Парогенераторы ЯЭУ с жидкометаллическим охлаждением - Особенности технико-экономического анализа парогенераторов с жидкометаллическим обогревом

Глава 7
КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОНСТРУКЦИЙ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ОБОГРЕВОМ
Повторим еще раз одно из положений, во многом определивших структуру и содержание книги: процесс проектирования — это всегда процесс выбора из многих возможных решений одного, в наибольшей мере удовлетворяющего совокупности требований, предъявляемых к объекту проектирования. В этом смысле проектирование любого технического устройства, и парогенератора с жидкометаллическим обогревом не исключение, является типичной оптимизационной задачей.
Оптимизация теплоэнергетических установок имеет две стороны: термодинамическую и технико-экономическую. Первая связана с эффективностью использования тепла, вторая — с экономической эффективностью оборудования, реализующего соответствующие процессы преобразования энергии топлива в конечный продукт — электрическую энергию. Теория термодинамической эффективности преобразования энергии разработана достаточно хорошо и позволяет проводить анализ сложных тепловых схем и их оптимизацию [1—3]. Критерием такой оптимизации является обычно КПД установки или коэффициент термодинамической эффективности. Определение конструктивных, технологических, компоновочных параметров оборудования, обеспечивающих наивысшую экономичность выполнения основной функции — производство электроэнергии в требуемом объеме, является задачей технико-экономической оптимизации.
Оптимизация предполагает сравнение альтернативных вариантов по одному или нескольким критериям. В общем случае критерии сравнения достаточно разнообразны и многочисленны. При рассмотрении аппаратов специального назначения, например транспортных или исследовательских, на первый план выходят не экономические критерии, а какие-либо иные, например максимальная стабильность параметров во времени, минимальное воздействие на окружающую среду и т. п. Когда же речь идет о системах, предназначенных для функционирования в производственной сфере, а именно таковыми являются АЭС в целом и каждый ее компонент в отдельности, основными критериями становятся экономические. Только посредством экономических критериев может быть достигнуто оптимальное распределение затрат на разработку и освоение конструкции, на увеличение ее надежности, на поддержание ее в работоспособном состоянии во время эксплуатации и, в конечном счете, обеспечен максимальный народнохозяйственный эффект.
Для того чтобы действительно отражать хотя бы относительную экономическую эффективность различных технических решений, методика сравнения должна вобрать в себя всю совокупность существенных факторов, причем обязательно количественно. Важно при этом иметь возможность количественного сравнения вариантов на возможно более ранней стадии разработки. Известно, что чем раньше происходит отклонение от оптимального решения, тем к большим потерям это приводит в будущем. Развитие современной вычислительной техники и методов математического моделирования делает реальной возможность достаточно представительного сравнения альтернативных вариантов на самых ранних стадиях проектирования. Автоматизация проектирования, органической частью которого являются технико-экономический анализ и оптимизация конструкторских решений, приводит к созданию эффективно работающих систем, экономии средств, затрачиваемых и на разработку, и на эксплуатацию объекта проектирования.
Основным оценочным критерием технико-экономической оценки технических решений являются удельные приведенные затраты [4]. Удельные приведенные затраты можно записать в виде
(7.1) где К — удельные капитальные затраты; ε — нормативный коэффициент окупаемости; Ин — удельные издержки на нормальную эксплуатацию; Иа — удельные издержки в результате отказов (аварий).
При всей внешней простоте этого критерия его практическое применение для оценки парогенератора с жидкометаллическим обогревом весьма сложно, причем это относится ко всем составляющим формулы (7.1). Наиболее существенное значение имеет правильная оценка капитальных затрат и издержек от ненадежности.
К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, рассматривающих технико-экономическую оценку теплообменников и парогенератора [5—11, 14, 15]. В абсолютном большинстве случаев авторы ограничиваются двумя первыми составляющими удельных затрат, причем издержки на нормальную эксплуатацию часто определяют как долю от капитальной составляющей. Для ПГ АЭС с быстрыми натриевыми реакторами пренебрежение издержками в результате отказов недопустимо и может привести к сильному искажению результатов оптимизации. При этом важную роль играют не только принятые конструктивные и схемные решения, но и установленный регламент эксплуатации [8—10].
