Атомная отрасль России в последнее десятилетие демонстрирует уверенный рост. Это выражается не только в увеличении выработки электроэнергии (с 195 млрд кВт*ч в 2015 году до 217 млрд кВт*ч в 2024 году) и строительстве новых энергоблоков (за 10 лет на территории страны возвели четыре, а текущий портфель одновременно сооружаемых энергоблоков по всему миру насчитывает 30 объектов). Помимо количественных показателей растут и качественные – запускаются знаковые проекты. Например, энергоблок с реактором на быстрых нейтронах БН-800 на Белоярской АЭС, который является ключевым элементом для создания замкнутого ядерного топливного цикла.
Параллельно с возведением крупных АЭС идёт активное развитие малой и распределенной энергетики. Из примеров – атомная станция малой мощности (АСММ) в Якутии, а также плавучая АЭС «Академик Ломоносов», обеспечивающая энергией удалённый Певек на Чукотке. Активное развитие российской атомной энергетике вписывается в мировые тренды.
Международные эксперты сходятся во мнении, что мы находимся на пороге эпохи «ядерного ренессанса». По данным МАГАТЭ, общая мощность ядерных реакторов в мире в ближайшие 25 лет увеличится более чем в два раза.
Национальные прогнозы эту версию подтверждают. По расчётам правительства доля атомной генерации в энергобалансе России к 2045 году должна достичь 25% вместо сегодняшних 20%. Основанием для расцвета мирного атома служат два фактора – глобальная тенденция к декорбанизации и растущий энергодефицит, особенно в удалённых регионах страны и мира.
Здесь стоит вспомнить, что запуск каждого нового проекта, от разработки уранового рудника в Якутии до строительства энергоблока в Египте, начинается с создания надёжной энергетической инфраструктуры. А условия, в которых ведётся эта работа, часто сложно назвать благоприятными: удалённость от транспортных коммуникаций и централизованных электросетей, высокая стоимость технологического присоединения, экстремальные климатические зоны. Эти обстоятельства делают традиционное энергоснабжение строящегося объекта либо невозможным, либо экономически нецелесообразным. Таким образом, вместе с атомной энергетикой будет расти потребность в надёжных автономных решениях для питания инфраструктуры атомных объектов – энергоцентрах.
Энергоцентр – это технологический комплекс, предназначенный для автономной или частично автономной генерации и распределения энергии. При этом речь идёт о производстве не только электрической, но и тепловой энергии для нужд локальных потребителей или технологических процессов изолированных производств. Особенно остро потребность в таких комплексах стоит в регионах, где внешняя энергия имеет высокую стоимость либо она в принципе недоступна в связи с удалённостью и труднодоступностью района размещения.
Когда энергоцентр собственных нужд необходим:
· высокие затраты на подвод электроэнергии и тепла;
· низкое качество электроэнергии в существующей сети;
· отсутствие централизованных сетей в зоне строительства;
· обеспечение энергией мобильных и временных объектов;
· резервирование и повышение надёжности энергоснабжения действующих объектов.
Совокупность производственного потенциала и инженерных технических компетенций ЧЗЭО создаёт мощный синергетический эффект: наш завод может предложить не просто поставку отдельных видов продукции, а полный инжиниринговый цикл реализации проекта энергоцентра.
Техническая архитектура энергоцентра
Комплектация предлагаемых ЧЗЭО энергоцентров универсальна – она оптимизируется под конкретные задачи заказчика. Рассмотрим принципиальную схему работы такого комплекса (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема энергоцентра
В основе – надёжные источники первичной энергии. Комплекс может использовать дизельное топливо с внешнего хранилища. Это топливо питает силовые установки – дизель-генераторные установки (ДГУ). При необходимости, та же топливная инфраструктура может снабжать блочно-модульную котельную.
Для повышения общего КПД энергоцентр может оснащаться системой утилизации тепла. В этом случае тепло от двигателей внутреннего сгорания не выбрасывается в атмосферу, а направляется в котельную, где используется для нужд отопления и горячего водоснабжения объекта.
