Adam DROŻYŃSKI
Fabryka Kotłów RAFAKO S. A., Racibórz
TECHNICZNO-EKONOMICZNE ASPEKTY
NOWOCZESNYCH KOTŁÓW PRZY NAD KRYTYCZNYCH PARAMETRACH PARY
S tre s z c z e n ie . W opracow aniu zaw arto w ybrane aspekty technicz
no-ekonom iczne nowoczesnych kotłów przy nadkrytycznych ciśnie
niach p ary ze szczególnym uw zględnieniem możliwości budowy takich kotłów, ich kosztów budowy, popraw ienia ich w łasności dynamicznych, przyrostu spraw ności bloku, a w konsekwencji oszczędności węgla i obniżenia emisji SOx, NOx, CO, pyłów i C 0 2. O pierając się n a analizie ww. zagadnień dokonano próby w ykazania, iż nowoczesne kotły w nad- krytycznym cyklu w odno-parow ym z satysfakcją m ogą spełniać w ym a
gania użytkowników.
TECHNICAL AND ECONOMICAL ASPECTS of MODERN BOILERS for SUPERCRITICAL STEAM PARAMETERS
S u m m a ry . The p ap er includes some technical and economical aspects of m odern boilers for supercritical steam p ressure. Special atten tio n was paid to th e possibilities of construction, costs, dynamic properties, efficiency and consequently coal saving and reduction of SOx, NOx, CO, d u st and C 0 2 emission. Based on th e analisis of a. m.
issues th e paper a tte m p ts to prove th a t th e u se rs req u irem en ts can be best satisfied by adoping a once th ro u g h boiler w ith supercritical steam cycle.
TECHNISCHE UND EKONOM ISCHE ASPECTE DER K ESSEL BEI ÜBERKRITISCHEN DAMPFPARAMETERN
In der A rbeit sind die technische u n d ekonom ische A spekte der Kessel bei überkritischem Druck, sovie B aum öglichkeiten, Kosten, dynam ische Eigenschaften, B lock-W irkungsgraderhöhung u n d in der Konsequenz K ohlenersparnis u n d B egrenzung der E m issionen von SOx, NOx, CO, S tau b u n d C 0 2 en th alten . A uf G rund der Analyse obenerw ähnter F rag ep u n kte versu ch t m an nachzuw eisen, daß die
148 Adam Drożyński
m odernen Kessel m it überkritischem W asser-D am pf-Z yklus die E rforderungen der B enutzer zufriedenstellend erfüllen können.
WPROWADZENIE
W procesie w ytw arzania energii elektrycznej ochrona środow iska i obniże
nie kosztów w ytw arzania energii znalazły się w cen trum zainteresowania producentów i użytkowników urządzeń energetycznych. W ysoka dyspozycyj
ność oraz lepsze własności dynamiczne, ja k również w ysoka spraw ność tych urządzeń, m niejsze zużycie paliw i m niejsze zanieczyszczenie środowiska, a także przyjem na kompozycja architektoniczna elektrow ni stały się podstawo
wymi w ym aganiam i.
W ym agania te mogą być z powodzeniem spełnione przez zastosowanie kotłów w nadkrytycznym cyklu wodno-parow ym . Techniczno-ekonomiczne aspekty tak ich kotłów przy ciśnieniach nadkrytycznych s ą przedm iotem ni
niejszego opracowania.
CIŚN IEN IE PODKRYTYCZNE - KRYTYCZNE - NAD KRYTYCZNE W podkrytycznym cyklu wod
n o-parow ym uk ład kocioł — tu r b in a p racuje przy ciśnieniu podkrytycznym , n a to m ia s t w cyklu nadkrytycznym przecho
dzi w szystkie fazy ciśnienia:
podkrytyczne (rozruch, p raca przy niższych obciążeniach i ciśn ien iu poślizgowym), k ry ty czne i n adkrytyczne. Aby lepiej zrozum ieć oddziaływ anie tych ciśnień n a budowę i e k sp lo ata
cję bloku energetycznego, p rzy
d a tn e je s t poznanie przebiegów różnych p aram etró w w zależno
ści od ciśnienia.
D iagram te m p e ra tu ra - en tro p ia (rys. 1) pokazuje p rzebie
gi te m p e ra tu r i en trop ii przy różnych ciśnieniach: podkryty- cznych (A) i n ad kry tycz
nych (B).
