MASZYNY I URZ
5. Turbina kondensacyjna
5.2. Technologia wykonania
PodwyĪszenie temperatury pary kierowanej do turbiny do wartoĞci przekra-czających 700q C wymaga zastosowania do produkcji elementów turbin stopów niklowych. Nie tylko podwyĪszona temperatura ma istotne znaczenie przy do-borze materiaáu, lecz takĪe podwyĪszenie ciĞnienia. Ta kombinacja wzrostu parametrów stanowi znaczne wyzwanie technologiczne i konstrukcyjne.
PrzejĞcie ze stopów wysokochromowych na stopy niklowe w konstrukcji turbin wiąĪe siĊ nie tylko z zastąpieniem w konstrukcji jednego materiaáu in-nym, lecz równieĪ wymaga wprowadzenia zmian konstrukcyjnych.
114 114
Maszyny i urządzenia dla bloku wĊglowego… 115
Podstawowym problemem dla wykonania elementów turbiny oprócz propozycji nowego stopu jest opanowanie technologii wykonania z tego materiaáu elementów, które moĪna zastosowaü w turbinach. Wymagane jest opanowanie technologii odlewania oraz kucia duĪych wlewków. W technologii odlewania istotne jest opanowanie technologii wykonania elementów kadáuba turbiny lub zaworów.
Zastosowanie technologii spawania przy wytwarzaniu wirników i kadáubów turbin jest brane pod uwagĊ przez wszystkich producentów turbin. Zakáada siĊ, Īe wirnik bĊdzie wykonany z kilku czĊĞci. W tym celu konieczne jest opanowanie technologii spawania elementów wykonanych ze stopu niklu oraz technologii poáączenia spawanego miĊdzy stopem niklu i Īarowytrzymaáą stalą ferrytyczną. CzĊĞü naraĪona na wysoką temperaturĊ bĊdzie wykonana ze stopu niklowego.
W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych turbiny wprowadzana jest technologia cháodzenia.
Pompy wody zasilającej
W obliczeniach koncepcyjnego bloku parowego na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary przyjĊto, Īe sprawnoĞü wewnĊtrzna pompy wynosi 85%, a sprawnoĞü mechaniczna 99% i uzyskano nastĊpujące wyniki: moc mechaniczna pompy: 31,4 MW
strumieĔ wody zasilającej: 578,4 kg/s (~2082 t/h) ciĞnienie na wylocie: 41,2 MPa
Ponadto zaáoĪono napĊd elektryczny pomp. Opierając siĊ na doĞwiadczeniach projektowych bloków na parametry ultra-nadkrytyczne, gdzie wymagane parametry wody zasilającej są zbliĪone do podanych powyĪej, konieczne staje siĊ zainstalowanie w ukáadzie co najmniej 2 pomp wody zasilającej o napĊdzie elektrycznym.
6. SprĊĪarki CO
2Charakterystyka koncepcyjnego bloku wĊglowego na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary zakáada dodatkowo wychwyt oraz sprĊĪanie dwutlenku wĊgla powstaáego w procesie spalania. Projekt referencyjny stacji sprĊĪarek zakáada:
sprĊĪanie CO2: do 15,3 MPa
strumieĔ pary do instalacji separacji CO2: 205,5 kg/s (51,7% strumienia wylotowego z turbiny SP)
strumieĔ wychwyconego CO2: 147 kg/s
W chwili obecnej w ofercie produkcyjnej firm sprĊĪarkowych brak jest gotowych konfiguracji wysokoprĊĪnych sprĊĪarek do sprĊĪania CO2
speániających warunki projektu. Przykáady rozwiązaĔ konstrukcyjnych róĪnych
115 115
116 Krystian Smoáka et al.
firm wykonane dla potrzeb indywidualnych kontrahentów potwierdzają moĪli-moĪliwoĞci produkcyjne stacji sprĊĪarek do wysokociĞnieniowego sprĊĪania CO2 speániające wymogi bloku referencyjnego:
a) wielostopniowe sprĊĪarki promieniowe (Dresser-Rand Company, Olean NY 14760)
b) wielostopniowe zintegrowane sprĊĪarki przekáadniowe (MAN Turbo AG, Siemens Turbocompressors, General Electric)
7. Podsumowanie
W rozdziale przestawiono opracowane analizy moĪliwoĞci dostawy kotáa, turbiny, pomp oraz wentylatorów i sprĊĪarek dla bloku wĊglowego na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary. Z przeprowadzonych analiz wynika, iĪ obecnie nie jest moĪliwa budowa elektrowni parowej na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary, która charakteryzowaáaby siĊ odpowiednią niezawodnoĞcią.
