Celowość stosowania nadkrytycznych parametrów pary w blokach Elektrowni Opole

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 127

1996 N r kol. 1350

T adeusz CHMIELNIAK, Zbigniew L. RATAJ, Andrzej W. WALEWSKI In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych

Politechnika Śląska, Gliwice

CELOWOŚĆ STOSOWANIA NAI)KRYTYCZNYCH PARAMETRÓW PARY W BLOKACH ELEKTROWNI OPOLE

S tr e s z c z e n ie . W artykule omówiono zagadnienie celowości zastoso

w an ia podwyższonych parametrów p a ry (ciśnienia i tem p eratu ry ) w blokach 5 i 6 Elektrow ni Opole. Przedyskutow ano wpływ ciśnień i te m p e ra tu r n a sprawność, stosowane w świecie rozw iązania bloków, a tak że stosow ane stale i zagadnienia zw iązane z ko n stru k cją kotła.

CO NSID ER ATIO N OF IMPLEMENTATION OF SU PERCRITICAL STEAM PARAM ETERS IN POWER G ENERATING UN ITS

IN O POLE POWER STATION

S u m m ary. In the pap er the problems connected w ith im p lem en ta

tion of th e supercritical steam param eters (high p ressu re and tem p e ra tu re ) in power g enerating units no. 5 an d 6 of Opole Pow er S tatio n h as been described. Effect of a high supercritical steam p ressu re and steam tem p e ra tu re on overall therm al efficiency as well as problem s of ap

pro p riate steel selection, th e construction of steam gen erato r an d boiler operation were broadly discussed.

D IE ZIELSETZUNG DER ANWENDUNG VON ÜBER K R ITISC H EN DAM PFPARAM ETERN IN KRAFTWERK OPOLE

Z u sam m en fassu n g. Im Aufsatz sind verschiedene Problem e der A nw endung von überkritischen D am pfdrücken u nd größeren D am pftem peraturen in Blöcken 5. und 6. des im B au befindlichen Opole K raftw erks. Der Einfluß von ü b erk ritisch en D am pfparam etern a u f den G esam tw irkungsgrad des K raftw erks, sowie eine A nalyse des W erkstoffausw ahls, die Z w angsdurlauferzeugerkonstruktions

problem e und ein Betriebsverhalten w urde behandelt.

(2)

138 Tadeusz Chmielniak, Zbigniew Rataj, Andrzej Walewski

W p ro w a d zen ie

Jedny m z podstawowych sposobów zm niejszenia emisji dw utlenku węgla (C 0 2) z konwencjonalnych elektrow ni (odniesionej do 1 kW h wytworzonej energii elektrycznej) je s t zwiększenie spraw ności elektrow ni prowadzące do zm niejszenia ilości spalanego węgla. W zrost spraw ności w ytw arzania osiąga się przez stosow anie wysokich nadkrytycznych param etrów pary, tj. tem pera

tu ry i ciśnienia. Ciśnienie p ary je s t wyższe od ciśnienia krytycznego pk = 22,1 MPa, a te m p e ra tu ra p ary je s t wyższa od te m p e ra tu ry krytycznej tk = 374,15°C. W punkcie krytycznym nie istnieje jakakolw iek różnica pomiędzy stan em wody i stan em p ary (jednakowa objętość w łaściw a rów na vk = 0,0031 m 3/kg.

W Elektrow ni Opole przew idziano docelowo zainstalow anie sześciu bloków energetycznych. Założenia projektowe dla Elektrow ni Opole opracowano w lata ch siedem dziesiątych. We w szystkich sześciu blokach przew idziano zain

stalow anie kotłów przepływowych BP 1150 system u Sulzer n a param etry podkrytyczne (z recyrkulacją w parow niku) opalanych pyłem węgla kamien

nego. W blokach od 1 do 4 zainstalow ane są/będą turbozespoły 18K360 produ

kcji ABB. N atom iast w blokach 5 i 6 turbozespoły 18CK370 również produkcji ABB Zamech, k tóre m ają współpracować z członem ciepłowniczym o mocy cieplnej 500 MWt. Projektow ane p a ra m etry p ary świeżej przed tu rb in ą są n astępujące: ciśnienie 17,65 M Pa i te m p e ra tu ra 535°C.

Bloki n r 1 i 2 zostały uruchom ione i pozostają w eksploatacji. N atom iast na blokach 3 i 4 trw ają prace m ontażowe i określono term in y pierwszego urucho

m ienia n a 30.09.1997 r. i 30.03.1998 r. W szystkie kotły będą wyposażone w nowoczesne instalacje odpylania i mokrego odsiarczania spalin oraz instalacje zm niejszenia emisji NOx m etodam i pierwotnym i.

W ciągu 25 lat, któ re upłynęły od opracow ania pierwszych założeń, nastąpił olbrzymi postęp m ateriałow y i technologiczny w budowie dużych maszyn i u rząd zeń energetycznych. W szczególności pojawiły się nowe g atunk i stali wysokostopowych chromowo-molibdenowych i udoskonalono ich technologie łączenia. Stale tak ie um ożliw iają pracę elem entów ciśnieniowych w kotle, elem entów tu rb in cieplnych z wyższymi niż dotychczas tem p e ra tu ra m i i ciś

nieniam i, przy zachow aniu wysokiej dyspozycyjności i niskiej awaryjności.

