Основные концепции надежности и экологической безопасности объектов энергетики

Представляет опасность  и так называемое тепловое загрязнение  водоёмов, вызывающее многообразные  нарушения их состояния. ТЭС производят энергию при помощи турбин, приводимых в движение нагретым паром, а отработанный пар охлаждается водой. Поэтому  от электростанций в водоёмы непрерывно поступает поток воды с температурой на 8-12єC превышающей температуру  воды в водоёме. Крупные ТЭС сбрасывают до 90 мі/с нагретой воды. По подсчётам немецких и швейцарских учёных, возможности рек Швейцарии и верхнего течения Рейна по нагреву сбросной теплотой электростанций уже исчерпаны. Нагрев воды в любом месте реки не должен превышать больше чем на 
3єC максимальную температуру воды реки, которая принята равной 28єC. Из этих условий мощность электростанций ФРГ, сооружаемых на Рейне, Инне, 
Везере и Эльбе, ограничивается значением 35000 МВт. Тепловое загрязнение может привести к печальным последствиям. По прогнозам Н.М. Сваткова изменение характеристик окружающей среды (повышение температуры воздуха и изменение уровня мирового океана) в ближайшие 100-200 лет может вызвать качественную перестройку окружающей среды (стаивание ледников, подъём уровня мирового океана на 65 метров и затопление обширных участков суши).

Нужно сказать, что воздействия  ТЭС на окружающую среду значительно  отличаются по видам топлива (таблица 1). Одним из факторов воздействия  ТЭС на угле являются выбросы систем складирования, транспортировки, пылеприготовления  и золоудаления. При транспортировке  и складировании возможно не только пылевое загрязнение, но и выделение  продуктов окисления топлива.

Наиболее «чистое» топливо  для тепловых электростанций – газ, как природный, так и получаемый при переработке нефти или  в процессе метанового брожения органических веществ. Наиболее «грязное» топливо  – горючие сланцы, торф, бурый  уголь. При их сжигании образуется больше всего пылевых частиц и оксидов  серы.

Для соединений серы существуют два подхода к решению проблемы минимизации выбросов в атмосферу  при сжигании органических топлив: 
1) очистка от соединений серы продуктов сгорания топлива (сероочистка дымовых газов); 
2) удаление серы из топлива до его сжигания. 
К настоящему времени по обоим направлениям достигнуты определённые результаты. В числе достоинств первого подхода следует назвать его безусловную эффективность – удаляется до 90-95% серы – возможность применения практически вне зависимости от вида топлива. К недостаткам следует отнести большие капиталовложения. Энергетические потери для ТЭС, связанные с сероочисткой, ориентировочно составляют 3-7%. Основным преимуществом второго пути является то, что очистка осуществляется независимо от режимов работы ТЭС, в то время как установки по сероочистке дымовых газов резко ухудшают экономические показатели электростанций за счёт того, что большую часть времени вынуждены работать в нерасчётном режиме. Установки же по сероочистке топлив можно всегда использовать в номинальном режиме, складируя очищенное топливо.

Проблема снижения выбросов окислов азота ТЭС серьёзно рассматривается  с конца 60-х годов. В настоящее  время по этому вопросу уже  накоплен определённый опыт. Можно  назвать следующие методы: 
1) уменьшение коэффициента избытка воздуха (так можно добиться снижения содержания окислов азота на 25-30%, уменьшив коэффициент избытка воздуха 
(?) с 1,15 - 1,20 до 1,03); 
2) улавливание окислов с последующей переработкой в товарные продукты; 
3) разрушение окислов до нетоксичных составляющих.

Для уменьшения концентрации вредных соединений в приземном  слое воздуха котельные ТЭС оборудуют  высокими, до 100-200 и более метров, дымовыми трубами. Но это приводит также  к увеличению площади их рассеивания. В результате крупными промышленными  центрами образуются загрязнённые области  протяженностью в десятки, а при  устойчивом ветре – в сотни  километров.

III. Гидравлические электростанции

Несомненно, по сравнению  с электростанциями, работающими  на органическом топливе, более чистыми  с экологической точки зрения являются электростанции, использующие гидроресурсы: отсутствуют выбросы  в атмосферу золы, оксидов серы и азота. Это важно, поскольку  ГЭС довольно распространены и находятся  на втором месте после ТЭС по выработке  электроэнергии (диаграмма №1). Обострение экологической ситуации, как в  мире, так и в нашей стране, к началу 90-х годов послужило  поводом для возобновления дискуссий  по проблемам экологии в гидроэнергетике. В нашей стране приоритет охраны окружающей среды был признан  на Всесоюзном научно- техническом  совещании «Будущее гидроэнергетики. Основные направления создания гидроэлектростанций нового поколения» (1991 год). Наиболее резко прозвучали вопросы создания высоконапорных ГЭС с крупными водохранилищами, затопления земель, качества воды, сохранения флоры и фауны.

