Prof. dr hab. inż. W ojciech N ow ak
A kadem ia G órniczo-H utnicza im. Stanisław a Staszica W ydział Energetyki i Paliw
Al. A. M ickiew icza 30 30-059 K raków
R ecenzja
pracy doktorskiej m gr inż. G rzegorza N ow aka
„O ptym alizacja struk tury system u pom iarow ego parow ego bloku
energetycznego w technologii spalania tlenow ego z w ykorzystaniem
rachunku w yrów n aw czego”
W stęp
Recenzję pracy doktorskiej opracow ano na podstaw ie pism a R IE-B D /4/189/2104/2015 na podstaw ie uchw ały Rady W ydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w G liw icach z 29.01.2015 r.
Z asadność tem atyki
Technologia spalania w ęgla w tlenie zintegrow ana z w ychwytem , transportem i składow aniem dw utlenku w ęgla to nowy kierunek badaw czy w energetyce realizow any w kraju w ram ach Program u Strategicznego N C B iR .Z aaw an sow an e technologie pozyskiw ania en erg ii' w ram ach Zadania 2 ..O pracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłow ych i flu id aln ych zintegrowanych z wychwytem CO]'.
W ram ach Program u Strategicznego szeroko dyskutow ane były trzy opcje technologiczne realizacji spalania tlenow ego (Oxy), m ianow icie w układach z kotłem pyłow ym (PC), fluidalnym (CFB) oraz reaktorem ciśnieniow ym (PCFB). Zdobyta, w okresie 5 lat trw ania projektu, w iedza i dośw iadczenie pozw ala stw ierdzić, że technologia Oxy-PC idealnie nadaje się do retrofitu istniejących bloków energetycznych, zw łaszcza bloków klasy 200M W e, które
w polskich w arunkach w ym agają pilnej m odernizacji i dostosow ania ich do zaostrzających się w ym ogów ochrony środowiska. Technologia Oxy-CFB preferow ana byłaby natom iast w przypadku zastosow ania paliw gorszej jakości, m ieszanek różnych paliw, w tym rów nież spalania osadów ściekow ych czy odpadów komunalnych. Obie technologie na etapie projektow ania w ym agają narzędzi pozw alających na optym alny w ybór najbardziej sprawnego układu technologicznego.
Celem prac realizow anych w ram ach zadania był więc w ybór oraz opracow anie optym alnych w ytycznych procesow ych i projektow ych dla układów oxy-spalania węgla, stanow iących podstaw ę do budow y w Polsce instalacji dem onstracyjnych, stw orzenie konkurencyjnego na rynku m iędzynarodow ym banku w iedzy naukowej i procesowej oraz budow a krajowego know -how w zakresie technologii oxy-spalania węgla, przygotow anie kadry naukowo- inżynierskiej oraz zaplecza badaw czego dla w sparcia sektora przem ysłowego na etapie projektow ania, realizacji inw estycji oraz eksploatacji kom ercyjnych instalacji w ykorzystujących procesy oxy-spalania.
Przeprow adzone sym ulacje num eryczne oparte na danych eksperym entalnych dostarczonych z instalacji pilotow ych pokazują, że zarów no technologia PC ja k i CFB um ożliw iają praktycznie bezpośrednie skojarzenie z technologią spalania tlenow ego, bez znaczącej ingerencji w budowę kotła. Istotnym elem entem technologiczny, zw łaszcza na etapie projektow ania je st opracow anie optym alnej struktury system u pom iarowego parowego bloku energetycznego w technologii spalania tlenow ego. Jedną z m etod takiej optym alizacji je st m etoda rachunku w yrównaw czego.
To zadanie zrealizow ane zostało w ram ach przedstaw ion ej do recenzji rozprawy doktorskiej. Tematyka rozpraw y doktorskiej wiąże się bezpośrednio z obserwowanym od wielu lat dynam icznym rozw ojem technologii spalania tlenowego. Problem naukowy został postaw ion y popraw n ie za pośrednictw em sform ułowanych celów rozprawy. Cel ja k i zakres p ra cy adekw atnie wynikają z przeprow adzon ej analizy literatury przedm iotu oraz postaw ion ego problem u przez A utora.
Praca została podzielona na pięć rozdziałów . Rozdział 1 zestaw ia główne i szczegółow e zagadnienia i cele badaw cze pracy. W Rozdziale 2 A utor om aw ia systemy pom iarowe, zagadnienie optym alizacji i rachunku w yrów naw czego oraz technologię spalania tlenow ego.
Rozdział 3 pośw ięcony je st m odelom sym ulacyjnym układu spalania tlenow ego, które A utor w ykorzystał w obliczeniach sym ulacyjnych - Therm oflex oraz A spenPlus, natom iast Rozdział 4 pośw ięcony je st m etodyce lokalizacji pom iarów nadm iarow ych przy w ykorzystaniu rachunku w yrów naw czego.