Dzięki tem u m ożna uzyskać z konw encjonalnych bloków energetycznych dużo wyższe spraw ności w ytw arzania energii elektrycznej b rutto, przekraczając poziom 41,0 - 43,0%.

M ając n a uw adze popraw ę spraw ności ogólnej obiegu, w zrost sprawności bloku energetycznego i tym sam ym obniżenie kosztów w ytw arzania energii elektrycznej w w yniku przyjęcia wyższej te m p e ra tu ry i ciśnienia p ary prze

grzanej, w opracow aniach [1 — 3] przedstaw iono propozycję zastosowania wysokich, nadkrytycznych param etrów pary dla bloków 5 i 6 w budowanej

(3)

Celowość stosowania nadkrytycznych parametrów. 139

E lektrow ni Opole. Proponowane param etry pary i rozw iązania bloków en e r

getycznych byłyby pierwszym i w Polsce i odzwierciedlałyby w pewnym sto

pniu panujące w świecie tendencje.

Założeniem podstawowym było ograniczenie do m inim um zm ian w istn ieją cych dotychczas rozw iązaniach plan u generalnego elektrow ni (w rozsądnym zakresie).

W ybór p a ra m etró w b lo k ó w 5 i 6 e le k tr o w n i O pole

P o c z ą tk o w a k o n cep cja [1]

Przyjęto w analizie dwa w arian ty (wariant I i w a ria n t II) i porównywano je z w a ria n tem odniesienia (w ariant O), który stanow ił niew ielką adaptację projektow anych rozwiązań bloków 5 i 6.

W w ariancie I zakładano wykorzystanie istniejącego fu n d am en tu kotła w bloku 5, co wpłynie na wybór konstrukcji nośnej kotła i pośrednio system u ciśnieniowego (podobne ciężary i podziałki słupów nośnych). W w ariancie I dostaw cą kotła przepływowego BP1200SN byłaby F abryka Kotłów RAFAKO, a turbozespołu 25CK410 ABB Zamech. Wynikowa moc bloku 410 MW. P a ra m etry p a ry n a wlocie do turbiny: ciśnienie pary świeżej 25 M Pa, te m p e ra tu ra p ary świeżej 540°C/560°C.

T a b lica 1 P ro jek to w a n e param etry n ad k ry ty czn e

Lp P aram e tr

W ariant 0 W arian t I W a rian t II Nowy kocioł BP

1150

kociol BP1200SN

kociol BP1450SN

kociol BP1250 1 C iśnienie p ary świeżej 18,6 MPa 26,2 M Pa 26,2 M Pa 27,5 M Pa

2 T em p eratu ra p ary świeżej 540°C 545°C 545°C 583°C

3 S tru m ień p ary świeżej 1150 t/h 1200 t/h 1450 t/h 1250 t/h 4 T em p eratu ra pary wtórnej 540°C 562°C 562°C 334/602°C 5 C iśnienia p ary wtórnej 0,25 MPa 0,25 M Pa 0,25 M Pa 5,58/5,33 6 T em p eratu ra wody zasilającej 255°C 270°C 270°C 301°C

7 Sprawność k otła (brutto) 91,7% 93,5% 93,5% 95,0%

8 M inim um techniczne kotła 600 t/h 480 t/h 580 t/h 500 t/h 9 E m isja NOx z paleniska < 160 g/GJ < 160 g/GJ < 160 g/G J < 160 g/GJ 10 Jednostkow e zużycie ciepła netto 9574

kJ/kWh

8780 kJ/kW h

8760 kJ/kW h

8079,4 kJ/kW h

11 Spraw ność bloku netto 37,6% 41,0% 41,1% 44,56%

(4)

W w ariancie II (m aksym alny wzrost) rozw ażano możliwość wybudowania bloków energetycznych o mocy 500 MWe. W zrost wielkości kotła - BP1450SN i tu rb in y - 25CK500. Analizowano dalsze podwyższenie ciśnienia pary do 28 M Pa i tem p e ra tu ry p ary 560°C/560°C i zwiększenie stopnia próżni.

W tablicy 1 zestawiono proponowane p a ra m etry kotłów przepływowych dla bloków oraz osiąganą spraw ność bloków i jednostkow e zużycie ciepła netto bloku w kondensacji.

A k tu a liz a c ja k o n c e p c ji i z a ło ż e ń [2, 3]

Autorzy ZTE [1] po przeanalizow aniu w okresie 1994-1996 istniejących w światowej energetyce rozw iązań i tendecji oraz po skonfrontow aniu ich z proponow anym i wcześniej (tablica 1) doszli do wniosku, że konieczne byłoby w prow adzenie wyższych param etrów nadkrytycznych, tj. ciśnienia pary 26,6 M Pa i te m p e ra tu r 583°C/602°C i mocy bloków po 460 MW.

