(kotłów, turbin, generatorów, urządzeń pomocniczych bloków
wpływających na wielkość potrzeb własnych) - przykłady
94
Wybrane cechy konstrukcyjne kotła CFB 900 MW (źródło: Foster Wheeler):
Nowy typ separatora,
Dwustopniowy INTREX
Rozdzielony kanał nawrotny materiału złoża,
Zmieniony układ zasilania paliwem uwzględniający podział kanału nawrotnego materiału złoża,
Zintegrowany zespół – separatory, ściany zewnętrzne, INTREX,
Separatory wraz z kanałem nawrotowym tworzą oddzielne pary,
Nowy system zawieszenia komory paleniskowej.
Poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin odlotowych z kotła do suszenia węgla brunatnego (o składzie wyjściowym podanym w tab. 1 –wiersz 1), zmniejszył się udział wilgoci w paliwie z 52,1 do 48,7%. Zmniejszenie udziału wilgoci w paliwie spowodowało zwiększenie jego wartości opałowej z 7962 do 8715 kJ/kg.
Ponadto część ciepła została wykorzystana do podgrzania węgla kierowanego do kotła i tym samym zwiększona została entalpia fizyczna paliwa.
Uzyskany w wyniku suszenia węgla wzrost sprawności kotła wyniósł 3,33 punktu procentowego, co spowodowało przyrost sprawności bloku o 1,68 punktu procentowego w
porównaniu do układu wyjściowego. W przypadku zastosowania młyna
elektromagnetycznego analiza wykazała wzrost sprawności koła a tym samym bloku, wartość przyrostu zależy od udziału suszonego paliwa.
Analiza wykazała, że możliwe są do uzyskania przyrosty sprawności bloku nawet powyżej 2 punktów procentowych (w przypadku 30% udziału suszenia węgla). Wyniki te wskazują, że spośród różnych metod wykorzystania niskotemperaturowego ciepła ze spalin wylotowych z kotła, suszenie węgla jest najbardziej efektywnym sposobem podnoszenia sprawności bloku.
Tabela 61 Budowa nowych bloków energetycznych w Niemczech w latach 2009-2012 (źródło: RWE A.G informacja konferencja Kraków 2013)
Siłownie Firma Moc
MW
Parametry pary Rok Uruchomienia Neurath RWE 2 x 1000 270/600/610 2009/2010 Boxberg R Vattenfall 670 286/600/610 2010 Moorburg Vattenfall 2 x 820 276/600/610 2010 Datteln E.ON 1100 286/600/620 2011 Walsum STEAG 790 274/603/621 2010 Karlsruhe EnBW 820 250/600/620 2011 Hamm RWE 800 286/600/620 2012
W Unii Europejskiej 50% energii elektrycznej wytwarza się z węgla i gazu, które z całą pewnością pozostaną ważnymi źródłami energii. Istnieją znaczne długoterminowe rezerwy tych zasobów. Jednak węgiel powoduje w przybliżeniu dwa razy więcej emisji CO2
niż gaz dla tej samej ilości wyprodukowanej energii. Jeśli regulacje UE pozostaną tak ambitne jak są teraz to konieczne będzie wdrożenie czystszych sposobów wytwarzania energii z węgla oraz ograniczenie emisji CO2.
95
Opracowanie czystych metod wytwarzania energii z węgla oraz wychwytywania i składowania dwutlenku węgla ma ponadto zasadnicze znaczenie na poziomie międzynarodowym: zdaniem IEA w 2030 r. z węgla na świecie wytwarzać się będzie dwa razy więcej energii elektrycznej niż obecnie.
Może to prowadzić do dodatkowej emisji ok. 5 mld ton CO2, co stanowi 40% spodziewanego globalnego wzrostu emisji dwutlenku węgla z sektora energetyki. Oprócz europejskiego strategicznego planu w dziedzinie technologii energetycznych konieczne będą również inne działania zmierzające do zintensyfikowania międzynarodowych wysiłków i badań w zakresie wychwytywania i składowania tegoż dwutlenku węgla.
Następnym krokiem w rozwoju jest przejście do parametrów 36Mpa/700/720 C. Opanowanie tak wysokiej temperatury umożliwi uzyskanie sprawności netto przekraczającej 50%. Stan zaawansowania badań materiałowych oraz prac technologicznych pozwoliłby uruchomić instalację demonstracyjną około 2016 r.( nikt jednak takiej instalacji obecnie nie buduje)
Tendencje w zakresie projektowania nowych siłowni energetycznych są (a przynajmniej powinny być) wynikiem analiz ekonomicznych i technologicznych, w tym i materiałowych. Negatywne doświadczenia niemieckie w stosowaniu stali T-24 (stali bainitycznej 7CrMoVTiB10-10), zahamowało zbyt wielkie tempo zmian technologii i pęd do osiągnięcia temperatury pary na wyjściu z kotła równej 700 stopni C. Poniżej zalety i wady różnych technologii w energetyce.
