О ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ АЭС
О ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ АЭС
Аннотация
Проблема обеспечения населения Земли питьевой водой и доступа к ее потреблению признается одной из важнейших Целей тысячелетия в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия ООН в 2000 году. Несмотря на то, что вода составляет около 70% поверхности Земли, вода, пригодная для питья, составляет всего лишь 2,5% от общих запасов. Из-за большой солености морской воды ее невозможно использовать непосредственно для бытовых, сельскохозяйственных и промышленных целей, поэтому ее необходимо очищать и опреснять. В ходе процесса опреснения морской воды необходимо затрачивать значительные энергетические ресурсы, которые влияют на конечную стоимость. Целью данной работы является оценка возможности применения опреснения морской воды при использовании низкопотенциальной теплоты АЭС. Представлен предполагаемый проект организации опреснения морской воды и предполагаемые производительные мощности.
1. Введение
Проблема обеспечения населения Земли питьевой водой и доступа к ее потреблению признается одной из важнейших Целей тысячелетия в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия ООН в 2000 году. Эксперты ООН прогнозируют, что уже к 2030 году спрос на пресную воду возрастет в 3 раза, превышая при этом предложение на 40%.
Несмотря на то, что вода составляет около 70% поверхности Земли, вода, пригодная для питья, составляет всего лишь 2,5% от общих запасов. Согласно отчетам и рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), содержание растворенной соли в питьевой воде, как правило, не должно превышать 500 промилле (1000 промилле в особых случаях) . При этом уровни солености морской воды колеблются от 3500 до 4500 промилле. Из-за большой солености морской воды ее невозможно использовать непосредственно для бытовых, сельскохозяйственных и промышленных целей, поэтому ее необходимо очищать и опреснять.
Среднесуточное производство питьевой воды в результате опреснения во всем мире составляет около 23·106 м3 . Для этого потребляется большое количество энергии, получаемой с использованием ископаемого топлива – ежегодно будет сжигаться около 130 миллионов тонн нефти для производства 13 миллионов кубометров питьевой воды в день .
В 2016 году научным центром, сосредоточенным на политике в области возобновляемых источников энергии (REN21 – Renewable Energy Policy Network for the 21st Century) было сообщено, что основным источником энергии в мире является ископаемое топливо. На этот вид топлива приходится около 78,35% от общего объема энергии, в то время как на возобновляемые источники энергии – 19,2%, а остальные 2,5% приходится ядерное топливо . В настоящее время человечество активно осваивает и использует альтернативные возобновляемые источники энергии и атомную энергетику.
Методы опреснения воды подразделяются на две группы, первая из которых включает обратный осмос и электролиз. Вторая группа называется термическими процессами, которые включают в себя многократную дистилляцию. Все методы требуют больших энергетических затрат, что обуславливает высокие цены 1 м3 обессоленной воды.
Также для опреснения морской воды применяются возобновляемые источники, в частности энергия Солнца. Однако основным недостатком этого метода является непостоянство солнечного излучения, которое отрицательно влияет на производительность этих систем .
В настоящее время существуют крупные опреснительные установки, потребляющие значительные энергетические ресурсы, в связи с чем возникает вопрос поиска надежного, непрерывного и доступного источника тепла. Одним из перспективных источников такой энергии является ядерная энергетика.
В процессе работы АЭС образуется достаточное количество низкопотенциального тепла, которое выбрасывается в геосферу. Известный метод отбора пара из турбины для дистиллирующих установок негативно сказывается на ее технико-экономических показателях. В случае отбора пара из турбины снижается ее мощность, т. к. расход пара на оставшиеся ступени снижается. Преимущество интеграции опреснительного комплекса и АЭС заключается в возможности оптимизации капитальных и эксплуатационных затрат, а также в возможности получения пресной воды для обеспечения собственных нужд АЭС .
Целью данной работы является оценка возможности применения опреснения морской воды при использовании низкопотенциальной (сбросной) теплоты АЭС. Для этого была рассчитана тепловая схема АЭС с реактором ВВЭР-1200 и турбоустановкой К-1200-6,8/50 для определения количества низкопотенциального тепла, сбрасываемого в геосферу. Представлен предполагаемый проект организации опреснения морской воды и предполагаемая мощность опреснительной установки .