Entropia
Rys. 1. D iagram te m p e ra tu ra - entropia Fig. 1. T em p eratu re - entropy diagram
Z rys. 1 widać, iż zarówno entropia, ja k i jej przyrosty są m niejsze przy ciśnieniach nadkrytycznych.
Przebieg te m p e ra tu r i entalp ii w zależności od ciśnienia ilu stru je diagram entalpia - ciśnienie (rys. 2). L inia Ai - A2 - A3 opisuje kocioł podkrytyczny z tem peraturą parow ania w separato rze (A2), n a to m ia st lin ia Ib - B2 - B3,
odpowiednio, kocioł nad- krytyczny z te m p e ra tu rą przegrzew ania w rozru
chowym separato rze (B2).
S tosunek przy rostu e n ta l
pii w kotle nadkrytycznym (linia B i - B3) do przyrostu en talp ii w kotle podkryty- cznym (linia Ax - A3) w po
kazanym przykładzie wy
nosi ca 0,9 i je s t m iarą zm niejszenia zużycia p ali
w a (węgla), a w konse
kwencji zm niejszenia em i
sji SOx, NOx, CO, pyłów i C 0 2 w kotle nadkrytycz
nym oraz kosztów inw es
tycyjnych zespołów p aleni
skowych kotła.
Stosunek przyrostu en
talpii między separatorem (B2) a wylotem z kotła nad- krytycznego (B3) - linia B2 - B3 odpowiednio do kotła podkrytycznego (z pompa
mi cyrkulacyjnymi) - Unia A2 — A3, w pokazanym przykładzie wynosi - 0,4 i jest m iarą zmniejszenia po
wierzchni ogrzewalnej przegrzewaczy wysokiego ciśnienia w kotle nadkryty
cznym. Zmniejszenie tych powierzchni jest ta k duże, że powoduje znaczne zmniejszenie całkowitych pow ierzchni ogrzewalnych
0 100 200 , Q t Q 300
Ci ś n i en i e
Rys. 2. D iagram en talp ia - ciśnienie Fig. 2. E n th a lp y - p ressu re diagram
150 Adam Drożyński
kotła nadkrytycznego w porów naniu z po
mpowym kotłem pod- krytycznym.
D iagram wg rys. 3 pokazuje, że w kotle nadkrytycznym obję
tość właściwa pary je s t znacznie mniej
sza.
Właściwość ta mo
że być wykorzystana przy projektowaniu kotła i rurociągów w celu zmniejszenia w ym iarów i/łub spad
ków ciśnień w prze- grzew aczach i ruro
ciągach pary.
Z analizy ww. od
działyw ania ciśnienia nadkrytycznego moż
n a w ysunąć wniosek, iż koszty inwestycyj
ne kotła nadkrytycz- 150 200 250 bar 300 nego m ogą być skom-
C ¡ ś n i e n i e pensow ane do pozio
m u zbliżonego do ko-
Rys. 3. D iagram objętości właściwej sztów odpowiednio porównywalnego kot-
Pig. 3. Specyfic volum en diagram }a podkrytycznego pompowego.
N a rys. 4 pokazano rozkład tem p e ra tu ry p ary w poszczególnych wężowni- cach przegrzew acza pierwotnego i w tórnego badanego kotła dużej wydajności.
Z porów nania rozkładów tem p e ra tu ry w ynika, iż nierównom ierność tem p era
tu ry p ary w przegrzew aczu pierwotnym je s t m niejsza. Potw ierdziły to rów
nież b ad an ia kilku innych kotłów. Z bad ań tych wynika, iż nierównomierność i w ah an ia te m p e ra tu r pary są w przybliżeniu proporcjonalne do w artości dt/di przedstaw ionej n a rys. 5 w zależności od ciśnienia i tem p e ra tu ry pary.
Z bad ań kotła wg rys. 4 i innych kotłów oraz z rys. 5 w ynika iż nierówno- m ierności i w a h an ia te m p e ra tu r p ary w kotle nadkrytycznym będą mniejsze.
KOCIOt 740 MWe
Rys. 4. N ierów nom iem ość tem p. p ary w wężów- nicach przegrzew acza [3]
Fig. 4. S team te m p eratu re d istribution across SH and RH
Ci śni eni e par y MPa
Rys. 5. dt/di w funkcji ciśnienia i tem p. p ary [3]
Fig. 5. dt/di vs steam p ressu re and tem p.
