов урана в природе

2.Именно на основе природных запасов урана-235 состоялось развитие ядерной энергетики.

3.Деление урана под действием нейтронов отличается неви-

данным энергетическим выходом (калорийностью) – около 200 МэВ на одно ядро или 8,2·1013 Дж/кг. То есть калорийность урана в несколько миллионов раз выше калорийности углеводородного топлива (угля, нефти и газа).

4.В результате деления образуются два осколка неравной массы, кинетическая энергия которых составляет основную долу энергии деления (более 83 %). Более тяжелый осколок имеет (в среднем) массовое число около 140 и энергию 87 МэВ, а более легкий осколок имеет массовое число около 95 и энергию 100 МэВ. Самое легкое и самое тяжелое ядра-осколки имеют массовые числа 72 и 161 соответственно. Осколки деления в результате кулоновского взаимодействия с окружающими атомами быстро тормозятся на расстояниях до 10 мкм в твердом топливе, и их кинетическая энергия преобразуется в тепло, вызывая разогрев топлива. Тепло, выделяемое в топливе, должно постоянно от него отводиться специальным теплоносителем, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры топлива и осуществить перенос тепла в другое место, где оно безопасно может быть преобразовано в другие полезные виды энергии. Например, в электроэнергию.

5.Деление ядра урана возбуждается одним нейтроном, а в результате деления образуется в среднем ν = 2,5 – 4 новых нейтрона со средней энергией около 2 МэВ. Избыток нейтронов деления

(превышение их числа над 1) служит физической основой: 1) цепной самоподдерживающейся реакции деления и 2) воспроизводства искусственного ядерного топлива.

6. Вероятность (сечение) деления урана-235 (и других нечетных изотопов) возрастает в тысячу раз при замедлении нейтрона, вызывающего деление, от высоких энергий (2 МэВ, характерных для нейтронов деления) до низких энергий, характерных для теплового движения при комнатной температуре (0,025 эВ). Это важное свойство реакции деления делает полезным замедление нейтронов в реакторе, так как позволяет осуществить цепную реакцию на при-

родном (естественном, необогащенном) уране или на топливе, слабо обогащенном изотопом уран-235. Нейтроны с энергией порядка 0,025 эВ называют тепловыми. Реакторы с замедлителем нейтронов в активной зоне называются реакторами на тепловых нейтронах. Нейтроны замедляются в результате столкновения с легкими ядрами, поэтому для замедления нейтронов используют сравнительно недорогие вещества, содержащие легкие ядра и обладающие низким сечением поглощения нейтронов: графит С, тяжелую воду D2O или легкую (обычную) воду Н2О.

7. Сырьевые материалы торий-232 и уран-238, запасы которых на Земле достаточно велики, при облучении быстрыми нейтронами превращаются соответственно в уран-233 и плутоний-239 благодаря реакциям радиационного захвата нейтрона. Эти нечетные изотопы, как и уран-235, являются делящимися от нейтронов любых энергий. Избыток нейтронов деления и реакции радиационного захвата нейтронов с образованием урана-233 и плутония-239 служат физической основой реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного топлива и существенного увеличения сырьевой базы ядерной энергетики на базе замкнутого ядерного топливного цикла.

Условия критичности реактора. Хотя при каждом делении испускается 2 – 4 нейтрона, продолжение цепной реакции не всегда гарантировано. Нейтроны могут быть «утеряны» за счет двух процессов: 1) поглощения в топливе (без деления) и в других материалах активной зоны реактора или 2) утечки через границу (поверхность) активной зоны [5.1 – 5.3]. Первый процесс зависит от количества делящегося топлива и состава активной зоны, а второй – от ее размеров и окружения. Минимальное количество делящегося материала и минимальный размер активной зоны, необходимые для поддержания цепной реакции, называются соответственно критической массой и критическим размером.

В чистом естественном уране невозможно достичь критичности ни при каком размере. Критическая масса чистого урана-235, образующего сферу, составляет всего 48 кг при критическом диаметре сферы около 17 см (табл.5.2). Если окружить уран веществом – отражателем нейтронов (обычно это замедлитель нейтронов), то критическая масса уменьшается до 3 раз. В реакторе с графитовым замедлителем критическая масса превышает 200 кг.

Для количественного описания критичности используют коэффициент размножения нейтронов k, который характеризует отношение числа нейтронов, полученных в реакциях деления, к числу нейтронов, вызвавших эти деления в реакторе (т.е. k – это отношение числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения). Когда k = 1, реактор критичен, так что скорость реакций деления и тепловая мощность реактора остаются постоянными. При k > 1 реактор надкритичен и число нейтронов и уровень мощности будут возрастать, пока k не станет равным 1 в результате выгорания топлива или воздействия органов регулирования. При k < 1 реактор подкритичен и реакции деления прекращаются. Введение в размножающую среду дополнительного количества делящегося материала и/или удаление поглотителя нейтронов приводит к избыточному размножению цепей реакции, т.е. сопровождается ростом k, числа нейтронов и мощности реактора. Напротив, введение поглотителя нейтронов увеличивает число обрывов цепей и снижает k. Установка с контролируемой цепной реакцией деления и представляет собой ядерный реактор. Та часть реактора, которая содержит делящийся материал и собственно в которой протекает цепная самоподдерживающаяся реакция деления, называется активной зоной реактора.

Таблица 5.2

Критические массы и размеры делящихся материалов [5.1–5.3]

Из сказанного следует, что по мере выгорания топлива в реакторе, когда количество делящихся ядер снижается ниже определенного уровня и накапливаются продукты деления, необходимо заменять часть топлива в активной зоне.

Развитие цепной реакции во времени. Изменение числа ней-

тронов в некритическом реакторе определяется отличием числа k от единицы и временем нейтронного цикла τ (временем жизни од-