Достоверность анализа и сравнения конструкций зависит от того, что включается в понятие «парогенератор». В силу физико- химических особенностей натрия парогенератора должен иметь систему пускового разогрева корпусов и трубопроводов, систему контроля протечек воды в натрий, систему сброса продуктов взаимодействия натрия с водой при течи, отсечную арматуру и другие элементы, которые для производства пара в общем-то не нужны. Однако доля стоимости этих систем в общих затратах на ПГ весьма существенна, а их отказы в большинстве случаев приводят к необходимости отключения парогенераторов или к увеличению потерь при одновременном отказе собственно теплопередающей системы. Все это приводит к тому, что в понятие «парогенератор» целесообразно включать все системы, обеспечивающие как собственно производство пара требуемых параметров, так и необходимые технологические, контролирующие и защищающие системы. Только в этом случае можно говорить об объективном анализе конструкций, избежать ошибок «спасения» конструкций вспомогательными системами, которые сами часто становятся сложнее защищаемого узла или аппарата.
Традиционные методы технико-экономического анализа конструкций [5, 8, 13, 14] могут быть более или менее успешно применены к конструкциям, имеющим известные и изученные аналоги, и при сравнении близких по технической реализации объектов. ПГ с натриевым обогревом в этом отношении являются весьма неудобным объектом. И капитальные затраты, и надежность существенно зависят от множества частных решений. Так, при сравнении двухстенных парогенераторов с натриевой и гелиевой индикацией, очень близких по технической сущности конструкций, проявляется принципиальное различие в регламенте эксплуатации, в системах контроля и защиты. В первом варианте требуется немедленное аварийное отключение парогенераторов при потере герметичности со стороны воды/пара, во втором это требование снимается. Другой пример—сравнение вариантов секционного парогенератора с делением на функциональные модули (испаритель+пароперегреватель) и без такого деления (интегральное исполнение). При практически полной идентичности по внешним требованиям эти два варианта, которые могут даже совпадать по общей поверхности теплообмена, будут заметно различаться по металлоемкости, стоимости и надежности. Эти примеры показывают, что использование «средней» стоимости энергетического оборудования в рублях на единицу поверхности или массы сегодня уже не может дать удовлетворительных результатов при сравнении существенно различающихся конструкций ПГ: корпусной — микромодульный, двухстенный — одностенный и т. п.
Еще одна особенность ПГ с жидкометаллическим обогревом связана с необходимостью учета возможного совмещения различных функций в одной конструкции. Например, ПГ большой единичной мощности могут одновременно с основной функцией — генерацией пара — выполнять и роль буферной емкости (ПГ АЭС «Супер-Феникс»). Микромодульные парогенераторы, в силу развитой внешней поверхности, могут выполнять функции аварийного расхолаживания. Следовательно, для полной технико-экономической оценки конкретных технических решений по ПГ необходим учет влияния этих решений на другие компоненты АЭС. Особенно сильно эта особенность проявляется в тех случаях, когда с конструкцией ПГ связывается изменение параметров или схемы АЭС.
Предметом оптимизации может стать не столько конструктивное исполнение парогенераторов, сколько совокупные затраты на ПГ и связанное с ним оборудование. Так, за счет уменьшения температурных напоров в промежуточном теплообменнике (ПТО) можно увеличить температурные напоры в парогенераторе и тем самым уменьшить его поверхность. При этом возрастет поверхность ПТО с соответствующими изменениями в баке реактора. Если сравнить распределение температурных напоров между ПТО и парогенератора на АЭС «Супер-Феникс» и БН-1600, то оказывается [14], что различия в температурных напорах приводят к различию в поверхности парогенератора примерно на 30%. Какое же распределение температурных напоров оптимально? Аналогичная задача возникает при рассмотрении вариантов с натриевым и паровым промперегревом пара.
Таким образом, особенности парогенератора с жидкометаллическим обогревом требуют при сравнительной оценке технических решений учитывать:
показатели стоимости и надежности парогенератора, включая обслуживающие системы (разогрева, контроля, защиты...);
влияние конструктивного исполнения на регламент эксплуатации в нормальных и аварийных режимах;
взаимосвязь конструктивного исполнения парогенераторов с другими элементами АЭС: ПТО, буферными емкостями, холодильниками аварийного расхолаживания).
Формулировка задачи в такой общей постановке возможна лишь созданием некоторой иерархической системы с последовательным расширением уровня охвата объекта. Рассмотрим, каким образом, на какой единой методической базе может быть построена такая система.