TEMPERATURY W RURACH GŁADKICH ŚCIAN MEMBRANOWYCH KOTŁÓW PRZY CIŚNIENIACH PODKRYTYCZNYCH
INADKRYTYCZNYCH
W celu rozpoznania m echanizm u w ym iany ciepła w ru ra c h gładkich p rze
prowadzone zostały liczne prace badawcze przy różnych n atężeniach ciepl
nych, przepływ ach masowych wody i ciśnieniach.
Rys. 6 ilu stru je zależność w ym iany ciepła od n a tę ż e n ia cieplnego przy określonym przepływie masowym (1000 kg/m 2s) i ciśnieniu 185 b a r w gład
kich ru ra c h parow nika. W yraźnie uwidoczniona je s t osłabiona w ym iana cie
pła i spiętrzenie te m p e ra tu r w ew nętrznych powierzchni ścianki r u r w okre
ślonym zakresie entalp ii (zaw artości p a ry x).
Rys. 7 n ato m iast pokazuje te zależności przy ciśnieniu nadkrytycznym 250 bar. Z rys. 7 widać, że przy tym sam ym przepływie 1000 kg/ m2s naw et przy wyższych n atężeniach cieplnych te m p e ra tu ry r u r s ą niższe.
152 Adam Drożyński
p = 250 b a r M = 1000 kg /m s
temp.
czynnika
Rys. 6. E ksperym entalne w yniki w ym iany ciepła przy ciśnieniu podkrytycznym
Fig. 6. E xperim ental resu lts of h e a t tra n sfe r in subcritical p ressu re [1]
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 Ental pia 103 kj / kg
Rys. 7. E ksperym entalne w yniki wy
m iany ciepła przy ciśn. nadkryt.
Fig. 7. E xperim iental resu lts of heat tra n sfe r in supercritical p ressu re [11
TEMPERATURY W RURACH WEWNĘTRZNIE PROFILOWANYCH PRZY CIŚNIENIACH PODKRYTYCZNYCHINADKRYTYCZNYCH
W CE’s K reisinger Laboratory USA oraz w Jap o n ii przeprow adzone zostały obszerne b adan ia w ym iany ciepła w profilowanych w ew nętrznie ru ra c h przy ciśnieniach podkrytycznych i nadkrytycznych.
Rys. 8 pokazuje wyniki badań porównawczo przy:
1 - ru ra c h gładkich,
2 - pojedynczo profilowanych, 3 — krzyżowo profilowanych,
przy ciśnieniu podkrytycznym (210 bar).
Rys. 9 z kolei ilu stru je różnice te m p e ra tu r m iędzy w ew nętrzną ścianką ru ry a przepływającym czynnikiem przy ciśnieniach podkrytycznych i nad
krytycznych.
W yniki badań przedstaw ione n a rys. 8 pokazują, iż efekt chłodzenia rur profilowanych, a zwłaszcza krzyżowo profilowanych, je s t w yraźnie korzystny.
Nie je s t on jed n a k n a tyle korzystny, aby mógł być w ykorzystany do zastoso
w ania r u r profilowanych pionowo ułożonych w ścianach kom ory paleniskowej
Temperatura wewnętrznej powierzchnirury
k c a l / k g En t a l p i a
Rys. 8. Rozkład tem p. wewn. ścianki ru r Fig. 8. D istribution of tube w ali tem p. [5]
Ciśnienie
a t a
Obciążenie kotła %
Rys. 9. Różnica tem p. m iędzy wewn. ścian
k ą ru ry i czynnikiem przepływ.
Fig. 9. Difference tem p. max. inside su rfa
ce tem p. a n d b u lk fluid tem p. [5]
kotłów bez dodatkowej cyrkulacji, w blokach energetycznych średniej wielkości (np. poniżej 600 MWe), ja k to pokazano n a rys. 10, gdzie przery
w ane linie oznaczają m i
nim alny w ym agany p rze
pływ masowy:
1 - dla r u r gładkich, 2 — dla r u r pojedynczo
profilowanych, 3 - dla r u r krzyżowo pro
filowanych.
Ponieważ rzeczywisty przepływ masowy kotła, np. 300 MW, w ynikający
Rys. 10. Przepływ masowy w kotłach przepł. z pionowymi ru ra m i
Fig. 10. M ass flow on once through boilers w ith vertical tubes. [1]
154 Adam Drożyński
z ilości przepływającej wody i przekroju r u r n a obwodzie komory palenisko
wej, je s t m niejszy od wymaganego, nie je s t możliwe pionowe ułożenie ru r w kotle takiej wielkości bez dodatkowej cyrkulacji.