Po doborze układu równań w arunków zadania w yrów naw czego układu cieplnego bloku i funkcji celu zadania optym alizacyjnego w Rozdziale 6 pokazano wyniki m odelow ania sym ulacyjnego i optym alizacji lokalizacji nadm iarow ych pomiarów.
R ozpraw a kończy się podsum ow aniem i w nioskam i zaw artym i w Rozdziale 6 oraz spisem literatury. Spis literatury zaw iera 82 pozycje literaturowe. W załącznikach A utor zawarł schem at m odelu sym ulacyjnego oraz szczegółow e wyniki obliczeń w technologii spalania pow ietrznego, tlenow ego pierw szej i drugiej generacji
W w ykazie publikacji A utor zam ieścił 5 swoich publikacji ściśle zw iązanych z pracą doktorską. Publikacje te ukazały się w recenzow anych artykułach konferencyjnych o w ym iarze m iędzynarodow ym .
E lem enty oryginalności pracy
Za najw ażniejsze w alory naukow e pracy w aspekcie naukow ym uważam:
• opracow anie sym ulacyjnego m odelu procesu konw ersji energii w celu pozyskania danych do m etody rachunku w yrównaw czego,
• przeprow adzenie sym ulacji błędu pom iarow ego w oparciu o m etodę M onte Carlo i rachunek normalny,
• dokonanie zm niejszenia w ym iarow ości rozw iązyw anego zadania optym alizacyjnego poprzez w stępną elim inację tych nadm iarow ych pom iarów, które m ają najm niejszy w pływ na zm ianę przyjętej funkcji celu,
• w ykazanie, iż zbiory optym alnych konfiguracji pom iarów są różne dla w szystkich przyjętych funkcji celu,
• w ykazanie, iż w przypadku zastosow ania funkcji celu w postaci m inim alizacji względnej niepew ności standardowej w ybranego w skaźnika energochłonności najw iększe zm niejszenie tej niepew ności w ystępuje ju ż w przypadku zastosow ania jednego nadm iarow ego pom iaru.
Do istotnych w alorów praktycznych pracy m ożna zaliczyć:
• stw ierdzenie, iż w przypadku m inim alizacji względnej niepewności standardowej jednostkow ego zużycia energii chem icznej paliw a pom iarem nadm iarow ym je st
pom iar strum ienia pary upustowej do schładzacza pary w regeneracji wysokoprężnej, • w przypadku turbozespołu pom iarem , który m a największy w pływ na m inim alizację
funkcji celu je st pom iar strum ienia wody zasilającej kierowanej do odzysku ciepła w w ym ienniku obejściow ym ,
• stw ierdzenie, iż dla funkcji celu w postaci dywergencji K ullbacka-Leiblera najw iększy w pływ na m aksym alizację funkcji celu je st pom iar strum ienia kondensatu na w locie do w ym iennika regeneracji niskoprężnej NP2,
• udow odnienie, iż liczna nadm iarow ych pom iarów w każdym z rozpatrywanych przypadków nie przynosi istotnych korzyści.
Ponadto, za istotne osiągnięcia praktyczne pracy uw ażam opracow anie modeli sym ulacyjnych bloku parow ego w technologii spalania tlenow ego pierwszej i drugiej generacji z podaniem szczegółow ych w yników obliczeń.
Poziom w arsztatow y
Przedstaw iona rozpraw a je st w ynikiem bardzo trudnych u uciążliw ych analiz sym ulacyjnych z w ykorzystaniem rachunku w yrównaw czego. A utor w ykazał bardzo dobre przygotow anie w form ułow aniu m odeli m atem atycznych i ich realizacji, opanow anie technik m atem atycznych i program ow ania kom puterow ego. W szczególności podkreślić należy na swobodę z ja k ą posługuje się stosow anym i pojęciam i oraz zależnościam i. Zarówno dobór tematyki ja k i analizow anych źródeł uznać należy za prawidłowy.
Pom ijając drobne niedociągnięcia językow e i edytorskie m ożna przyjąć, że rozpraw a została napisana popraw nie. Praca posiada przejrzysty układ treści, konsekw entnie stosowane nazew nictw o oraz symbolikę.
U w agi krytyczne
W trakcie czytania pracy nasunęły m i się pew ne uwagi krytyczne, które nie m ają istotnego w pływ u na w artość m erytoryczną przedstawionej rozpraw y, a dotyczą zagadnień om ów ionych poniżej.
1. A by zm niejszyć spadek spraw ności netto w ytw arzania elektryczności w ram ach Program u Strategicznego „Sym ulacje num eryczne oraz analizy system owe oxy - spalania” Etap 6.2 zaproponow ano i przeanalizow ano szereg propozycje uspraw nień parow ego bloku energetycznego w technologii spalania tlenow ego. W następstwie tego spadek spraw ności netto układu w przypadku najkorzystniejsze w ariantu został w stosunku do referencyjnego układu pow ietrznego zredukow any do 7,27 punktów
procentow ych. N atom iast A utor rozdziale 1 tw ierdzi, iż spadek sprawności energetycznej netto układu może w ynosić od 5 do 12 punktów procentowych. Proszę o kom entarz w kw estii w artości 5 punków procentow ych bow iem je st to bardzo istotna wartość. W raporcie T. Lockw ood „IEA Clean Coal Centre” z 2014 r mówi się o spadku sprawności przy obecnym stanie w iedzy o 7-9 punktów procentowych. Proszę podać i skomentować, w której pozycji literaturowej je st m ow a o 5 punktach procentowych.