Действительно, работа данного  типа электростанций также сопряжена  со значительными отрицательными изменениями  в окружающей среде, которые связаны  с созданием плотин и водохранилищ. Многие изменения приходят к равновесию с окружающей средой через длительное время, что затрудняет прогноз возможного влияния на окружающую среду новых  электростанций.

[pic]

Создание ГЭС связано  с затоплением земельных ресурсов. Всего в настоящее время в  мире затоплено более 350 тыс. кмІ. В это число входят земельные площади, пригодные для сельскохозяйственного использования. Перед затоплением земель не всегда проводится лесоочистка, поэтому оставшийся лес медленно разлагается, образуя фенолы, тем самым, загрязняя водохранилище. 
Кроме того, в прибрежной полосе водохранилища меняется уровень грунтовых вод, что приводит к заболачиванию местности и исключает использование этой местности в качестве сельскохозяйственных угодий.

Большие амплитуды колебаний  уровней воды на некоторых водохранилищах неблагоприятно сказываются на воспроизводстве  рыбы; плотины преграждают путь (на нерест) проходным рыбам; на некоторых  водохранилищах развиваются процессы эвтрофирования, в основном обусловленные сбросом в реки и водоёмы сточных вод, содержащих большое количество биогенных элементов. 
Биологическая продуктивность водохранилищ увеличивается при попадании в них с речной водой биогенных элементов (азота, фосфора, калия). Вследствие этого в водоёмах усиленно развиваются сине-зеленые водоросли, происходит т.н. цветение воды. На окисление обильно отмирающих водорослей расходуется большое количество растворённого в воде кислорода, в анаэробных условиях из их белка выделяется ядовитый сероводород, и вода становится мёртвой. Этот процесс развивается сначала в придонных слоях воды, затем постепенно захватывает большие водные массы – происходит эвтрофирование водоёма. Такая вода непригодна для водоснабжения, в ней резко снижается рыбная продуктивность. Интенсивность развития процесса эвтрофирования зависит от степени проточности водоёма и от его глубины. Как правило, самоочищение воды в озёрах и водохранилищах происходит медленнее, чем в реках, поэтому по мере роста числа водохранилищ на реке её самоочищающая способность уменьшается.

Для ГЭС характерно изменение  гидрологического режима рек – происходит изменение и перераспределение  стока, изменение уровневого режима, изменение режимов течений, волнового, термического и ледового. Скорости течения воды могут уменьшаться  в десятки раз, а в отдельных  зонах водохранилища могут возникать  полностью застойные участки. Специфичны изменения термического режима водных масс водохранилища, который отличается как от речного, так и от озёрного. Изменение ледового режима выражается в сдвиге сроков ледостава, увеличении толщины ледяного покрова водохранилища на 15-20%, в то время как у водосливов образуются полыньи. Изменяется тепловой режим в нижнем бьефе: осенью поступает более тёплая вода, нагретая в водохранилище за лето, а весной – холоднее на 2-4єC в результате охлаждения в зимние месяцы. Эти отклонения от естественных условий распространяются на сотни километров от плотины электростанции.

Изменение гидрологического режима и затопление территорий вызывает изменение гидрохимического режима водных масс. В верхнем бьефе массы  воды насыщаются органическими веществами, поступающими с речным стоком и вымываемыми  из затопленных почв, а в нижнем – обедняются, т.к. минеральные вещества из-за малых скоростей течения  осаждаются на дно. Так, в результате регулирования стока Волги поступление  минеральных веществ в Каспийское море сократилось почти в три  раза. Резко изменились условия стока  Дона в 
Азовское море, что вызвало изменение водообмена Азовского и Чёрного морей и изменение солевого состава Азовского моря.

Как в верхнем, так и  в нижнем бьефе изменяется газовый  состав и газообмен воды. В результате изменения русловых режимов в  водохранилищах образуются наносы.

Создание водохранилищ может  вызвать землетрясения даже в  асейсмичных районах из-за просачивания воды в границы разломов. Подтверждением этому служат землетрясения в долинах рек Миссисипи, Чайры (Индия) др.