Rys. 11 ilu stru je zwiększenie w spółczynnika ta rc ia X, a zatem również oporów przepływu wody w ru ra c h w ew nętrznie profilowanych.
Li czba R e y n o l d s a Re
Rys. 11. Współczynnik ta rc ia przy przepływie wody [6]
Fig. 11. Friction coefficient for w ate r flow. [6]
MATERIAŁY DLA NOWOCZESNYCH KOTŁÓW NADKRYTYCZNYCH W program ach badawczych E uropean COST 501, A m erican EPRI-1403 oraz Ja p an e se R + D zebrano obszersze dane ferrytycznych stali [martenzyty- cznych] 9 + 12% Cr. Nowa stal T91/P91 z O ak Ridge N ational Laboratory przew yższa europejską X20CrMoV121.
T ab lica 1 Ilość la t
eksploatacji
Ilość godz.
b ad a ń labor.
W ytrz. pełz.
600°C, 100000 h Rz N/mm2
14MoV63 > 2 0 200 000 40
X20CrMoV121 > 2 0 200 000 60
X10CrMoVNb91(T91) 3 100 000 90
9CrMo+W (Tungsten steel) - 10 000 -110
X9CrNiNb 1613 108
W yniki prac badawczych n a d zm odyfikowaną s ta lą T/P91 - 9CrMo +W (Tungsten steel) są bardzo obiecujące. Z p rogram u COST 501 R2 w ynika, że stal ta posiada około 20% wyższe własności wytrz. od klasycznej stali T/P91.
W program ie COST 501 R3 położony będzie nacisk n a b ad an ia i rozwój tej stali.
Z kluczowych publikacji w tym zakresie w ynikają n astępujące lim ity p a ra metrów bloku energetycznego: ca 580°C i 46% spraw ności p rzy zastosow aniu ferrytycznych stali.
Te m p e r a t u r a
Rys. 12. W ytrzymałość n a pełzanie różnych gatunków m ateriałów p rzy 100 000 godz.
Fig. 12. Creep stre n g h t values for different steel m a teria ls (average a t 100 000 hr)
156 Adam Drożyński
SPRAWNOŚĆ BLOKU ENERGETYCZNEGO
Sprawność bloku energetycz
nego zależy od param etrów pary (ciśnienie, tem p e ra tu ra ) oraz od spraw ności kotła, turbiny, sposo
bów eksploatacji bloku (ciśnienie stałe, ciśnienie poślizgowe), zuży
cia energii n a potrzeby własne, próżni w skraplaczu (temp. wody chłodzącej).
N a rys. 13 pokazano zm ianę spraw ności bloku energetyczne
go w zależności od ciśnienia i te m p e ra tu ry p ary n a wlocie do turbiny. Z rys. 13 widać znaczny przyrost sprawności przy przej
ściu z ciśnienia pary, np. 180 n a 250 bar, oraz znacznie m niejszy przyrost sprawności przy przej
ściu z ciśnienia 250 n a 320 bar.
PODSUMOWANIE
Bloki energetyczne z bardzo wysokimi ciśnieniam i nadkrytycznym i (ciśnie
n ia ultranadkrytyczne) i tem p e ra tu ra m i p a ry były budow ane w USA już w lata ch pięćdziesiątych. Szczytowe p a ra m etry osiągnął blok P h iladelphia Elec
tric Co’s Eddystone: 372 bar, 654/566/566°C. T ak wysokie ciśnienie, a zwłasz
cza te m p e ra tu ra pary wym agały stosow ania m ateriałów austenitycznych.
Wysokie koszty inwestycyjne, problem y eksploatacyjne z m ateriałam i auste- nicznym i oraz niskie ceny paliw w następnych lata ch skłaniały użytkowników do wyboru bardziej konserw atywnych param etrów pary. Typowymi param e
tra m i p ary w U S A i Japon ii stały się: ciśnienie ca 250 bar, tem p. 538 + 543/538 + 560°C. E uropa pozostaw ała dalej bardziej konserw atyw na, nie budując w zasadzie bloków „nadkrytycznych”.