P rojekt przew iduje budowę kotła przepływowego o spiralnym układzie rur parow nika, n a p a ra m e try nadkrytyczne o wysokiej spraw ności 95% uzyskiwa

nej dzięki niskiej tem p e ra tu rz e spalin wylotowych - 105°C. Proponowane p a ra m e try k o tła umieszczono w (tabl. 1) w kolum nie 6. Podniesienie tem pera

tu ry p a ry przegrzanej do poziomu 583°C/602°C je s t korzystne, co widać z porów nania jednostkowego zużycia ciepła oraz spraw ności bloku. Wzrost spraw ności bloku n astęp u je do poziomu spotykanego w blokach zagranicz

nych (44,56%).

Palenisko kotłów będzie dostosowane do sp alan ia węgla kam iennego o ch a r a k te ry sty ce:

węgiel kam ienny

dolny bazowy górny

w artość opałowa, Wd 21000 kJ/k g 23000 kJ/k g 25000 k J/ł

zaw artość popiołu, A 22% 20% 10%

zaw artość wilgoci, W 13% 10% 8%

zaw artość siarki, S 1,4% 1,2% 0,8%

S to s o w a n e p a r a m etr y n a d k r y ty c z n e i u z y sk iw a n e sp r a w n o ś c i b lo k ó w

Ju ż w lata ch pięćdziesiątych występow ała tendencja do budowy bloków na p a ra m e try nadkrytyczne (tabl. 2)1, bowiem podnoszenie ciśnienia p a ry powo

1 Noetzlin V.: D as neue K raftw erk H üls - eine Anlage m it 300 at/600°C Frischdam pfzu

sta n d . VGB-Mitt. 1958, n r 55, s. 230/255; Harlow: E ngineering th e E ddystone P la n t for 5000 Lb 1200 Deg. Steam . T rans. ASME 79, A ugust 1957.

(5)

Celowość stosowania nadkrytycznych pa'ametrów. 141

duje p rzy ro st sprawności bloku o wielkość Ar|cal = 0,005% punktów /bar; n a to m iast podniesienie tem p e ra tu ry pary pociąga za sobą odpowiadający przyrost spraw ności Ar|cał = 0,011% punktów/°C.

J a k w ynika z tablicy 2, najw iększe bloki były zainstalow ane w E lektrow ni Eddystone (Philadelphia USA) w 1959 r. z kotłam i przepływowymi S ulzer o podwójnym przegrzew ie międzystopniowym. P a ram e try p a ry za kotłem : wy

dajność 907 t/h, ciśnienie 36,5 MPa, tem peratura 566°G/566°C/566°C. Dyspo

zycyjność system u była niska, w ady materiałowe (stale) i montażowe. Blok dwuwałowy m iał moc 358 MW uzyskiwaną z turbozespołów: 160 MW i 198 MW.

T a b lic a 2 P a r a m e tr y p ie r w s z y c h w św ie c ie bloków n a p a r a m e tr y n a d k r y ty c z n e

E lektrow nia

ca CO

Hüls Niemcy

Philo USA

Eddy

stone USA

Czelja- bińsk ZSRR

P a ram e try O

•3 D ata oddania do eksploatacji

"-a0) X. 1956 III. 1956 IX. 1959 V. 1953 U kład turbozespołu

dwu

wałowy

jedno- wałowy

dw u

wałowy

tu rb in a czołowa

Moc turbozespołu Nel MW 85 125 325 -

S tru m ie ń p ary pierwotnej Dpp t/h 260 306 907 300

C iśnienie p ary pierwotnej _Ppp M Pa 29,4 31,08 34,52 22,1 T e m p e ra tu ra p ary pierw o

tnej tpp ^°C ⁶⁰⁰ ⁶²¹ ⁶⁴⁹ ⁵⁷⁵

C iśn ien ie/tem p eratu ra pierw szego przegrzew u

w tórnego Piw

MPa/°C 10,59/560 7,94/565 7,35/565 3,14/415

C iśn ien ie/tem p eratu ra drugiego przegrzew u

wtórnego p„w

MPa/°C 3,14/560 1,23/537 1,86/565 -

P ró żn ia w skraplaczu Pk kP a 2,5 3,45 5,2 -

Ilość podgrzewaczy

regeneracyjnych sztuk 9 7 9 -

T e m p e ra tu ra wody

zasilającej kvz °C 337 275 300 228

Spraw ność bloku 4 % 41,37 40,17 42,56 -

Jednostkow e zużycie

ciepła bloku q kJ/kW h 8702,3 8959,7 8457,3 -

(6)

W USA w 1963 r. zbudowano n a p a ra m etry nadkrytyczne blok 600 MW, w ro ku 1965 blok 800 MW, a w 1967 pierw szy najw iększy w świecie kocioł do bloku 1320 MW. W tam ty ch lata ch duże bloki budowano zawsze n a param etry nadkrytyczne, a m ałe jak o podkrytyczne [15] (tabl. 3).

