Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej ANALIZA EKONOMICZNA PLAZMOWEGO ROZRUCHU KOTŁÓW PYŁOWYCH

Transkrypt

1 Przemysław BUKOWSKI Arkadiusz DYJAKON Włodzimierz KORDYLEWSKI Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej Marek SALMONOWICZ Zespół Elektrociepłowni Wrocław KOGENERACJA S.A. ANALIZA EKONOMICZNA PLAZMOWEGO ROZRUCHU KOTŁÓW PYŁOWYCH Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki ekonomicznej analizy porównawczej rozruchu kotłów pyłowych z zastosowaniem techniki plazmowej i instalacji rozruchowych wykorzystujących inne nośniki energii, w oparciu o koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Wykazano zasadność aplikacji wybranego plazmowego systemu rozruchowego w kotłach pyłowych z ekonomicznego punktu widzenia. Zwrócono takŝe uwagę na zagroŝenia dla niezawodnej pracy bloku energetycznego spowodowane zastosowaniem plazmowej instalacji rozruchowej. Zaproponowano sposób zabezpieczenia bloku przed tego rodzaju zagroŝeniami i przeanalizowano ich wpływ na rentowność uŝycia plazmowego systemu rozruchowego w kotłach pyłowych. ECONOMIC ANALYSIS OF PLASMA START-UP SYSTEM OF PULVERIZED COAL-FIRED BOILERS Summary The results of comparative economic analysis of start-up of pulverized coal-fired boilers with the use of plasma technology and kindling systems using other energy carriers based on investment and exploitation costs are presented in the paper. It was shown that application of the plasma start-up systems in pulverized coal-fired boilers is reasonable from an economic point of view. Hazard of plasma start-up systems application to reliable operation of a plant unit was indicated. The protection method of the plant unit against these types of hazards was proposed and its influence on the profitability of the plasma start-up system application in the pulverized coal-fired boilers was analysed. 1. Wstęp W polskiej energetyce rozruch kotłów pyłowych jest realizowany z reguły za pomocą palników zasilanych cięŝkim olejem opałowym. Wzrost cen paliw płynnych w ostatnich latach spowodował zainteresowanie alternatywnymi systemami rozruchowymi, do jakich naleŝą plazmowe systemy rozruchowe (PSR). Motywacją do rozwoju PSR są takŝe problemy eksploatacyjne instalacji mazutowej oraz wysokie koszty jej utrzymania w ruchu (koszt pary technologicznej, personelu, energii elektrycznej i inne), a ponadto problemy ekologiczne polegające z emisji zanieczyszczeń podczas spalania mazutu w zimnym palenisku (widoczne dymienie z powodu emisji sadzy oraz wydzielanie SO 2 na skutek wysokiej zawartości siarki w mazucie sięgającej 2-3%). Mgr inŝ. Przemysław BUKOWSKI jest doktorantem w Zakładzie Spalania i Detonacji Dr inŝ. Arkadiusz DYJAKON jest adiunktem w Zakładzie Spalania i Detonacji Prof. dr hab. inŝ. Włodzimierz KORDYLEWSKI jest kierownikiem Zakładu Spalania i Detonacji Mgr inŝ. Marek SALMONOWICZ jest zastępcą Dyrektora ds. Produkcji i Członkiem Zarządu w ZEC KOGENRACJA S.A.