Tabela 62 Zalety i wady różnych źródeł energii elektrycznej (źródło: CIRE.pl)
Źródła energii Udział poszczególnych źródeł W rynku UE-25 Cena rynkowa (EUR za tonę ekwiwalentu ropy) Koszt w cyklu życiowym (EUR za tonę ekwiwalentu ropy) Poziomy emisji gazów cieplarnianych (ton CO2 na tonę ekwiwalentu ropy) Zależność UE-27 od importu 2005 2030 Paliwa kopalne Grzewcz y olej opałowy 20% 525 (0,45 EUR/l) 300-1300 3,1 82% 93% Gaz ziemny 33% 230 – 340 (20-30 EUR/MWh) 2,1 57% 84% Węgiel 1.8% 70 4 39% 59% Biomasa Wióry drzewne 5,7% 280 545-1300 0,4 0 ? Granulat drzewny 540 630-1300 0,4 0 ? Energia elektryczna 31% 550 - 660 (50-60 EUR/MWh) 550 - 660 0 do 12 <1% ?
Energia słoneczna 0,2% / 680-2320 Bardzo niski 0 0
Energia
96
Tabela 63 Koszty redukcji CO2, wynikających z polityki energetyczno-klimatycznej (źródło: Politechnika Wrocławska Szalbierz, Malko, Raport 2030 dla PKEE, 2008r.)
Instrument 2010 2015 2020 2025 2030 System EU ETS (20 Euro/t) 12 13 13 22 69 Modyfikacja EU ETS (40 Euro/t + aukcja) 117 165 132 115 153
Nowe cele RES (15%) - 208 288 278 238
Cały pakiet KE z 2008 r. 149 191 243 220 210
W wartościach bezwzględnych polityka klimatyczna UE kosztować ma Polskę ok. 2 mld zł/rok od roku 2016, rosnące do poziomu 8-12 mld zł/rok w latach 2020-2030.
Tabela 64 Siłownie kondensacyjne, kierunki wzrostu sprawności III (źródło: Politechnika Wrocławska Szalbierz, Malko)
Wielkości Jedn. Parametry
27,5 MPa/ 560oC/ 580oC 27,5Mpa/ 560oC/ 580oC 27,5 MPa/ 580oC/ 600oC 27,5 MPa/ 600oC/ 620oC p01 MPa 27,5 27,5 27,5 27,5 t01 oC 560 560 580 600 t02 oC 580 580 600 620 t78 oC 290 290 290 290 p14 MPa 0,006 0,005 0,005 0,005 Tin K 675,4 675,4 682,18 688,8 Tout K 309,37 306,1 306,1 306,1 ŋc % 64,12 64,12 64,94 65,73 Ŋc % 54,19 54,68 55,13 55,56 ŋo % 48,81 49,28 49,76 50,21 ŋc/ ŋc - 0,8452 0,8527 0,8489 0,8452 (ŋc- ŋo)/ ŋc - 0,0993 0,0987 0,0974 0,0963 1 2 3 4
Wykorzystanie obecnie dostępnych materiałów oraz optymalizacja obiegu cieplnego umożliwiają uzyskanie sprawności rzędu 45-46,5 (dla bloków z mokrymi chłodniami kominowymi, Ogólnie rzecz biorąc zmiennymi decyzyjnymi w procesie wyboru sprawności są: graniczne wartości parametrów pary, prognozowane ceny paliw, oraz konkurencyjność ekonomiczna i ekologiczna. W pierwszym przypadku dobór sprawności opieramy na przyjęciu dopuszczalnych parametrów pary i analizie parametrycznej obiegu cieplnego z uwzględnieniem różnych koncepcji doskonalących obieg.
97 Obieg Braytona u góry i obieg Clausiusa-Rankina u dołu
Rysunek 49 Siłownie kondensacyjne - współczesny przykład układu technologicznego (obieg gazowo-parowy) III (źródło: Politechnika Wrocławska)
Obieg Clausiusa-Rankina
Obieg Braytona
98
Rysunek 50 Schemat układu gazowo-parowego na paliwo stałe gazogeneratorem Texaco-GE (źródło: Politechnika Wrocławska)
Rysunek 51 Przewidywane wzrosty sprawności technologii IGSS źródło: Politechnika Wrocławska)
99
Rysunek 52 Schemat obiegu w elektrowni parowo gazowej (z kotłem odzysknicowym) (źródło: Politechnika Wrocławska)
Rysunek 53 Schemat ideowy – zasada działania układu gazowo-parowego na paliwo stałe (źródło: Politechnika Wrocławska)
Czynnik Zgazowujący
100
Rysunek 54 Przykładowe rozwiązanie techniczne turbiny gazowej (źródło: Politechnika Wrocławska)
101
5.3 Karnotyzacja obiegu Clausiusa-Rankine'a
5.3.1 Sprawność cyklu
Dla układu tego definiuje się sprawność, jako stosunek pracy wykonanej do ilości ciepła pobranego ze źródła ciepła.