2. Материалы и методика исследования
В данной работе рассматривается проект установки по опреснению морской воды с помощью использования низкопотенциальной энергии, сбрасываемой АЭС с реактором ВВЭР-1200. Предполагаемая опреснительная установка работает по методу испарительной дистилляции.
Для расчета и моделирования тепловых схем использовался программный комплекс United Cycle. САПР United Cycle предназначена для решения задач по определению оптимальной структуры и состава оборудования теплоэнергетических объектов, а также моделирования и расчета стационарных эксплуатационных режимов работы энергоустановок.
К особенностям данного программного пакета относятся :
– высокая степень детализации тепловой схемы моделируемого объекта;
– выверенные модели элементов оборудования;
– высокая точность сведения материального и теплового баланса;
– многоуровневая система тестирования на каждом шаге создания модели, расчета и анализа результатов режимов работы.
Исходные данные для расчета цикла турбоустановки К-1200-6,8/50 с учетом регенерации представлены в табл. 1. Рассчитываемая тепловая схема турбоустановки приведена на рис. 1.
Таблица 1 - Исходные данные для расчета
Номинальные параметры свежего пара | Величины |
Давление, МПа (кгс/см2) | 6,79 (69,2) |
Температура, ºС | 283,8 |
Влажность, % | 0,5 |
Параметры после промежуточного перегрева пара | – |
Давление, МПа (кгс/см2) | 0,55 (5,6) |
Температура, ºС | 270,5 |
Номинальное абсолютное давление пара в конденсаторе, кПа | 5,0 |
Испарительная дистилляция воды бассейного типа является одной из эффективных технологий получения пресной воды. Данные системы характеризуются простой конструкцией, низкими затратами на техническое обслуживание, простотой в эксплуатации и безопасностью. Основным процессом, происходящим в данной установке, является испарение жидкости с поверхности жидкости при температурах ниже температуры насыщения. Очевидно, что чем выше температура и больше испаряема поверхность жидкости, тем большая производительность будет получена.
Ранее были проведены исследования по вычислению коэффициента аккомодации жидкости при температурах ниже температуры кипения . Получена зависимость массовой скорости испарения дистиллированной воды от температуры рис. 2. Для морской воды с повышенным солесодержанием массовая скорость испарения уменьшается на 5-30%.
В качестве обессоливающей установки была рассмотрена установка для концентрирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и других растворов на основе безреагентной технологии . Принцип действия барабанных пленочных испарителей (БПИ) основан на испарении растворителя (воды) с поверхности пленки жидкости, растекающейся по внутренней подогреваемой поверхности вращающегося барабана. Нагрев испарительного барабана на внешней поверхности осуществляется предпочтительно электроподогревом или конденсирующимся паром. Очистка раствора от солевых отложений производится механически, с помощью перекатывающимся спиральным безосевым шнеком.
Рисунок 1 - Принципиальная тепловая схема турбоустановки, рассчитанная в United Cycle
Примечание: I-IV – отсеки ЦВД; V-VIII – отсеки ЦНД; Д – деаэратор; К-1-2 – конденсатор; КН – конденсатный насос; ПВД-5-6 – подогреватель высокого давления; ПНД-1-4 – подогреватель низкого давления; ПГ – парогенератор; ПЭН – питательный элеткронасос; Э – эжектор; ЭГ–электрогенератор; СПП–сепаратор-пароперегреватель
Рисунок 2 - Зависимость массовой скорости испарения дистиллированной воды от температуры
В качестве источника соленой воды было выбрано Средиземное море, вблизи которого производится строительство реакторов ВВЭР-1200 (Турция, г. Аккую). Исходные данные для расчета обессоливающей установки по принципу барабанных пленочных испарителей приведена в табл. 2.