Jak wynika z przeprowadzonych analiz gáównym elementem hamującym budowĊ elektrowni kondensacyjnej na najwyĪsze parametry pary jest rozwój materiaáów konstrukcyjnych. Od rozwoju stopów na bazie niklu jest silnie zaleĪna budowa kotáa wytwarzającego parĊ ĞwieĪą o parametrach 35 MPa i 700q°C oraz turbiny pracującej z parą o tak wysokich parametrach.
WiĊkszoĞü programów badawczych prowadzonych na caáym Ğwiecie zakoĔczyáa juĪ testy laboratoryjne nowych rodzajów stali oraz krótkotrwaáe testy w pracujących kotáach. Testy te potwierdzają prognozowane wczeĞniej wartoĞci wytrzymaáoĞci na peázanie czy korozjĊ wysokotemperaturową, jednak, aby w peáni moĪna byáo zastosowaü je do budowy kotáa na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary muszą siĊ jeszcze z powodzeniem zakoĔczyü dáugoterminowe badania stopów inconelowych oraz naleĪy w peáni opanowaü technologie wykonania z tych materiaáów elementów, które moĪna zastosowaü w kotáach. Podobnie, aby byáa moĪliwa budowa turbiny parowej na zaawansowane ultra-nadkrytyczne parametry pary konieczne staje siĊ opanowanie technologii odlewania oraz kucia duĪych wlewków ze stopów niklowych kandydujących do budowy turbiny oraz technologii spawania duĪych elementów, takich jak wirnik turbiny, a takĪe z powodzeniem muszą siĊ zakoĔczyü dáugoterminowe testy materiaáowe.
116 116
Maszyny i urządzenia dla bloku wĊglowego… 117
PODZIĉKOWANIA
Przedstawione w rozdziale wyniki zostaáy uzyskane w badaniach wspóáfinansowanych przez Narodowe Centrum BadaĔ i Rozwoju w ramach umowy SP/E/1/67484/10 – Strategiczny Program Badawczy – Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków wĊglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin.
Literatura
[1] Fukuda M.: A-USC Technology Development Project in Japan, IEA Clean Coal Centre Work-shop: Advanced ultrasupercritical coal-fired power plants Vienna, Austria: 19-20 September 2012.
[2] Gibbons T. B.: Recent Advances in Steels for Coal Fired Power Plant: A Review, Trans Indian Inst Met (October–December 2013) 66(5–6):631–640.
[3] Raport wewnĊtrzny z Etapu 17-IV.2 Analizy optymalizacyjne i badania przygotowujące do wprowadzenia do polskiej energetyki bloku 50+; Temat IV.2.1.2 Optymalizacja struktury tech-nologicznej bloku dla polskiej sytuacji paliwowej; IV.2.1.5 Analiza z punktu widzenia maszyn i urządzeĔ.
[4] Raport wewnĊtrzny z Etapu 25-VI.1 Opracowanie optymalnych konfiguracji integracji technolo-gii wychwytu CO2 metodami absorpcji chemicznej z instalacjami siáowni cieplnych (elektrowni i elektrociepáowni); Temat VI.1.6. Proces sprĊĪania CO2. Optymalizacja termodynamiczna i sys-temowa dla róĪnych klas technologii wychwytu i komplikacji obiegu; VI.1.6b. Opracowanie pro-jektu referencyjnego stacji sprĊĪarek CO2.
[5] Shingledecker J., Hendrix H., Phillips J., Siefert J., Purgert R., Rawls P.: 1 U.S. Program on Advanced Ultrasupercritical Power Plant Materials – The Economy of Using Advanced Alloys, IEA Clean Coal Centre Workshop: Advanced ultrasupercritical coal-fired power plants Vienna, Austria: 19-20 September 2012.
[6] Steain-Brzozowska G., Florez D. M., Maier J., Scheffknecht G.: Nickel-base superalloys for ultra-supercritical coal-fired power plants: Fireside corrosion. Laboratory studies and power plant exposures, Fuel 108 (2013) 521-533.
[7] Stolzenberger Ch.: AD700 – Advanced (700ºC) PF Power Plant”, Milan 2005.
[8] Topper J.: Status of Coal Fired Power Plants World-Wide.
[9] Viswanathan V., Purgert R., Rawls P.: Coal-Fired Power Materials.
[10] Weitzel P.S., A Steam Generator for 700C TO 760C Advanced Ultra-Supercritical Design and Plant Arrangement: What Stays the Same and What Needs to Change, Technical Paper BR-1896, The Seventh International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants, October 22-25, 2013, Hawaii, U.S.A.
117 117