O statnio jed n a k m ożna zauważyć znaczny w zrost zainteresow ania - także w Europie - blokam i energetycznym i z p a ra m etram i ca 250 bar, 540 + 560/560 + 570°C. W latach osiem dziesiątych i dziewięćdziesiątych uruchomio
no i buduje się m. in. następujące bloki „nadkrytyczne”:
- SHIDONGKOU CHINY 2x640 MWe 254 bar, 541/569°C - PORYONG KOREA Pd. 4x500 MWe 251 bar, 541/541°C
6
5 4 3 2 1
0
-1 -2 -3 - 4 - 5 -6 -7 -8 - 9
160 200 250 b a r 300 320
C iś n ie n ie p a ry
Rys. 13. W zględna zm iana spraw ności bloku energ. w zależności od param etrów pary Fig. 13. Change of Pow er P la n t Efficiency v.
ste am p ara m ete rs
w EUROPIE:
- AMER 9 HOLANDIA 600MWe 270 bar, 540/568°C
- ESBIERG 3 DANIA 400MWe 250 bar, 560/560°C
- FRANKEN 11 NIEMCY 150 600 MWe 281 bar, 545/562°C i inne jak: Rostock, Staudynger, M annheim , Schw arze Pum pe w Niemczech.
Prowadzone są bardzo intensyw ne prace badawcze, tak że w zakresie p a ra metrów ultrakrytycznych, np. w USA - 266 b ar, 579/593°C, w Japonii 310 b a r 565/565/565°C, w Niemczech 260 bar, 590/603°C, w D anii 300 bar, 580/580/580°C.
Rozwój nowych gatunków stali i w ym agania ekologiczne spowodowały, że bloki „nadkrytyczne” stały się bardzo atrakcyjne przez w zrost ich sprawności, a w konsekwencji przez zm niejszenie zużycia paliw a i em isji SOx, NOx, CO, pyłów i C 0 2, ja k również przez obniżenie kosztów w ytw arzania energii, przy równoczesnym popraw ieniu dyspozycyjności, żywotności, elastyczności i w łas
ności dynam icznych bloku energetycznego.
LITERATURA
[1] Pietzonka F., Salem A., Desing Aspects of M odern Steam G enerators.
Sulzer 1986.
[2] E cabert R., M iszak P., Once - th ro u g h Boilers w ith V ertical or Helical Tubing. Sulzer Technical Review 3/1980.
[3] Drożyński A., N in - Uniform SH and RH T em p eratu re Profiles. 23 rd M eeting of MBL 8/93, Sw itzerland.
[4] A m acker S., H enry C., M aterials for Advanced S upercritical Boilers.
ABB Boiler P la n ts Sept. 1993.
[5] H eat T ran sfer C haracteristics of Rifled Tibings. Sum itom o M etal In d u stries Ltd 1994.
[6] P ressu re Drop of Rifled Tubes (Sumitomo MI 1994).
[7] Drożyński A., Dośw. ekspl. i m oderniazcja kotłów w EL. Bełchatów.
Zeszyty Naukowe Politechniki Śl. 1990.
Recenzent: Prof, d r hab. inż. Ludw ik CWYNAR
Wpłynęło do Redakcji 31. 08. 1994 r.
158 Adam Drożyński
A b s tr a c t
The electric power utilities as well as th e public are g ettin g more and more sensitive to an electricity production, w hich pais full a tte n tio n to all environm ental aspects.
High power p la n t efficiency, lower fuel consum ption, low pollution and a p lea sa n t arch itectu ral desing are required. There is a noticeable tren d to im prove th e specific h e a t consum ption and p la n t efficiency by increasing the p a ra m ete rs of steam cycle employed in th e power p lants. In addition to increasing th e steam p a ra m ete rs th e re is a groving dem and upon the operational flexibility of th e plants. More th a n ever th e aim of th e utilities today is to plan and operate u n its w ith reliable and flexible components and to achieve a m axim um from th e proposed fuel an d installation.
These requirem ents are satisfied by adopting a once tro u g h bolder with sliding pressure mode of operation and supercritical steam cycle.
All th ese stipulations ask, am ong others, for th e design of supercritical boilers w ith higer and higher steam pressu res and tem p e ra tu re s w hich could be acceptable by th e boiler and tu rb in e m an u fak tures.
To cope w ith these requirem ents, intensive developm ent works on suitable m aterials have been sta rte d m any years ago. This works concentrated on the m artensitic 9 + 12% Cr steels.
Also, recently, th e developm ent in th e field of rifled tubes was oberved.
These technical and economical aspects of m odern steam generators for supercritical steam p aram eters are a subject of th is paper.