T ab lica 3 K otły firm y B a b co c k & W ilcox w e n e r g e ty c e za w o d o w ej U SA

L a ta 1960-1970 L a ta 1971-1981 K otły p r z e p ły w o w e n a c iś n ie n ie

n a d k r y ty c z n e 25,0 M Pa - łączna ilość bloków - łączna zainstalow ana moc

— śred n ia moc bloku

— najw iększy blok

37 27558 MW

745 MW 1320 MW

5 4840 MW

968 MW 1320 MW K otły w a lc z a k o w e (z o b ie g ie m

n a tu ra ln y m ) - łączna ilość bloków - łączna zainstalow ana moc - śred n ia moc bloku - najw iększy blok

22 3865 MW

175 MW 300 MW

80 45198 MW

565 MW 875 MW

W E uropie w lata ch 1969—1979 występowało m ałe zainteresow anie budo

w aniem bloków z p a ra m e tra m i nadkrytycznym . W ynikało to z cen paliw i jednocześnie niskiej dyspozycyjności bloków. B ad an ia E E I lub EPR I wykazy

w ały większość zam ów ień bloków energetycznych w USA z param etram i podkrytycznym i i tem p e ra tu ra m i p a ry do 540°C, czyli z kotłam i walczakowy

m i z obiegiem n a tu ra ln y m lub wspom aganym . Dalsze bad an ia potwierdzają, że z rozwojem techniki n astęp u je w zrost dyspozycyjności (zm niejszenie awa

ryjności) bloków o p a ra m etrac h nadkrytycznych [16].

W Niem czech w m inionych lata ch budowano bloki praw ie wyłącznie z kotłam i z obiegiem w spom aganym o podobnych p a ra m etrac h ja k w USA, chociaż dyspozycyjność bloków nadkrytycznych była n a poziomie 85%.

Nowe zam ów ienia dotyczą ponownie bloków z ciśnieniam i koncesyjnymi do 30 M Pa, przy czym te m p e ra tu ry p a ry przegrzanej w ybiera się n a poziomie wyznaczonym zastosowaniem stali martenzytycznej chromowej X20CrMoV12 1 i nowej sta li P91 z 9% zaw artością chrom u, k tó ra je s t przeznaczona do długo

trw ałej pracy w te m p e ra tu ra c h do 625°C. Od roku 1990 w ścisłej współpracy z F irm ą M an n esm ann w w ielu elektrow niach niem ieckich dokonano wymiany rurociągów n a nowe w ykonane ze stali P91 [7]. Blok H essler o mocy 720 MW z elem en tam i w ykonanym i z P91 projektow any je s t n a spraw ność 46,1%. Oto przykłady bloków:

G avin (USA) 2600 MW, 4435 t/h pary; 26,5 M Pa, 543°C/538/°C 1974 Philo (USA) 125 MW, 31,0 M Pa, 621°C/566°C/538°C 1982 L aram ie (USA) 1710 MW,

(7)

M annheim (Niemcy), 475 MW, 25,5/9,0/2,0 MPa, 530°C/540°C/530°C 1982 bl. 18 200 MW turbozespół kondens. +

75 MW tu rb przeciw prężna M annheim (Niemcy),

bl. 19 475 MW, 25,5/9,0/2,0 MPa, 530°C/540°C/530°C 1988 S tau d in g er 5 (Niemcy) 550 MW, 25 MPa, 540°C/560°C 1992 Meri Pori 5 (Finlandia) 680 MW, 23,5 MPa, 538°C/558°C 1993 Rostock 5 (Niemcy) 550 MW, 25 MPa, 540°C/560°C 1994 H em weg 8 (H olandia) 680 MW, 25 MPa, 535°C/563°C 1994 F ra n k en II, 3 stadium 750 MW, 28,lM P a, 545°C/542°C 1998 HeBler 732 MW, 2000 t/h pary; 27,5 M Pa, 580°C/600°C 1998 D alszym przyczynkiem w k ieru n k u poprawy sprawności elektrow ni było zastosow anie technik kom puterowych w obliczeniach trójwymiarowych p rze

pływów, projektow aniu i wykonywaniu łopatek turbin. W ewnętrzną sp raw ność tu rb in y w ten sposób zwiększono w ciągu ostatnich 20 la t o 4 do 5 punktów procentowych obliczeniowych.

Blok w elektrow ni HeBler z obiegiem cieplnym wysokotem peraturowym o p aram etrach : ciśnienie p ary 27,5 M Pa, te m p e ra tu ra pary 580°C i te m p e ra tu ra p a ry w tórnej 600°C, tem p eratu rze wody zasilającej podniesionej z 270°C do 300°C m a spraw ność 43,9%.

E lek tro w n ia S taudinger z blokiem 500 MW osiągnęła spraw ność 42,5%.

Szereg wprowadzonych czynników wpływa n a w zrost sprawności bloku i pozw ala osiągnąć granicę spraw ności 45% przy opalaniu węglem kam iennym lub 40% węglem b ru n atn y m (projektow ane bloki 800 MW). Na rys. 1 prze d sta wiono w zrost spraw ności bloków z kotłam i opalanym i węglem kam iennym o w artości opałowej Wd = 29,0 M J/kg i węglem brun atny m o w artości opałowej Wd = 21,0 M J/kg [7],

Z a g a d n ien ia k o n str u k cy jn e i ek sp lo a ta cy jn e k o tłó w p r z e p ły w o w y c h n a p a ra m etry n ad k rytyczn e

W budowie bloków n a p aram etry nadkrytyczne pary zasadniczą rolę odgry

wa kocioł parowy. Współcześnie projektowane kotły parowe są budow ane jako kotły jednociągowe wieżowe z paleniskiem tangencjalnym wyposażonym w niskoem isyjne palniki n a pył węglowy, olejowe lub gazowe.