2 Niewątpliwą zaletą plazmowych systemów rozruchowych jest ich zasilanie tanim pyłem węglowym. ChociaŜ idea działania plazmowego system rozruchowy jest znana od lat 80-tych, pewne trudności techniczne powodują, Ŝe PSR nie osiągnął jeszcze statusu komercyjnego. Istnieją co prawda instalacje plazmowe w róŝnego typu kotłach [1, 2], ale ich stopień zaawansowania technicznego jest nadal daleki od dzisiejszych wymogów stawianych systemom rozruchowym kotła. Sytuacja na rynku paliw płynnych spowodowała jednak zintensyfikowanie prac badawczych w Rosji (Novosybirsk), Ukrainie (Dnepropavlosk), Czechach (Ostrava) oraz równieŝ w Polsce (Wrocław). MoŜna więc oczekiwać coraz dojrzalszych rozwiązań i zasadne staje się zagadnienie ekonomicznej efektywności PSR. 2. Charakterystyka plazmowych systemów rozruchowych Istota plazmowego systemu rozruchowego polega na zapłonie pyłu węglowego przy pomocy strumienia plazmy generowanej przez plazmotron, a podstawowym elementem PSR jest plazmowy palnik pyłowy (PPP). Konfiguracjach PPP w kotle zaleŝy od typu paleniska i układu nawęglania, wydajności kotła oraz rodzaju spalanego węgla (Rys. 1). a) b) Plazmotron Powietrze wtórne Pył + powietrze pierwotne Powietrze wtórne Plazmotron Rys. 1. Schemat plazmowego palnika pyłowego (a), naroŝna konfiguracja plazmowych palników pyłowych (b) Podstawowym zadaniem PSR jest wyeliminowanie mazutu z procesu rozruchu kotła i zastąpienie go pyłem węglowym. Zaletą PSR jest prosta budowa oparta na podzespołach elektroniczno-elektrycznych, charakteryzujących się niezawodnością i sprawnością. Komercyjna implementacja plazmowej technologii rozruchu kotłów wymaga jeszcze rozwiązania pewnych problemów technicznych, naleŝą do nich: zapewnienie pyłu węglowego do PSR w warunkach zimnego startu kotła i młyna, wyeliminowanie generowanych przez plazmotron zakłóceń elektromagnetycznych i wydłuŝenie trwałości plazmotronu. 3. ZałoŜenia analizy ekonomicznej Celem analizy jest porównanie róŝnych wariantów instalacji rozruchowych kotłów pyłowych w celu umoŝliwienia wyboru najlepszego rozwiązania z ekonomicznego punktu widzenia. W analizie rozpatrywano instalacje rozruchowe wykorzystujące następujące nośniki energii: mazut, lekki olej opałowy, gaz ziemny i propan techniczny oraz instalację plazmową zasilaną pyłem węglowym. Parametry charakteryzujące wymienione nośniki przedstawiono w tabeli 1.

