Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов - Режим продления кампании реактора

Специфической особенностью эксплуатации АЭС с реакторами типа ВВЭР является необходимость периодического останова энергоблоков раз в год для плановой перегрузки ядерного топлива и ППР оборудования. В напряженных условиях работы АЭС в энергосистеме этот останов крайне нежелателен в период осенне-зимнего максимума электрической нагрузки; по целому ряду причин нежелательным является и одновременный останов на перегрузку двух или более блоков (которых на АЭС может быть от двух до шести). Кроме того, в ряде случаев по требованию диспетчера энергосистемы возникает непредвиденная ранее необходимость продления кампании реактора. Если еще учесть, что расчетное прогнозирование длительности кампании реактора выполняется с точностью 5 —10% (это составляет 15 — 30 сут), а планирование годового графика нагрузок энергоблоков осуществляется (по эксплуатационным причинам) с погрешностью в определении коэффициента использования установленной мощности 10—15% (это еще 20 — 30 сут неопределенности в длительности кампании), то становится ясным, что момент останова энергоблока на перегрузку топлива порой предугадать заранее довольно затруднительно. Указанные обстоятельства диктуют необходимость поиска возможностей повышения маневренности АЭС и в первую очередь — большей свободы выбора срока останова реактора для плановой перегрузки топлива и ППР оборудования.
На АЭС с ВВЭР нашел применение метод продления кампании реактора за счет частичного использования мощностного и температурного эффектов реактивности вследствие их отрицательных величин.

После исчерпания расчетного запаса реактивности на выгорание топлива энергоблок переводится в режим самопроизвольного снижения мощности реактора—снижения параметров 1-го и 2-го контуров при полном открытии дроссельных клапанов турбин, полном извлечении из активной зоны стержней регулирования и отсутствии борной кислоты в теплоносителе 1-го контура. С одной стороны, такой режим работы позволяет продлить кампанию реактора, увеличить глубину выгорания ядерного топлива, дополнительно выработать заметное количество электроэнергии при той же топливной загрузке. Это ведет к некоторому снижению топливной составляющей себестоимости электроэнергии. Однако при этом увеличивается выгорание топлива, а следовательно, уменьшается запас реактивности на выгорание в ТВС, оставляемых в реакторе на следующую кампанию, что необходимо компенсировать загрузкой дополнительного свежего топлива при перегрузке. В то же время работа реактора и оборудования происходит при более низком, чем в обычном режиме, коэффициенте использования установленной мощности и имеют место недовыработка электроэнергии по сравнению с номинальным режимом и снижение КПД энергоблока. Это приводит к некоторому росту постоянной составляющей себестоимости вырабатываемой электроэнергии. Кроме того, такой способ продления кампании вынуждает эксплуатировать энергетическое оборудование в течение продолжительного времени в режимах, отличных от штатных. Так, например, в продленных кампаниях энергоблоков НВАЭС тепловая мощность реакторов снижалась на 35%, средняя температура теплоносителя 1-го контура — на 10%, давление пара перед турбиной — на 35%. В настоящее время еще окончательно не установлено, оказывают ли влияние такие режимы работы (их неоднократное и продолжительное использование) на показатели работоспособности энергетического оборудования АЭС. Не исключено, что могут потребоваться дополнительные затраты на ремонт и эксплуатацию оборудования. Очевидно, необходимы накопление и анализ статистических данных и проведение соответствующих исследований.         
Наличие ряда противоположных тенденций, противоречивых требований и особенностей режима продления кампании требует осторожного и взвешенного подхода к его использованию.
Впервые режим продления кампании за счет использования мощностного и температурного эффектов реактивности был применен на АЭС «Yankee Rowe» (США) в 1962 г. и в дальнейшем осуществлялся на ряде зарубежных АЭС. В нашей стране режим продления кампании впервые был опробован в 1968 г. на I блоке НВАЭС [176], а затем он неоднократно применялся и на других энергоблоках этой (см. табл. 12.2) и других АЭС [177].
Режим продления кампании реакторов диктуется, главным образом, требованиями энергосистемы и возможностями ремонтных служб АЭС, но, тем не менее, следует стремиться к экономически оправданному выбору его длительности. Несмотря на имеющиеся сообщения по данному вопросу [175, 178—181 ] однозначных рекомендаций по режиму продления кампании до сих пор нет.
Практика показывает, что если продление кампании ведется без должной экономической оценки, то оно может оказаться убыточным. Обратимся к некоторым данным по режиму продления на НВАЭС (табл. 12.4) [168].