W kotłach przepływowych n a p a ra m etry nadkrytyczne najczęściej stosuje się system Benson lub Sulzer, przewidując w układzie rozruchowym rozprę- żacz rozruchowy. Konieczność zapew nienia m inim alnej prędkości wody w ru ra c h parow nika wym aga zastosow ania skośnego układu ru r, tzw. sp ira ln e go (zam iast pionowego).

(8)

Sprawnośćnetto %ć

■ w ęgiel kam ienny O w ęgiel b ru n atn y

A B O D E

Etapy rozwoju 41

Rys. 1. Wpływ różnych czynników n a w zrost sprawności bloków nadkrytycznych opalanych węglem kam iennym i brunatnym : A - blok 500 MW elektrow ni S tau d in g er (baza), B - blok 700 MW, 8 stopniowy, C - w zrost spraw ności w ew nętrznej turbiny, D - podwyższenie p aram etrów z 26,0 MPa/545/560°C n a 27,5,5 MPa/580/580°C, E - zwiększenie próżni w skraplaczu z pk = 4,6 k P a n a 3,7 kP a, F - podwyższenie te m p e ra tu ry p ary wtórnej z 580°C n a 600°C i przekroju wylotowego z turbiny 4 x 10 m 2 n a 4 x 11,5 m2, G - ilość upustów turbiny: 9 upustów do podgrzewaczy regeneracyjnych

Fig. 1. The influence of various factors on th e efficiency increase of th e super critical power g en e ratin g u n it fired w ith bitum unous and brown coal

(9)

W kotle przepływowym n a p a ram etry nadkrytyczne można zrezygnować z funkcji wodooddzielacza, niezbędnego w kotle n a param etry podkrytyczne, bowiem nie w ystępuje w okresach przejściowych p a ra mokra lub nasycona sucha, czyli b rak różnicy objętości właściwych: pary i wody, k tó re m uszą zostać skom pensow ane w wodooddzielaczu w stanach przejściowych. J e d n a k że w prak tyce eksploatacyjnej z ciśnieniem poślizgowym konieczne je s t pozo

staw ienie wodoodddzielacza, przy czym aby zachować cienkie ścianki przy ta k wysokich ciśnieniach stosuje się dużą liczbę wodooddzielaczy, np. 4 - 6 sztuk.

W kotłach nadkrytycznych tzw. uk ład pracy z niskim i obciążeniami wypo

sażony je s t w pompę recyrkulacji, k tó ra może być włączona w bocznym lub w głównym stru m ien iu [11, 14, 17].

U k ład przepływowy k otła n a p a ram etry nadkrytyczne wymaga pom py wo

dy zasilającej o dużej wysokości podnoszenia, napędzanej turbiną, bowiem m usi ona wytworzyć ciśnienie statyczne czynnika, pokonać duże opory prze

pływu spowodowane gęstością czynnika, w iększą prędkością i m niejszym i średnicam i wew nętrznym i ru r.

Z uw agi n a inne w arun k i hydrodynam iczne parow nika kotła nadkrytyczne- go, często stosuje się w ew nątrz r u r żebra i rowki spiralne rowki zapobiegające w ystępow aniu kryzysu w rzenia [19 - 22].

W ykonanie kotłów przepływowych nadkrytycznych z przeznaczeniem do eksploatacji z p a ra m etram i poślizgowymi wym aga zastosowania zaw ansow a

nych tech n ik sterow ania i regulacji. U kłady nadzoru eksploatacyjnego ste ru ją on-line g rad ien tam i w zrostu mocy w czasie rozruchu, podjazdów i zjazdów z obciążenia.

W kotłach przepływowych pracujących z wysokimi tem peraturam i pary (600°C) w ystępują te m p e ra tu ry ścianek ru r od 640 do 670°C, w których to te m p e ra tu ra c h zachodzi korozja w ysokotem peraturow a, jak też tw orzą się p rodukty zgorzelinowe. Zastosowanie stali o dużej ilości chromu w ydatnie zm niejsza ubytki korozyjne r u r [12].

S to s o w a n e sta le i o sią g a n a d y sp o zy cy jn o ść

E lem en ty kotłów pracujące do te m p e ra tu r 545°C wykonywane są ze stali m artenzytycznej X 20 CrMoV 12 l 2. Stal wym aga dobrej obróbki cieplnej i utrzym yw ania reżim u tem peraturow ego. Ze wzrostem tem peratury pracy do 600°C szybko spada jej czasowa wytrzym ałość n a pełzanie. Dopuszczalne obliczeniowe naprężenie wynosi 50 N/m2. Zalecenia obliczeniowe w skazują n a konieczność utrzym yw ania stosunku średnicy zewnętrznej do w ew nętrznej

2 W niższych te m p eratu rach stosuje się stale ferrytyczne 10 CrMo 9 10 i 15 Mo 3.

(O znaczenia wg DIN).

(10)

równej 2 dla grubości ścianek kom ór do 80 mm. Jak o graniczną do zastosowań te m p e ra tu rę przyjm uje się dla stali X 20 CrMoV 12 1 - rów ną 550°C.