Урон, наносимый ГЭС, во многом можно уменьшить или компенсировать. 
Эффективным способом уменьшения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилищ. Несмотря на снижение энергетических показателей, низконапорные гидроузлы, обеспечивающие минимальное затопление земель, лежат в основе всех современных разработок. Затопление земель также компенсируется культивацией почв в других районах и повышением рыбной продуктивности водохранилищ. Ведь с каждого гектара акватории можно получать больше животного белка, чем с сельскохозяйственных угодий. Для достижения этого служат рыбные заводы. Также следует уменьшать площадь затопляемой земли на единицу создаваемой мощности. Для облегчения прохода рыбы через сооружения гидроузла изучают поведение рыб у гидротехнических сооружений, их отношение к потоку и температуре воды, к рельефу дна и освещённости; создают рыбопропускные шлюзы – с помощью специальных приспособлений её привлекают в рыбонакопитель, а затем из предплотинных участков реки переводят в водохранилище. Радикальным же способом предупреждения эвтрофирования водоёмов является прекращение сброса сточных вод.

IV. Атомные электростанции

Иллюзия о безопасности атомной  энергетики была разрушена после

нескольких больших аварий в Великобритании, США и СССР, апофеозом

которых стала катастрофа на чернобыльской АЭС. В эпицентре аварии уровень загрязнения был настолько высок, что население ряда районов пришлось эвакуировать, а почвы, поверхностные воды, растительный покров оказались радиоактивно зараженными на многие десятилетия. Всё это обострило понимание того, что мирный атом требует особого подхода.

Однако опасность атомной  энергетики лежит не только в сфере  аварий и катастроф. Даже когда АЭС  работает нормально, она обязательно  выбрасывает изрядное количество радиоактивных  изотопов (углерод-14, криптон-85, стронций-90, йод-129 и 131). Нужно отметить, что состав радиоактивных отходов и их активность зависят от типа и конструкции  реактора, от вида ядерного горючего и  теплоносителя. Так, в выбросах водоохлаждаемых реакторов превалируют радиоизотопы криптона и ксенона, в графитогазовых реакторах – радиоизотопы криптона, ксенона, йода и цезия, в натриевых быстрых реакторах – инертные газы, йод и цезий.

[pic]

Рис. 3. Влияния АЭС на окружающую среду

Обычно, когда говорят  о радиационном загрязнении, имеют  в виду гамма- излучение, легко улавливаемое счетчиками Гейгера и дозиметрами  на их основе. В то же время есть немало бета-излучателей, которые плохо обнаруживаются существующими массовыми приборами. Также как радиоактивный йод концентрируется в щитовидной железе, вызывая ее поражение, радиоизотопы инертных газов, в 70-е годы считавшиеся абсолютно безвредными для всего живого, накапливаются в некоторых клеточных структурах растений 
(хлоропластах, митохондриях и клеточных мембранах). Одним из основных выбрасываемых инертных газов является криптон-85. Количество криптона-85 в атмосфере (в основном за счет работы АЭС) увеличивается на 5 % в год. Еще один радиоактивный изотоп, не улавливаемый никакими фильтрами и в больших количествах производимый всякой АЭС – углерод-14. Есть основания предполагать, что накопление углерода-14 в атмосфере (в виде CO2) ведет к резкому замедлению роста деревьев. Сейчас в составе атмосферы количество углерода-14 увеличено на 25% по сравнению с доатомной эрой.

Важной особенностью возможного воздействия АЭС на окружающую среду  является необходимость демонтажа  и захоронения элементов оборудования, обладающих радиоактивностью, по окончании  срока службы или по другим причинам. До настоящего времени такие операции производились лишь на нескольких экспериментальных  установках.

При нормальной работе в  окружающую среду попадают лишь немногие ядра газообразных и летучих элементов  типа криптона, ксенона, йода. Расчёты  показывают, что даже при увеличении мощностей атомной энергетики в 40 раз её вклад в глобальное радиоактивное  загрязнение составит не более 1% от уровня естественной радиации на планете.

На электростанциях с  кипящими реакторами (одноконтурными) большая часть радиоактивных  летучих веществ выделяется из теплоносителя  в конденсаторах турбин, откуда вместе с газами радиолиза воды выбрасываются эжекторами в виде парогазовой смеси в специальные камеры, боксы или газгольдеры выдержки для первичной обработки или сжигания. Остальная часть газообразных изотопов выделяется при дезактивации растворов в баках выдержки.

На электростанциях с  реакторами, охлаждаемыми водой под  давлением, газообразные радиоактивные  отходы выделяются в баках выдержки.

Газообразные и аэрозольные  отходы из монтажных пространств, боксов парогенераторов и насосов, защитных кожухов оборудования, ёмкостей с  жидкими отходами выводятся с  помощью вентиляционных систем с  соблюдением нормативов по выбросу  радиоактивных веществ. Воздушные  потоки из вентиляторов очищаются от большей части аэрозолей на тканевых, волокнистых, зерновых и керамических фильтрах. Перед выбросом в вентиляционную трубу воздух проходит через газовые  отстойники, в которых происходит распад короткоживущих изотопов (азота, аргона, хлора и др.).