Таблица 12.4. Некоторые характеристики режима продления кампании энергоблоков НВАЭС

Так, на III блоке при продлении 1-й кампании (1973 г.) на 40 календарных суток (30,6 эф. сут) дополнительно было выработано 287 млн. кВт-ч, что составило 13,6% выработки электроэнергии в основной части кампании (2112 млн. кВт-ч), а себестоимость произведенной электроэнергии снизилась на 13,3%. Во 2-ю кампанию этот блок в режиме продления работал (1974 г.) 80,5 календарных суток (60,9 эф. сут), дополнительно выработав 584 млн. кВт-ч (20,2% основной выработки в 2885 млн. кВт-ч), а себестоимость электроэнергии увеличилась на 12,4%.
В обоих случаях, имела место дополнительная выработка электроэнергии, а экономические последствия оказались прямо противоположными.
Эти и ряд других данных определенно указывают на наличие оптимальной с экономической точки зрения длительности работы энергоблоков со снижением мощности в конце кампании. При анализе этого вопроса необходимо учитывать, что использование мощностного и температурного эффектов реактивности для продления кампании не сокращает времени на перегрузку топлива и ППР, а только сдвигает соответствующие сроки. В результате за определенный период времени (например, за время окупаемости капиталовложений) при регулярном использовании режима продления энергоблоком будем выработано меньше электроэнергии, чем в случае отказа от применения режима продления.