Powyżej tej tem p e ra tu ry stosuje się stal austenityczną, np. niestabilizowa- ny a u s te n it X 3 CrNiMoN 17 13. T em p eratu ra graniczna stosowalności tej sta li sięga 600°C (ciśnienia 30,0 MPa). Powyżej tej te m p e ra tu ry konieczne jest albo zm niejszenie grubości ścianek elem entów, albo przejście w k ieru n k u stali wysokostopowych. Przykładowo, przyjm ując zam iast 4 kom ór wyjściowych przegrzew acza p ary świeżej osiem komór, m ożna przesunąć o 10 K zakres te m p e ra tu r pracy (przejście ze stali m artenzytycznej do stali austenitycznej) lub podniesienie granicznej tem p e ra tu ry do 620°C.

Pozytywne doświadczenia ze stosow aniem stali austenitycznych w kotłach nadkrytycznych [6] pozw alają wykorzystywać do w ytw arzania r u r powierzch

ni grzewczych stale stabilizow ane niobem, np.: X 8 CrNiMoNb 16 13 i stal X 8 CrNiM oNb 16 16. Nie zachodzi potrzeba stosow ania przejściówek pomiędzy austenitycznym i i ferrytyczno-m artenzytycznym i stalam i, w ystarczy spawa

nie elektrodam i o wysokiej zaw artości niklu jako stab ilizato ra (NiCr 15 Fe).

W iększe grubości ścian ek elem entów w strefie w pływ u ciepła w tych s ta la c h pow odują, że m ogą się pojaw iać p ęknięcia pro pagujące wgłąb. Sto

sując w spom nianą ju ż sta l au stenityczną nieustabilizow aną, zaw ierającą azot X 3CrNiM oN 17 13, m ożna uniknąć tych problemów. Duże możliwości stwa

rza też sta l austen ity czna X 12 CrMoWNiVNbN 10 11.

Najbardziej obciążone term icznie końcowe stopnie przegrzewaczy, a także ściany opasujące k o tła i rurociągi powinny być wykonywane, o ile to możliwe, ze stosow anej do te m p e ra tu r 584°C stali P91 o zaw artości chrom u 9% (X 10 CrMoVNb 9 1). Stal może być wykorzystana do wykonywania komór końcowych i rurociągów. Oprócz tej stali można stosować austenit X 3 CrNiMoV17 13.

Oprócz stali P91 n a kom ory wylotowe kotłów nadkrytycznych n a ciśnienia do 30 M Pa i te m p e ra tu ry 600°C/610°C m ożna będzie stosować w perspektywie 3 — 5 la t najnow sze stale stopowe wolframowe zaw ierające od 9 do 12%

chrom u. Są to E911, Nf616 i HCM12, lub HCM12A. (M ateriały są w fazie b a d ań i um ożliw ią bezproblemowe podniesienie param etrów nadkrytycz

nych).

K onstrukcja kotła przepływowego n a p a ra m etry nadkrytyczne i zastosowa

n e m ateriały m ają wpływ n a dyspozycyjność. W w aru n k ach am erykańskich bloki budow ane w la ta c h do 1975 (Atmos, Gavin 1) wykazywały łączną dyspo

zycyjność od 87% do 90%. Bloki staw iane po roku 1980 (M ountainer) dyspozy

cyjność 96,8%!

(11)

Celowość stosowania nad krytycznych parametrów. 147

O cena p r o p o n o w a n y ch p a ra m etró w i rozw iązań w E le k tr o w n i O pole

U kłady technologiczne bloków 360 MW 1 - 4 odpowiadają przyjm owanym standard om w budowie podkrytycznych instalacji kondensacyjnych (siedem odczepów regeneracyjnych, um iarkow anie wysoka tem peratura wody zasila

jącej, jednokonturow y układ chłodzenia skraplacza). W układzie nadkrytycznym zastosow ano bardziej rozw iniętą regenerację (tem peratura wody zasila

jącej 276,2°C) oraz przyjęto niższe ciśnienie w skraplaczu Pk = 5 kP a, co w raz z innym i p a ra m etram i pary świeżej i wtórnego przegrzewu pozwoliło uzyskać spraw ność netto 42,1%.

Pew nym m iernikiem je s t porównanie rozpatryw anych bloków z in stalacją bloku 5 elektrow ni S taudinger, którego spraw ność netto równa 43% (projekto

w ana 42,5%) je s t u w ażana za najw yższą dla bloków opalanych pyłem węglo

wym. Biorąc pod uwagę, że p aram etry pary świeżej tego bloku (26,2 MPa, 545°C/562°C są porównywalne z p aram etram i 5 i 6 bloku w Elektrowni Opole, m ożna uw ażać przedstaw ione rozw iązanie za odpowiadające standard om światowym. Zaznaczmy, że w bloku 5 elektrow ni Staudinger zainstalow ano zew nętrzną instalację usuw ania tlenków azotu oraz dwukonturowy system sch ładzania skraplacza, a także bardzo energooszczędne układy napędowe u rząd zeń pomocniczych. Należy więc sądzić, że prognozowana spraw ność 42,1% może być przekroczona przy głębszej analizie układu cieplnego.