Wzór powyższy wyprowadzony przez Carnota określa, że sprawność cyklu nie zależy od czynnika roboczego, ani sposobu realizacji, a zależy tylko od temperatur źródła ciepła i chłodnicy.
Warto zwrócić uwagę na to, że sprawność silnika pracującego w temperaturach T1=373 K (temperatura wrzenia wody) i T2=300K (temp. pokojowa) wynosi około 20%.
Carnot udowodnił też, że dowolny odwracalny cykl zamknięty, w którym podczas pobierania ciepła układ ma temperaturę mniejszą od Tmax a podczas oddawania ciepła większą od Tmin
ma sprawność mniejszą od cyklu Carnota opartego o temperatury Tmax i Tmin. Dlatego często sprawność silników termodynamicznych określa się w odniesieniu do cyklu Carnota zwanego silnikiem idealnym.
Cykl Carnota jest odwracalny i może przebiegać w odwrotnym kierunku (zamienione sprężanie z rozprężaniem) wówczas układ przekazuje energię cieplną od ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze. Układ taki nazywany jest pompą ciepła (lub cieplną) i pracuje on kosztem wykonywania pracy nad nim. Sprawność cyklu Carnota określa też parametry idealnej pompy cieplnej działającej przy zadanych temperaturach. Rzeczywiste pompy cieplne mają sprawność mniejszą od cyklu Carnota.
5.3.2 Podnoszenie sprawności obiegu Rankine'a
5.3.2.1 Przegrzew wtórny
W tym przypadku para po opuszczeniu wysokoprężnej części turbiny kierowana jest z powrotem do kotła do ponownego przegrzania. Pozwala to na zapobieganie skraplania się pary wodnej wewnątrz turbiny i zwiększa jej żywotność (jak widać na wykresach T-s i p-v, podczas rozprężania pary (przemiana 1-2) następuje przekroczenie linii nasycenia pary wodnej i wejście w obszar pary wilgotnej, a więc mieszaniny pary wodnej i wody w fazie ciekłej - przegrzew wtórny powoduje przesunięcie na wykresie T-s "w prawo" rozprężania i pozwala na uniknięcie lub opóźnienie wejścia w obszar pary wilgotnej).
102
Jednocześnie powoduje zwiększenie średniej temperatury przekazywania ciepła do czynnika w obiegu, od której to temperatury zależy sprawność (podobnie jak od temperatury dostarczania ciepła w obiegu Carnota).
5.3.2.2 Regeneracja ciepła
Regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych polega na zachowaniu pewnej ilości ciepła wewnątrz obiegu, które bez regeneracji byłoby wyrzucone do otoczenia.
W siłowni parowej (a więc i w obiegu Rankine'a) ciepłem tym jest ciepło skraplania pary wodnej. Część strumienia pary, po rozprężeniu w pewnej ilości stopni turbiny, odprowadzana jest do wymiennika regeneracyjnego. Całe ciepło (a dokładniej entalpia) tej części strumienia pary wykorzystane zostaje do podgrzania kondensatu, dzięki czemu w kotle spalana jest mniejsza ilość paliwa.
Regeneracyjny podgrzew wody zasilającej kocioł realizowany jest zwykle w kilku wymiennikach, dzięki czemu minimalizowane są straty egzergii. Ilość wymienników zależna jest od wielkości bloku energetycznego, i wynosi zwykle od kilku do kilkunastu. Część wymienników umieszczona jest przed pompą zasilającą (wymienniki niskoprężne), a część za (wymienniki wysokoprężne). Nazwa pochodzi oczywiście od ciśnienia panującego po stronie kondensatu.
Regeneracja ciepła obiegu Rankine'a prowadzi do wzrostu sprawności termicznej obiegu o kilka do kilkunastu procent, w zależności od ilości wymienników i wielkości ciepła wykorzystanego do regeneracji. Zastosowanie w układach rzeczywistych siłowni regeneracji ciepła prowadzi do komplikacji układu i wzrostu kosztów inwestycyjnych. Jednak korzyści wynikające ze wzrostu sprawności netto elektrowni powodują, że regeneracja ciepła była, jest i będzie stosowana, a jej znaczenie stale wzrasta.