3 Numer Nośnik energii Porównanie wybranych parametrów poszczególnych nośników energii Wartość opałowa Gęstość Cena (bez VAT) Stosunek mas dla zachowania stałego strumienia ciepła Tabela 1 Koszt ciepła kj/kg kg/m 3 zł/m 3 zł/kg zł/l kg paliwa /kg mazutu zł/gj 1 Węgiel kamienny ,16-1,64 6,58 2 Mazut ,20 1,16 1,00 29,90 3 Olej lekki ,47 2,12 0,95 58,72 4 Propan P ,20 2,14 0,88 91,94 5 Gaz ziemny E ,74 1,72 2,32-0,95 55,48 6 Energia elektryczna ,00 Analiza ekonomiczna dotyczy pojedynczego kotła pyłowego OP-430, poprzez wyodrębnienie kosztów jego bezpośredniej eksploatacji oraz procentowego udziału w kosztach eksploatacji całej instalacji rozruchowej w zakładzie energetycznym. Wybrano kocioł OP-430, poniewaŝ jest on typowym kotłem eksploatowanym w polskiej energetyce cieplnej. Analiza została wykonana w oparciu o następujące dane i załoŝenia: - dane finansowe do analizy pozyskano z elektrowni i elektrociepłowni, dostawców nośników energii oraz firm kotłowych i serwisowych, - analiza nie uwzględnia zmiany ceny danej instalacji w wyniku konkurencji, przetargu czy zmian rynkowych, - do analizy przyjęto 10-letni okres eksploatacji kotła, - załoŝono 10 rozruchów kotła ze stanu zimnego oraz 10 rozruchów ze stanu gorącego w ciągu roku. W analizie ekonomicznej wyodrębniono następujące koszty związane z budową i działaniem danej instalacji rozruchowej: a) koszty inwestycyjne (jednorazowy przepływ pienięŝny w okresie początkowym), b) koszty eksploatacyjne (roczne koszty utrzymania instalacji): - stałe (niezaleŝne od ilości rozruchów kotła i wyraŝone w zł/rok), - zmienne (zaleŝne od liczby rozruchów/rok, wyraŝone w zł/rozruch lub zł/h). Przyjęto, Ŝe wszystkie instalacje rozruchowe, poza mazutową są nowe, poniewaŝ większość zakładów energetycznych jest wyposaŝona w działające instalacje mazutowe. W związku z powyŝszym przeprowadzona analiza kosztów odnosi się do istniejącej instalacji mazutowej (brak nakładów inwestycyjnych K inw = 0). Do kosztów eksploatacyjnych instalacji mazutowej wliczono następujące główne koszty: paliwa, pary technologicznej do podgrzewania i rozpylania mazutu, personelu obsługi, napędu pomp głównych, średnich remontów rocznych. Natomiast po stronie instalacji plazmowej uwzględniono koszty: energii elektrycznej na zasilanie plazmotronu, chłodzenia plazmotronu, węgla rozruchowego oraz jego przemiału i konserwacji plazmotronu. W tabeli 2 wymieniono koszty inwestycyjne najniezbędniejszych elementów instalacji PSR. Przyjęto, Ŝe plazmotrony zostaną zainstalowane na istniejących dyszach pyłowych oraz, Ŝe zmiany w układzie młynowym będą minimalne. Koszty elementów instalacji plazmowej bazują na ofercie firmy ORGREZ [3].

4 Tabela 2 Koszty inwestycyjne instalacji plazmowej dla kotła OP-430 L.p. Nazwa Cena, zł Ilość, Wartość, zł szt. 1. Zasilacz 300 kw Stacja TRAFO Plazmotron Układ sterowania (automatyka) Układ kontrolno-pomiarowy Roboty przypalnikowe Prace montaŝowe i instalacyjne Pozostałe prace związane z projektem Całkowity koszt inwestycyjny: W tabeli 3 przedstawiono koszty eksploatacyjne stałe oraz zmienne dla plazmowej i mazutowej instalacji rozruchowej (opracowane w oparciu o aktualne koszty eksploatacyjne instalacji mazutowej w jednej z elektrociepłowni). Tabela 3 Koszty eksploatacyjne stałe oraz zmienne dla instalacji plazmowej i mazutowej kotła OP-430 (10 rozruchów ze stanu zimnego i 10 rozruchów ze stanu gorącego) Mazut Plazma koszty eksploatacyjne stałe Koszt pary technologicznej, zł/rok Koszt zasilania pomp głównych, zł/rok Koszt remontów, zł/rok Koszt zatrudnienia, zł/rok Roczne koszty eksploatacyjne stałe, zł/rok Dane do obliczeń kosztów eksploatacyjnych zmiennych Ilość mazutu na rozruch ze stanu zimnego, t/rozruch 22 - Ilość mazutu na rozruch ze stanu gorącego, t/rozruch 2,2 - Ilość węgla na rozruch ze stanu zimnego, t/rozruch - 36,17 Ilość węgla na rozruch ze stanu gorącego, t/rozruch - 3,62 Ilość rozruchów ze stanu zimnego 10 Ilość rozruchów ze stanu gorącego 10 Koszt paliwa rozruchowego ze stanu zimnego, zł/rozruch Koszt paliwa rozruchowego ze stanu gorącego, zł/rozruch Cena energii elektrycznej, zł/mwh 144 Koszt pracy plazmotronu, zł/h - 43 Czas pracy plazmotronu (rozruch ze stanu zimnego), h/rozruch - 2 Czas pracy plazmotronu (rozruch ze stanu gorącego), h/rozruch - 0,5 Koszt energii elektrycznej pracy plazmotronu (rozruch ze stanu zimnego), zł/rozruch Koszt energii elektrycznej pracy plazmotronu (rozruch ze stanu gorącego), zł/rozruch - 43 Dopuszczalny czas pracy elektrod, h Koszt elektrod, zł/komplet Koszt robocizny wymiany elektrod, zł/komplet Koszt zuŝycia plazmotronu, zł/h - 85