Для правильного учета всего многообразия особенностей и последствий использования режима продления кампании энергоблоков ВВЭР при оценке народнохозяйственного эффекта следует исходить, как это принято, из сравнения экономической эффективности капитальных вложений для различных вариантов по методу приведенных затрат. Показателем наилучшего варианта при этом будет минимум приведенных затрат, равных сумме текущих затрат (себестоимости) и капитальных вложений (приведенных к одинаковой размерности), т. е.
(12.32)
где С — текущие затраты (себестоимость); К — капитальные вложения; р — нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (называемый иногда коэффициентом приведения). Величины К и С могут применяться как в полной сумме капитальных вложений и себестоимости годовой продукции, так и в виде удельных величин на единицу продукции.
Применительно к оценке экономической эффективности использования режима продления кампании метод приведенных затрат требует выполнения следующего условия (для получения положительного экономического эффекта):
(12.33)
где ΔВ — экономия ядерного топлива, полученная в результате продления кампании, в денежном выражении, руб.; Δ Wнед— недоотпуск электроэнергии в энергосистему в режиме продления кампании, кВт ч; сотп — отпускная цена электроэнергии (отпускной тариф), руб/(кВт ч); ΔN — средняя величина снижения электрической мощности энергоблока за время продления кампании, кВт; Куд — удельные капитальные вложения, руб/кВт; р — коэффициент приведения, принятый в энергетике равным 0,12.
Вообще говоря, следует разграничить две возможные ситуации в энергосистеме, когда энергоблок начинает работать в режиме продления кампании.
1. Продление кампании приходится на период острого дефицита электроэнергии в энергосистеме (осенне-зимний максимум нагрузки, аварийная ситуация). В этом случае останов энергоблока на перегрузку топлива и ПГТР может усугубить положение в энергосистеме. Поэтому может потребоваться продление кампании реактора с максимально возможной мощностью на предельно допустимый по техническим характеристикам оборудования срок. Энергоблок в данном случае выступает в качестве дополнительного резерва генерирующих мощностей и повышает надежность энергосистемы. Именно этот факт и определяет технико-экономический эффект от продления кампании в рассматриваемой ситуации. Используя методику замыкающих затрат [182], являющуюся конкретизацией метода приведенных затрат, и принимая в качестве отчетного промежутка времени рабочую кампанию реактора от перегрузки до перегрузки, получаем формулу для подсчета экономического эффекта от продления кампании
(12.34)
где Э — экономический эффект, руб.; W — дополнительная выработка электроэнергии за время продления кампании, кВт-ч; зэ — замыкающие затраты на электрическую энергию для данного региона страны, руб/(кВт-ч); р=0,12; кх — относительная длительность продленной кампании в сравнении с годом; Кд—дополнительные капиталовложения, затраченные на улучшение тепловой схемы блока с целью повышения эффективности его работы в режиме продления кампании (внесенные в период перегрузки и ППР до начала рассматриваемой кампании), руб.; Зд — дополнительные эксплуатационные расходы на энергоблоке в период продления кампании, руб.
Уместно пояснить что замыкающие затраты на электроэнергию складываются из трех составляющих (условные названия наши): 1) топливной, вычисляемой как произведение удельного расхода топлива для производства электроэнергии на величину замыкающих затрат используемого топлива; 2) эксплуатационной, характеризующей затраты на сооружение и эксплуатацию замыкающих электростанций; 3) распределительной, определяемой затратами на распределение электроэнергии, зависящими от размеров и размещения потребителей электроэнергии.
Примерами рассматриваемого вынужденного режима работы могут служить ситуации в Кольской энергосистеме зимой 1976 — 1977 гг., когда потребовалось продление 2-й кампании I блока Кольской АЭС на 115 календарных суток (83,3 эф. сут) [177], и в Воронежской энергосистеме весной 1974 г., когда III блок НВАЭС после 2-й кампании проработал в режиме продления 80,5 календарных суток (60,9 эф. сут).
2. Режим продления кампании энергоблока не определяется требованиями энергосистемы, имеющей резерв генерирующих мощностей электроэнергии. Блок может быть остановлен на перегрузку топлива и ППР без ущерба для энергосистемы. Экономическая целесообразность продления кампании реактора в этом случае целиком будет определяться снижением себестоимости вырабатываемой электроэнергии. Забегая вперед, отметим, что рассматриваемая ситуация характеризуется оптимальным (тдопт) и предельно целесообразным (тпред) временем продления кампании.
Экономический эффект от продления кампании реактора в данном случае может быть подсчитан по формуле (в терминах методики замыкающих затрат)
(12.35)
где Э — экономический эффект, руб.; с°+М— снижение себестоимости вырабатываемой электроэнергии за весь период кампании, включая продление ее, рубДкВт-ч); W — выработка электроэнергии за основной период кампании в номинальном режиме, кВт-ч; Wм.э. — дополнительная выработка электроэнергии за время продления кампании, кВт-ч; зэ — замыкающие затраты на электроэнергию, руб/(кВт-ч); Δ Wнед — недоотпуск электроэнергии в энергосистему за время продления кампании, кВт-ч; р = 0,12; кх— относительная длительность продленной кампании в сравнении с годом; Кд — дополнительные капиталовложения на энергоблоке, затраченные с целью обеспечения возможности повышения электрической мощности блока на период продления кампании, руб.
Следует отметить, что при неэкономичной работе энергоблока в режиме продления (например, время продления превышает Тпред) величина с0+М в формуле (12.35) может иметь отрицательное значение. Поэтому условием экономической эффективности продления кампании в рассматриваемой ситуации следует считать Э равной или больше 0.                                                                                                  
Метод приведенных затрат позволяет оценить общий технико-экономический эффект от изменения режима работы энергоблока. Однако при этом не представляется возможным учесть детали и особенности изменения процесса выгорания ядерного топлива, влияющие на изменение стоимостных характеристик топливного цикла. Эту сторону вопроса о продлении кампании приходится рассматривать специально.
Ниже излагается простая методика определения экономически целесообразной продолжительности работы энергоблока ВВЭР за счет частичного использования мощностного и температурного эффектов реактивности с учетом особенностей режима выгорания топлива в реакторах данного типа. В основу рассмотрения положен реактор ВВЭР-440 IV блока НВАЭС, хотя это не имеет принципиального значения.