Człon ciepłowniczy został zaprojektow any zgodnie z ustaleniam i wyżej sygnalizowanego posiedzenia Zespołu Technicznego NTE. Moc cieplna została przyjęta w wysokości 220 MWt, co odpowiada przewidywanemu zapotrzebo

w aniu m ia sta Opole. Problem atyka s tru k tu ry popytu i podaży ciepła nie je s t szczegółowo dyskutow ana w opracowaniu.

System pom iarów i autom atyki bloków 1 i 2 spełnia ogólne funkcje diagno

zow ania i racjonalnej eksploatacji. Z opisu komputerowego system u w spom a

gania dyspozytora bloku nie wynika, w jakim zakresie możliwa będzie analiza danych zbieranych dla oceny sta n u bieżącego i prognozowania prow adzenia ruchu. Bloki 3 - 6 (wraz z członem ciepłowniczym bloków 5 i 6) będą w yposa

żone w mikroprocesorowy system pomiarów i autom atyki spełniający wiele funkcji i realizujący wiele ważnych zadań umożliwiających racjonalną eksplo

atację bloków.

P o d su m o w a n ie

Zastosow anie w Elektrow ni Opole w blokach 5 i 6 param etrów nadkrytycznych je s t rozsądne, bowiem prowadzi do w zrostu sprawności w ytw arzania

(12)

energii elektrycznej. O siągnięte zostaną spraw ności 41,8 - 42,2%. Będą to pierw sze w Polsce bloki n a p a ra m etry nadkrytyczne o dobrej dyspozycyjności.

Ja k o optim um p aram etró w nadkrytycznych dla obecnie stosow anych blo

ków nadkrytycznych stosuje się w świecie n astępujące param etry: ciśnienie pary 26,0 M Pa i tem peraturę pary 580°C/600°C (jednokrotny przegrzew wtórny).

Przyjęte w Elektrow ni Opole p a ra m e try są zbliżone do podanych, tym samym zostały tra fn ie wybrane.

D la niezawodności bloku w ażne je s t zastosow anie kotła przepływowego o dobrze rozw iązanej konstrukcji części ciśnieniowej i kom ory paleniskowej z paleniskiem tangencjalnym , współpracującego z układem rozruchowym i układem pracy z niskim i obciążeniam i. Zarówno system Sulzer, ja k też Ben

son są odpowiednie.

Przyjęte założenia i schem aty technologiczne odpowiadają głównym ten

dencjom rozwojowym bloków węglowych. N ależy oczekiwać dalszych przedsię

wzięć doskonalących stru k tu rę technologiczną bloków nadkrytycznych. Roz

w iązan ia te zm niejszające obciążenie środow iska n atu raln eg o umożliwiają spełnienie w szystkich kryteriów ekologicznych. N iskie koszty w ytw arzania energii elektrycznej i ciepła stanow ią o dużej konkurencyjności budowanej elektrow ni w polskim system ie elektroenergetycznym .

L ite r a tu r a

1. O pracow anie BS i PE E nergoprojekt Gliwice: E lektrow nia Opole. Stu

dium możliwości i celowości zastosow ania param etrów nadkrytycznych w bl. 5 i 6. N r projektu 31714, n r arch. 478548. Gliwice 1994.

2. O pracow anie BS i PE Energoprojekt Gliwice: Założenia techniczno-eko

nom iczne - aktualizacja. Zadanie 1: Budowa Elektrow ni Opole. Tom 2 C h a ra k te ry sty k a Technologiczna. Zeszyt 1 G ospodarka cieplno-m aszy- now a i wodą chłodzącą. N r projektu 35236a, n r arch. 497693. Gliwice 1996.

3. O pracow anie BS i PE Energoprojekt Gliwice: Założenia techniczno-eko

nom iczne - aktualizacja. Zadanie 1: Budowa Elektrow ni Opole. Tom 2 C h a ra k te ry sty k a Technologiczna. Zeszyt 1 G ospodarka cieplno-m aszy- now a i wodą chłodzącą. Załącznik 2. W ykaz podstawowych urządzeń bloków 5 i 6. N r projektu 35236a, n r arch. 497693. Gliwice 1996.

4. C hm ielniak T.: K oreferat w spraw ie możliwości i celowości zastosow ania p aram etró w nadkrytycznych w blokach 5 i 6 Elektrow ni Opole. Gliwice

1994.

5. C hm ielniak T.: Ocena opracow ania „Aktualizacja ZTE Elektrow ni Opo

le. Stud ium w ykonalności”. Gliwice 1996.

6. R ataj Z.: C h ara k te ry sty k a kotłów przepływowych n a p a ra m etry nad kry tyczne. Opracow anie w m aszynopisie. Politechnika Ś ląska Gliwice 1994.

(13)

Celowość stosowania nadkrytycznych parametrów.. 149

7. H arig H.-D.: Leistungsanforderungen an die K raftw irtschaft Europas.

VGB K raftw erkstechnik 73, 1993, H. 1.

8. K otsch en reuth er H., H äu ser U., W eirich P.-H.: Zukünftige w irtsch aftli

che Kohleverstrom ung. VGB K raftw erkstechnik 73 91993), H. 1.

9. Schlessing J., S tra sse r P., Petersen V.: B etriebserfahrungrn m it dem üb erk ritisch en 475 MW Zwngsdurchlauf-Dampferzeuger m it doppelter Z w ischenüberhitzung der G roßkraftw erk M annheim AG. EVT R egister, n r 45,1986.

