DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW. Łukasz Grela Wojciech Zygmański Marian Żmija ENERGOPROJEKT KATOWICE S.A.

Transkrypt

1 DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW Łukasz Grela Wojciech Zygmański Marian Żmija ENERGOPROJEKT KATOWICE S.A. 1

2 Bloki 200 MW w Polsce W zaznaczonych na zielono lokalizacjach można mówić o budowie 16 Duobloków 2

3 Praca systemu zmienność zapotrzebowania Różnice w zapotrzebowaniu na moc w ciągu doby przykładowo na bazie przytoczonego przebiegu, ok MW, co dla danej doby stanowi ok. 33% mocy szczytowej. Moc osiągalna el. krajowych Moc osiągalna JWCD cieplnych Moc zainstalowana el. wiatrowych Moc dyspozycyjna el. krajowych Moc dyspozycyjna JWCD cieplnych Moc dyspozycyjna el. wiatrowych 5432 Można zauważyć, że pojęcie mocy dyspozycyjnej dla elektrowni wiatrowych jest dyskusyjne. 3

4 Praca systemu, wpływ OZE Na pracę systemu w coraz większym stopniu wpływają źródła OZE. Mają one pierwszeństwo w zaspakajaniu zapotrzebowania mocy w systemie. W szczególności, farmy wiatrowe charakteryzują się bardzo dużymi zmiennościami mocy w przybliżeniu w trzeciej potędze prędkości wiatru. Łącznie z dobowymi zmiennościami zapotrzebowania mocy z systemu, prognozy przewidują konieczność codobowego wyłączania źródeł węglowych. 4

5 Moc w systemie, prognozy Mówimy o dużych blokach systemowych Patrząc na zrealizowane, obecnie budowane i będące na etapie przetargów inwestycje można prognozować, że w lata dwudzieste wejdziemy z blokami 400+ na poziomie 5 bloków na węgiel klasy MW 3 bloki na węgiel klasy bloków na gaz klasy 500 Pytanie w jakim kierunku potoczą się dalsze inwestycje Relacja między energetyką gazową, a węglowa trudna jest w istocie do przewidzenia i, co jest oczywiste, zależeć będzie od relacji cenowych, ale także od przekonania co do stabilności sytuacji paliwowej 5

6 Węgiel jako paliwo Węgiel, jako paliwo, jest w naszej części świata źle postrzegany. Jednakże ma to różne przyczyny, w tym nie do końca uwidaczniane interesy gospodarcze. Polska musi uwzględniać własne uwarunkowania i potrzeby. Ponadto nie można odrzucać obiektywnych zalet węgla jako paliwa. Szczególnie bezpiecznych źródeł surowca i bezpiecznego magazynowania. Wydobycie roczne węgla kamiennego: światowe mln ton w USA 970 mln ton w Polsce 68 mln ton (mniej niż 1% wydobycia światowego) Wydobycie roczne węgla brunatnego: światowe mln ton w Niemczech 175 mln ton w Polsce 68 mln ton (ok. 5% wydobycia światowego) 6

7 Modernizacja elektrowni 200 MW W odniesieniu do elektrowni wyposażonych w bloki 200 MW mogą być wybierane różne drogi postępowania: Planowe odstawienie bloków 200 MW z eksploatacji w szczególności przy niespełnieniu zaostrzonych wymagań ekologicznych po 2016r Działania pozwalające na dalszą eksploatację przy ograniczeniu inwestycji jedynie do spełnienia wymagań ekologicznych oraz wymianie części grożących niebezpieczeństwem Głębokie odtworzenie ze spełnieniem wymagań ekologicznych, znaczną poprawą sprawności, zwiększonymi możliwościami regulacyjnym w aspekcie mocy interwencyjnych i zapewnieniem żywotności bloków na następne lat Budowa nowego Bloku na działce elektrowni niezależnie od działań z istniejącymi blokami 200 MW 7