5 Koszt zuŝycia instalacji plazmowej (rozruch ze stanu zimnego), zł/rozruch Koszt zuŝycia instalacji plazmowej (rozruch ze stanu gorącego), zł/rozruch - 85 Całkowity koszt pracy plazmotronu (rozruch ze stanu zimnego), zł/rozruch Całkowity koszt pracy plazmotronu (rozruch ze stanu gorącego), zł/rozruch Koszty eksploatacyjne zmienne (dla 10 rozruchów rocznie) Koszt roczny paliwa rozruchowego ze stanu zimnego, zł/rok Koszt roczny paliwa rozruchowego ze stanu gorącego, zł/rok Całkowity koszt pracy plazmotronów (rozruch ze stanu zimnego), zł/rok Całkowity koszt pracy plazmotronów (rozruch ze stanu gorącego), zł/rok Średnioroczne koszty eksploatacyjne zmienne, zł/rok Zestawienie całkowitych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych dla rozpatrywanych instalacji oraz najwaŝniejsze załoŝenia finansowo-ekonomiczne przedstawiono w zbiorczej tabeli 4. Zestawienie kosztów oraz załoŝenia finansowo-ekonomiczne dla poszczególnych instalacji [2] Tabela 4 Nakład inwestycyjny, zł Roczne koszty eksploatacyjne stałe, zł/rok Średnioroczne koszty eksploatacyjne zmienne, zł/rok Roczna stopa amortyzacji ZałoŜona stopa dyskontowa Efektywna stopa podatkowa Przewidywany okres inwestycji Plazma Mazut Olej lekki Propan P Gaz ziemny E % 6,5% 15% 10 lat 4. Porównanie instalacji plazmowej z innymi systemami rozruchowymi W oparciu o analizę kosztów i załoŝenia z tabeli 4 uzyskano przepływy pienięŝne (CASH FLOW) w okresie załoŝonych 10 lat. Uwzględniając następnie stopę dyskontową i wskaźnik NPV (Net Present Value) wyraŝony wzorem (1) oraz efekt tzw. tarczy podatkowej (tarcza podatkowa w przypadku inwestycji pozwala na obniŝanie podstawy opodatkowania oraz kosztów samej inwestycji) otrzymano przepływ środków finansowych, który przedstawiono w tabeli 5. Wskaźnik NPV (wartość bieŝąca netto) stanowi róŝnicę pomiędzy zdyskontowanymi przepływami pienięŝnymi a nakładami początkowymi [4]: n CFt NPV = I t 0 (1) t= 1 ( 1+ r) gdzie: NPV wartość bieŝąca netto, CF t przepływy gotówkowe w okresie t, r załoŝona stopa dyskonta, lub wewnętrzna stopa zwrotu (IRR)

6 I 0 nakłady początkowe, t kolejne okresy (lata) eksploatacji. Suma kosztów całkowitych poszczególnych instalacji w okresie 10 lat Tabela 5 Technologia rozpalania Koszty bez dyskonta, Koszty z dyskontem, Koszty z dyskontem i kotła w okresie 10 lat zł zł tarczą podatkową, zł Plazma Mazut Olej lekki Propan P Gaz ziemny E Szczegółowy rozkład zdyskontowanych przepływów pienięŝnych z uwzględnieniem tarczy podatkowej danego systemu rozruchowego przedstawiono na rysunku 2, natomiast skumulowane i zdyskontowane koszty eksploatacyjne i inwestycyjne, umoŝliwiające porównanie ekonomiki poszczególnych systemów pokazano na rysunku zł Plazma Mazut Olej lekki Propan P Gaz ziemny E Lata Rys. 2. Zdyskontowane przepływy pienięŝne dla poszczególnych wariantów z uwzględnieniem tarczy podatkowej