10. P e term an n V., Schneider G., Sigg J.: K raftw erk Franken II, 3. A usbau Verbundblock 750 MW. EVT Register, n r 52, 1993.

11. Schleßing J., Kessel W., Schönhaar H.: E rfahrungen bei der Inbetrieb

n ah m e u n d beim Betrieb des D am pferzeugers „Kessel 19” im G roßkraftw erk M annheim . Evt Register, n r 53, 1994.

12. Scheffknecht G.: Steinkohledam pferzeuder m it NOx- arm er F eueru ng u n d hohen D am pfparam etern. In Sam m lung u.d.T.: F achvorträge anläßlich der Jubiläum sfeier 21.06.1996. EVT S tuttgart 1996.

13. B ald A., W ittchow E., C harlier J.: Steinkohlebefeuerte K raftw erke - H eutig er S tan d u n d zukünftige M öglichkeiten der Auslegung. VGB K raftw erkstechnik 63, 1983, H. 1.

14. E cab ert R., M iszak P.: Vergleich zwischen Zw angsdurchlaufkesseln m it v e rtik ale r oder m it schraubenförm iger Berohrung der B rennkam m erw ände. VGB K raftw erkstechnik 58, 1978, H. 12.

15. H aller K., H.. Große kohlenstaubbefeuerte Dampferzeuger. Enw icklun- gen u n d E rfahrungen. VGB K raftw erkstechnik 63, 1983, H. 1.

16. M a rtin H.: A uslegung und K onstruktion großer steinkohlebefeuerter D am pferzeuger m it hohen D am pfzuständen. VGB K raftw erkstechnik 63, 1983, H. 5.

17. W ittchow E.: Trom m elkessel oder Durchlaufkessel: Einfluß des Ver

dam pfersystem s a u f die Auslegung u n d das B etriebsverhalten der A nal

ge. VGB K raftw erkstechnik 62, 1982, H. 5.

18. L eith n er R.: Vergleich zwischen Zwangsdurchlaufdam pferzeuger, Zw angdurchlaufdam pferzeuger m it Vollastumwälzung u n d N a tu ru m laufdam pferzeuger. VBG K raftw erkstechnik 63, 1983, H. 7.

19. Iw abuchi M., M atsuo T., H aneda H., Yamamoto K.: Heat tra n s fe r and hydrodynam ic characteristics of rifled tubing for supercritical sliding p ressu re operation monotube boilers. M itsubishi Heavy In d u stries, Ltd.

J a p a n . 18th M eeting of M onotube Boiler Licensees H artford, Conn., USA. Septem ber 1983.

20. M enager R., Vavricka Z., S tald er M., Rees K : S tructural analysis of a 600 MW coal fired once-through boiler w ith vertical rifled tube walls.

Sulzer B rothers Limited, W interthur. 18th M eeting of Monotube Boiler Licensees H artford, Conn., USA. Septem ber 1983.

(14)

21. M erz J.: M annheim Power Station. Some highlights on design and the first y ear of operation of th e once-through supercritical double reheat coal fired steam generator. EVT Energie- und V erfahrenstechnik GmbH.

18th M eeting of M onotube Boiler Licensees H artford, Conn., USA. Sep

tem ber 1983.

22. Salem A., Stocker W., M iszak P.: Range of application of once-through boilers w ith vertical rifled tube walls. Sulzer B rothers Lim ited, W intert

h u r. 18th M eeting of M onotube Boiler Licensees H artford, Conn., USA.

Septem ber 1983.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. G erard Kosman W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.

A b str a c t

In Opole power sta tio n th e 2 undercritical steam g en erato r and steam tu rb in e a re still in operation. The next two power g enerating u n its are under construction phase an d will be commissioned in two years. For power units No. 5 an d No. 6 has been new operating p a ra m ete rs proposed. S team pressure w ere a risen to 26,6 M Pa, su p e rh e a t tem p e ra tu re to 580°C and th e reheat te m p e ra tu re to 600°C. This will have resu lts to rise of overall power generat

ing efficiency. Problem s connected w ith steam generator design for supercriti

cal p ressu re and double re h e a t are of g rea t in terest. The rep orted world-wide experience gained after some y ears of operation of existing power stations w ith supercritical staem p a ra m ete rs will given more inform ation for future design and selection of equipm ent’s. G enerator h a s th e following special features:

The steam g en erato r are constructed according to th e proved tow er con

stru ctio n principle w ith g as-tight seal welded enclosure w alls, i.e. b u ilt with finned evaporator tu be w all w ith spiral wound arrangem en t. In view of a h ig h est possible therm odynam ic efficiency a supercritical pressure of 26,6 M Pa, and steam tem p eratu re of 580/600°C were selected. The total efficiency w ith condensation operation is 42,0%. W ith th e proposed decoupling of steam for d istrict h ea tin g system a achievable th erm al efficiency will be considerably g reater. The once-through steam generato r is intend ed for base load operation as well as for sliding pressu re operation. L ater it shall be o perated in m edium capacity factor and p eak load ranges. The p lan t is therefore designed for quick sta rt-u p and shutdow n. Low load operation is possible down to 25% a t supercritical pressure, w hereby below 40% load circulation m u st be used.