8 Duoblok 500 idea rozwiązania Dla celów tworzenia polityki energetycznej na lata istnieje potrzeba dysponowania rozwiązaniami technicznymi, które spełniałoby perspektywiczne wymagania. Taką propozycją jest koncepcja Duobloku 500. Prezentowane rozwiązanie jest wynikiem pracy współfinansowanej przez NCBiR (Niskoemisyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW). Wcześniej problem był przedstawiany w pracach EPK: Analiza rozwiązań technologicznych budowy nowego bloku w El. Turów (2010) Wstępne Studium Wykonalności El. Dolna Odra (2013) 8

9 Duoblok 500 idea rozwiązania Koncepcja Duobloku 500 przewiduje ona zabudowę nadkrytycznego Duobloku klasy 500 w miejsce dwóch istniejących bloków 200 MW z całkowitą wymiana urządzeń podstawowych. Samo pojęcie Duobloku w tym przypadku oznacza blok energetyczny z dwoma kotłami współpracującymi z jedną turbiną. >>>>> DUOBLOK >>>> netto 34% 37% >>> 45% 18%... 25% mniejsza emisja N = MW lat eksploatacji 9

10 Duoblok 500 schemat ideowy 10

11 Kluczowe założenia i uwarunkowania Duoblok 500 pod względem parametrów pary będzie odpowiadać będzie obecnie budowanym blokom nadkrytycznym (600 o C / 610 o C) Duoblok 500 pod względem parametrów kondensacji przyjęto w wariancie z otwartym układem chłodzenia z ciśnieniem w kondensatorze 3 kpa oraz w wariancie z zamkniętym mokrym chłodzenia - z chłodnią kominową, z ciśnieniem w kondensatorze 5 kpa Duoblok 500 pod względem sprawności będzie odpowiadać będzie obecnie budowanym blokom nadkrytycznym (ok. 45% netto) Duoblok 500 pod względem ekologicznym będzie spełniał Konkluzje BAT dla źródeł nowych Duoblok 500 będzie mógł pracować z dwoma kotłami pracującymi - praca (2+1), jak również z jednym kotłem pracującym praca (1+1) Duoblok 500 będzie miał minimum techniczne na poziomie 20% WMT dla pracy (1+1) 11

12 Kluczowe założenia i uwarunkowania Duoblok 500 będzie miał nowe urządzenia podstawowe budynku głównego pozwalające na pracą w pełnym cyklu życia lat Duoblok lokalizacyjnie wprowadzony będzie w miejsce po dwóch blokach 200MW, z tym że każdy z dwóch nowych kotłów będzie wprowadzony w miejsce jednego kotła bloku 200MW, natomiast turbina (w układzie wzdłużnym) będzie wprowadzona w miejsce po dwóch turbinach; zachowana, ewentualnie adoptowana będzie konstrukcja budynku głównego Duoblok 500 na etapie realizacyjnym, jak również eksploatacyjnym, umożliwi bez zakłóceń, pracę bloków sąsiednich w tym pracę suwnicy Duoblok 500 wykorzysta w racjonalny sposób istniejące obiekty, instalacje i podłączenia zewnętrzne w szczególności poza budynkiem głównym 12

13 Podstawowe parametry ekologiczne Lp. Rodzaj emitowane go zanieczysz czenia jednostka Standard emisyjny Konkluzje BAT dla źródeł nowych Standardy emisyjne dla źródła mocy dostarczanej w paliwie >300 (MW), 1 SO2 mg/nm NOx mg/nm pył mg/nm 3 < 2-58 < 58 4 CO mg/nm 3 < rtęć ug/ Nm 3 < < < < 24 6 HCl mg/nm HF mg/nm 3 < < <

14 Paliwo dla Duobloku Jako węgiel gwarancyjny przyjęto węgiel 21.5 / 22 /11 - z uwagi na prawdopodobieństwo zastosowania węgla o zbliżonych parametrach. Węgiel Dolny (20 / 25 / 12) oraz Górny (24/16/7) określają zakres pola paliwowego w którym kocioł ma zapewnić uzyskanie założonych parametrów pary (bez gwarancji sprawności). Parametry węgla (1013 rev 02) WĘGIEL Gwarancyjny DOLNY GÓRNY Q MJ/kg P % 22.0% 25.0% 16.0% W % 11.3% 12.0% 7.0% 14