7 Plazma Mazut Olej lekki Propan P Gaz ziemny E zł Lata Rys. 3. Porównanie zdyskontowanych kosztów poszczególnych instalacji rozruchowych (przy załoŝeniu po 10 rozruchów ze stanu zimnego i gorącego) Przyrost skumulowanych kosztów rozruchu kotła w czasie jest wyraźnie róŝny dla poszczególnych paliw (Rys. 3). NajwyŜsze nachylenie krzywej wzrostu kosztów w czasie obserwowane jest dla propanu, najniŝsze zaś dla plazmowej instalacji rozruchowej kotła (w efekcie dla pyłu węgla kamiennego). Wyniki analizy zaprezentowane w tabeli 4 pozwalają stwierdzić opłacalność zastosowania technologii plazmowej dla celów rozruchu i podtrzymania pracy kotła opalanego pyłem węglowym. Porównanie kosztów rozpalania kotła przy pomocy róŝnych instalacji i paliw podczas jego dziesięcioletniej eksploatacji w odniesieniu do niezbędnych nakładów inwestycyjnych na poszczególne technologie wskazuje, Ŝe najbardziej ekonomiczna jest instalacja plazmowa. Koszty inwestycyjne oraz całkowite zdyskontowane koszty eksploatacyjne występujące w poszczególnych latach dla analizowanych instalacji rozpałkowych kotła OP- 430 (Rys. 3) pokazują, Ŝe najniŝsze całkowite koszty eksploatacyjne generuje instalacja rozruchowa wspomagana plazmą. W porównaniu z nią, całkowite koszty rozruchu kotła OP- 430 z uŝyciem gazu ziemnego typu E są czterokrotnie wyŝsze. Porównanie całkowitych kosztów eksploatacji mazutowej instalacji rozruchowej kotła OP-430 z plazmową instalacją rozruchową równieŝ wskazuje na znaczną przewagę instalacji plazmowej (Tabela 5). Nakłady na instalację plazmową zwracają się w przeciągu 3-4 lat, dla przynajmniej 10 rozruchów w ciągu roku (Rys. 3). W przypadku mniejszej liczby rozruchów, zwrot nakładów moŝe się wydłuŝyć o czas zaleŝny od rzeczywistej liczby rozruchów kotła. 5. Przykład analizy ekonomicznej zastosowania PSR w elektrociepłowni W celu pełniejszego zobrazowania efektów ekonomicznych spowodowanych zastąpieniem mazutowego systemu rozruchowego systemem plazmowym rozpatrzono