Выработанное электричество поступает на распределительную подстанцию, которая может быть высоковольтной или низковольтной в зависимости от потребностей. Высоковольтные потребители получают питание напрямую, а для низковольтных энергия преобразуется через комплектную трансформаторную подстанцию (КТП).
Решение предусматривает возможность синхронизации с внешней сетью. В этом режиме генерация энергоцентра работает параллельно с сетью, что позволяет либо экономить на покупной электроэнергии, либо компенсировать дефицит мощности. Например, при выделенном лимите в 1 МВт и реальной потребности 5 МВт, недостающие 4 МВт генерируются энергоцентром.
Проекты: от простого решения к оптимизированному
Приведём примеры адаптации технического решения под конкретные задачи заказчика. Первый – дизельный энергоцентр (ДЭС) мощностью 6 МВт с выходным напряжением 6 кВ. Второй – ДЭС на 4,8 МВт с напряжением 10 кВ.
Пример 1: низковольтная схема
В состав данного энергоцентра входят 6 дизель-генераторных установок (ДГУ) мощностью 1 МВт каждая, вырабатывающие низкое напряжение 0,4 кВ. Генераторы, объединённые попарно, подключаются к повышающей двухтрансформаторной подстанции (2 х 1000 кВА). Таким образов, напряжение преобразуется до 6 кВ и подаётся на общую шину. Далее электроэнергия распределяется через закрытое распределительное устройство (ЗРУ) к потребителям.
Рис.2. Низковольтная схема генерации с повышающими подстанциями
Ключевым преимуществом этого решения является простота технического обслуживания. Для работы с низковольтными ДГУ от персонала не требуется специальных допусков, что облегчает эксплуатацию установок. Также упрощается питание собственных нужд, поскольку необходимое низкое напряжение 0,4 кВ вырабатывается непосредственно с генераторов. Далее его можно направить не только на собственные нужды, но и в КТП, и в ЗРУ.
Из минусов – рост капитальных затрат, поскольку это решение предполагает строительство повышающей трансформаторной подстанции. Кроме того, увеличивается размер объекта и соответственно площадь размещения. Стоит также отметить, что появление дополнительных технологических элементов в целом снижает общую надёжность объекта, поскольку появляется больше потенциальных точек отказа. Самое очевидное решение избежать указанных минусов – применение высоковольтных генераторов в дизель-генераторных установках. Рассмотрим такой подход на примере следующего проекта.
Пример 2: высоковольтная схема
Для ДЭС (в данном примере – на 4,8 МВт с напряжением 10 кВ) возможно реализовать более эффективное решение. Оно предусматривает применение трёх высоковольтных дизель-генераторных установок мощностью по 1,6 МВт каждая, выдающих напряжение 10 кВ. Вырабатываемая ДГУ энергия напрямую подаётся в закрытое распределительное устройство (ЗРУ) 10 кВ.
Рис.3. Высоковольтная схема генерации
Преимущества данного решения – снижение капитальных затрат и сокращение площади размещения энергоцентра за счёт отказа от внешних повышающих подстанций. Кроме того, благодаря упрощению схемы повышается общая надёжность энергосистемы.
Однако плюс предыдущего решения (низковольтная схема, рис. 2.) здесь может превратиться в минус: обслуживание генераторной установки и распределительного устройства в её составе вызывает необходимость в квалифицированном персонале, имеющем допуски для обслуживания высоковольтного оборудования. Однако этот фактор нивелируется тем, что такой персонал в любом случае требуется для эксплуатации ЗРУ 10 кВ на объекте.
Оба примера наглядно демонстрируют гибкость подхода ЧЗЭО и способность находить оптимальный баланс между стоимостью, надёжностью и сложностью эксплуатации для каждого конкретного проекта в атомной отрасли.
Больше мощности – больше площади?
Рассматривая компоновку предыдущих примеров, возникает закономерный вопрос: что делать, если требуется большая мощность? Противопожарные нормы требуют значительного расстояния между отдельными генераторными установками. Значит ли это, что площадь энергоцентра будет расти пропорционально мощности? Опыт Челябинского завода электрооборудования показывает: нет.