Таблица 2 - Исходные данные для расчета обессоливающей установки
Номинальные параметры для расчета | Величины |
Расход упариваемой среды (GH), кг/ч | 300 |
Исходное солесодержание (Xнач), г/л | 38 |
Конечное солесодержание раствора (Xкон), г/л | 308 |
Температура исходного раствора (Тисх), ºС | 40 |
Теплоемкость раствора (Ср), Дж/кг*К | 3843 |
Температура кипения раствора (Ткип), ºС | 102 |
Давление в установке (Рнас), МПа | 0,1 |
Частота вращения барабана (n), об/мин | 15-30 |
Габариты корпуса, L x B x H | 4,5 x 1,0 x 1,3 |
Производительность по испаряемой влаге рассчитывалась по формуле (1):
где GH – расход упариваемой среды, Xнач и Xкон – исходное и конечное солесодержание раствора.
Общая мощность на упаривание с учетом 5% тепловых потерь рассчитывалась по формуле (2):
где Qподогр и Qвыпар – необходимая мощность на подогрев и испарение раствора.
3. Результаты и обсуждение
В результате расчета цикла турбоустановки К-1200-6,8/50 с помощью United Cycle были получены следующие результаты:
1. охлаждающая вода, проходя через конденсаторную группу, нагревается до 40 °C при начальных значениях температуры воды 10-15 °C;
2. количество сбрасываемой теплоты в окружающую среду составляет 2187 МВт.
При полученных значениях температуры охлаждающей воды массовая скорость испарения дистиллированной воды составляет 0,2-0,3 г/м2с. Охлаждающая вода имеет повышенное солесодержание, которое негативно влияет на массовую скорость испарения. Массовая скорость испарения для охлаждающей воды при полученных температурах составит 0,18-0,27 г/м2с.
Увеличение эффективности испарения при использовании дистилляторов бассейного типа достигается увеличением площади испарительной поверхности и температуры испаряемой жидкости. При увеличении температуры к значениям близким к температурам насыщения при заданном давлении массовая скорость испарения измениться в 10 раз от полученных значений при температуре воды 40 °C.
В ходе расчета обессоливания воды при БПИ достигается большая производительность по испаряемой влаге и компактность установки. При использовании БПИ с заданными начальными условиями производительность по испаряемой влаге составила 262,9 кг/ч. Необходимая мощность на упаривание с учетом тепловых потерь составила 182 кВт. При этом одним из недостатков данной установки является необходимость частичного применения энергии высокого термодинамического качества.
Для сравнения с БПИ так же проведем расчет дистиллятора бассейнового типа с аналогичной производительностью по испаряемой влаге как у БПИ по формуле (3):
В ходе сравнения двух установок следует отметить, что для дистилляторов бассейного типа при полученном значении массовой скорости испарения W1 = 0,18-0,27 г/м2·с и аналогичной производительности по испаряемой влаге как у БПИ необходимая площадь бассейна составит S = 292,2 м2.
4. Заключение
В ходе проведенной работы был произведен расчет термодинамического цикла АЭС с турбоустановкой К-1200-6,8/50 и реактором ВВЭР-1200 с помощью системы автоматизированного проектирования United Cycle. Определено количество сбрасываемого низкопотенциального тепла в окружающую среду и определена температура охлаждаемой воды, прошедшей через конденсаторную группу.
Значение сбрасываемой низкопотенциальной теплоты составило 2187 МВт, а температура охлаждаемой воды составила 40 °C. При использовании барабанных аппаратов в качестве обессоливания воды с заданными начальными и конечными параметрами была получена производительность по испаряемой влаге, равная 263 кг/ч. Необходимая мощность, затрачиваемая на подогрев и испарение, составляет 182 кВт. При аналогичной производительности по испаряемой влаге необходимая площадь для дистиллятора бассейного типа составляет S=292,2 м2.
Результаты показали эффективность использования как дистилляторов бассейного типа, так и барабанных пленочных испарителей. Дальнейшее усовершенствование цикла обессоливания заключается в оптимизации параметров обессоливающей установки с целью снижения затрат энергии высокого термодинамического качества. Увеличение экономичности и производительности обессоливающей установки достигается с помощью изменения габаритов барабана-испарителя и применения оптимального давления внутри барабана.
Расширение использования атомного источника электрической и тепловой энергии в производстве пресной воды из морской воды является перспективной задачей, поскольку позволит удовлетворить большую часть потребности в пресной воде, как в качестве питьевой воды, так и для орошения сельскохозяйственных земель с использованием сбросной энергии АЭС низкого термодинамического качества.