8 elektrociepłownię w jednym z duŝych miast, zakładając harmonogram wymiany systemów rozruchowych w następujących kotłach: kocioł K-2 (OP-430) w roku 2007, kotły K-1 (OP-380) i K-3 (OP-430) w roku 2008, kotły wodne KW-3 i KW-5 w roku Przeprowadzone analizy ekonomiczne, których wyniki pokazano w poprzednich punktach opierały się na załoŝeniu, Ŝe instalacja plazmowa rozruchu kotłów działa bezawaryjnie. Biorąc pod uwagę fakt, Ŝe plazmowe instalacje rozruchowe są rozwiązaniami prototypowymi i brak jest doświadczeń eksploatacyjnych, trzeba załoŝyć, Ŝe w pierwszych latach eksploatacji zakłady energetyczne powinny zastosować formę zabezpieczenia przed skutkami awarii PSR. Rozpatrywano zabezpieczenie w formie instalacji rezerwowych: mazutowej, na olej lekki i dodatkowe palniki z plazmotronami. Okazało się, Ŝe pozytywny wynik ekonomiczny uzyskuje się tylko pozostawiając w elektrociepłowni istniejącą instalację mazutową. Generowane w rezultacie tego zabezpieczenia dodatkowe koszty zostały wliczone w koszty inwestycyjno-eksploatacyjne PSR. Ograniczono się więc do dwóch wariantów oznaczonych jako: mazut pozostaje dotychczasowa instalacja na olej cięŝki, z uwzględnieniem potrzeby modernizacji w 2011 roku, plazma wyposaŝenie wszystkich kotłów w PSR i pozostawienie instalacji mazutowej w gotowości operacyjnej z uwzględnieniem jej modernizacji w 2011 roku. Wyniki analizy w okresie porównawczym (do roku 2020) pokazano na rysunkach 4 i 5. Wskaźniki NPV i IRR (wartość bieŝąca netto i wewnętrzna stopa zwrotu) wyniosły odpowiednio: NPV (9,2%) = zł, IRR=12,4% Plazma z zabezpieczeniem (mazut) Cash-flow, tys. zł Dotychczasowa instalacja mazutowa Lata Rys. 4. Zdyskontowane przepływy pienięŝne (cash-flow) dla rezerwowej i dotychczasowej instalacji mazutowej

9 Zdyskontowane przepływy skumulowane tys. zł Plazma z zabezpieczeniem (mazut) Dotychczasowa instalacja mazutowa Lata Rys. 5. Porównanie skumulowanych kosztów instalacji plazmowej z rezerwową instalacją mazutową i dotychczasowej instalacji mazutowej Okres zwrotu dla instalacji plazmowej z rezerwową instalacją mazutową wyniesie 12 lat. Uzyskany dodatni wynik ekonomiczny powstał głównie dzięki róŝnicy w cenie mazutu i węgla. Nie uniknięto natomiast kosztów stałych związanych z pracą instalacji mazutowej, poniewaŝ jej gotowość operacyjna jest koniecznym, z punktu widzenia elektrociepłowni, zabezpieczeniem na wypadek awarii eksperymentalnej instalacji plazmowej. 7. Wnioski Przeprowadzona analiza ekonomiczna kosztów inwestycyjnych oraz eksploatacyjnych rozruchu kotłów pyłowych z zastosowaniem instalacji rozruchowych korzystających z wybranych nośników energii prowadzi do następujących wniosków: a) z ekonomicznego punktu widzenia plazmowe instalacje rozruchowe kotłów pyłowych są jedyną alternatywą w stosunku do istniejących mazutowych instalacji rozruchowych, b) zastosowanie innych nośników energii do rozruchu kotłów pyłowych (lekki olej opałowy, gaz ziemny lub propan) spowoduje duŝy wzrost kosztów rozruchu. c) brak komercyjnego statusu plazmowych instalacji rozruchowych zmusza obecnie do stosowana kosztownych instalacji zabezpieczających bezawaryjny rozruch kotłów, co w aktualnych warunkach czyni dodatni wynik ekonomiczny niepewnym. Literatura: [1] Karpenko E.I., Zukov M.F., Messerle V.E., Bujantuev S.L., Djakov A.F., Peregudov V.S., Naucno techniceskie osnovy i opyt ekspluatacii plazmennych sistem vosplamenenija uglej na TES, Novosibirsk, Nauka, 1998.

10 [2] Dyjakon A., Kordylewski W., Świętochowski M., Bukowski P., Jodkowski W., Jedrusyna A., Modification of coal-fired boiler start-up systems to reduce costs and pollutant emissions, R&D Project Report, December 2005, Wrocław. [3] Oferta firmy ORGREZ, Ostrava, [4] Brigham E.F., Houston J.F., Podstawy zarządzania finansami, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa 2005.