2. N iestety przegląd literaturow y dotyczący spalania tlenow ego w rozdziale 2.3 je st bardzo ubogi i nie odzw ierciedla aktualnego stanu wiedzy. A utor nic nie w spom ina o m etodzie adsorpcyjnej produkcji tlenu, która m.in. została opracow ana w Program ie Strategicznym w Zadaniu N r 2.
3. A by zm niejszyć spadek spraw ności netto w ytw arzania elektryczności w ramach Program u Strategicznego „Sym ulacje num eryczne oraz analizy system owe oxy - spalania” Etap 6.2 (w tym etapie uczestniczył A utor rozpraw y) zaproponow ano i przeanalizow ano następujące propozycje uspraw nień układu referencyjnego: 1. zw iększenie udziału tlenu w utleniaczu kierow anym do kotła do 30% (molowo),
2. regeneracja ciepła z chłodzenia m iędzystopniow ego układu sprężania spalin do kondensatu obiegu parow ego,
3. napęd parow y kom presorów w tlenow ni i układzie sprężania spalin, 4. podgrzew tlenu technicznego kierow anego do kotła,
5. podsuszanie paliw a podgrzanym azotem (będącym produktem ubocznym z tlenow ni),
6. podsuszanie paliw a podgrzanym azotem i podgrzanym powietrzem, 7. recyrkulacja do kotła spalin „gorących", bez w ykraplania z nich wilgoci,
8. pom pow anie CCb, poprzez jego w cześniejsze w ykroplenie w odą chłodzącą z chłodni pow ietrznej,
9. pom pow anie C O :, poprzez jeg o w cześniejsze w ykroplenie w odą chłodzącą z chłodni pow ietrznej oraz chłodni azotowej
10. kom binacja pow yższych uspraw nień zapew niająca najw yższą sprawność elektryczną netto bloku.
D laczego więc A utor na str. 14 w ym ienia jedynie 5 przypadków popraw y spraw ności?
4. O bok aspektów zw iązanych z w ykonalnością obliczeniow ą zadania optym alizacyjnego i konsekw entnie aspektam i ekonom icznym i pojaw ią się praw dopodobnie aspekty środow iskow e (zw łaszcza redukcja CO
2
), o których A utor nic nie w spom ina w rozprawie.W nioski końcowe
R easum ując m ożna stw ierdzić, iż tem atyka rozpraw y doktorskiej m gr inż. G rzegorza N ow aka ..O ptym alizacja struktury system u pom iarowego parow ego bloku energetycznego w technologii spalania tlenow ego z w ykorzystaniem rachunku w yrów naw czego” w iąże się bezpośrednio z obserw ow anym od w ielu lat dynam icznym rozw ojem technologii spalania w ęgla w atm osferze tlenow ej. Problem naukow y został postaw iony popraw nie oraz rozw inięty za pośrednictw em sform ułow anych celów rozprawy. Zakres pracy adekwatnie w ynikają z przeprow adzonej analizy literatury przedm iotu oraz postawionego problem u przez Autora.
Przedstaw iona do oceny rozpraw a doktorska zaw iera rozw iązanie ważnego zadania naukow ego jak im analiza i optym alizacja lokalizacji nadm iarow ych pom iarów układu pom iarow ego na etapie jego projektow ania dla bloku energetycznego w technologii spalania tlenow ego. Podejście takie je st bardzo nowatorskie.
Jej poziom m erytoryczny uw ażam za dobry. R ozpraw a dowodzi dojrzałości naukowej doktoranta przejawiającej się w doborze tematu, praw idłow ym i jasnym postaw ieniu problem u, logicznym i realistycznym ustaw ieniu zakresu pracy. Popraw nie wybrano przedm iot analiz i m etodykę, uzyskano ważne kom pleksow e wyniki, a m etodyka lokalizacji pom iarow ych z w ykorzystaniem rachunku w yrów naw czego może być z pow odzeniem stosow ana do innych układów technologicznych. A utor w ykazała się dużymi um iejętnościam i i talentem w prow adzeniu trudnych analiz optym alizacyjnych.
O ceniona rozpraw a doktorska spełnia w ym agania staw iane przez obow iązującą ustawę o stopniach i tytułach naukow ych. W obec pow yższego w nioskuję, by W ysoka Rada W ydziału Inżynierii Środow iska i Energetyki Politechniki Śląskiej w G liw icach dopuściła m gr inż. G rzegorza N ow aka do dalszych etapów przew odu doktorskiego.