15 Układ cieplny Duobloku 500 W aspekcie układu cieplnego w szczególności po stronie maszynowni, układ Duobloku można modelować układem monoblokowym. Przyjęto układ odpowiadający aktualnie budowanym blokom nadkrytycznym. Przy modelowaniu wykorzystano programy ThermoFlow i ThermoFlex. 15

16 Podstawowe parametry techniczne DUOBLOK+ 500 KOCIOŁ TURBINA Parametry para / woda Para pierwotna "świeża" bar(a) oc t/h Para wtórna - "zimna szyna" oc Para wtórna z kotła - "gorąca szyna" bar(a) oc t/h Temperatura wody zasilającej oc 300 KOCIOŁ Kocioł Wydajność cieplna (przekazana do obiegu) MJ / s Sprawność 93.6% Wydajność cieplna na wejściu (w paliwie) MJ / s Węgiel Węgiel - wartość opałowa MJ/kg 21.5 Zużycie t / h BLOK Sprawność Duobloku 500 przyjęto na podstawie projektu koncepcyjnego RAFAKO 16

17 Podstawowe parametry techniczne, cd. BLOK chłodzenie w układzie otwartym zamkniętym Układ turbiny Ciśn. w kondensatorze bar(a) Napęd pompy zasilającej elektr. elektr. Obieg parowy - jednostk. zużycie ciepła kj/kwh Obieg parowy - sprawność 52.6% 51.3% Blok moc Moc brutto MW Potrzeby własne MW % 7.6% 8.2% Moc netto MW Blok - sprawność BLOK - brutto 48.4% 47.2% BLOK - netto 44.7% 43.3% Układ chłodzenia Ciepło odprowadzane z kondensatora MJ /s strefa chłodzenia oc Ilość wody chłodzącej t / h Emisja CO2 Jednostkowa odniesiona do TJ w paliwie t CO2 / TJ Emisja godzinowa t / h Emisja na MWh t / MWh Sprawności obiegu parowego określono na podstawie parametrów i modelu termodynamicznego układu odpowiada obecnym blokom nadkrytycznym Potrzeby własne wynikają z doboru i analizy pracy urządzeń pomocniczych. 17

18 Podstawowe parametry techniczne, cd. 18

19 Zalety: - Sprawność Podwyższenie sprawności z 34 37% do 45% oznacza zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa z: 3600 / 0.34 = kj/kwh, 3600 / 0.37 = kj/kwh do : 3600 / 0.45 = kj/kwh, czyli o 25% 18% Powoduje to nie tylko proporcjonalne zmniejszenie zużycia paliwa (obniżenie kosztów zmiennych), ale równocześnie: analogiczne zmniejszenie emisji CO 2 analogiczne zmniejszenie strumienia spalin, a więc również pozostałych emisji zmniejszenie zużycia wody chłodzącej Wyższa sprawność daje również lepszą pozycję konkurencyjną na rynku energii elektrycznej (w oparciu o stos jednostek wytwórczych merit order ) 19

20 Obciążenie częściowe / regulacyjność O regulacyjności bloku decyduje min pracy kotła (na paliwie podstawowym). W przypadku Duobloku 500, przy obciążeniach 50 40% WMT następuje przejście do pracy z jednym kotłem. Praca jednego kotła na poziomie min wydajności ok. 40% oznacza pracę bloku na poziomie 20% WMT. Stąd zakres regulacyjności Duobloku wynosi % 20

21 Obciążenie częściowe / przejście do pracy (1+1) Zakłada się, że proces przechodzenia z pracy (2+1) do pracy (1+1) następować będzie po wyjściu Duobloku 500 z pracy poślizgowej i przejściu na pracę ze stałym ciśnieniem przed turbiną. Stąd pod względem pary świeżej proces wyłączania jednego kotła zbliżony będzie do warunków wyłączania kotła dla podkrytycznych duobloków lub układów kolektorowych. 21

22 Obciążenie częściowe - sprawności Przy częściowych obciążeniach bloku obniża się sprawność Duobloku 500 zarówno brutto jak i netto. Wynika to z praw termodynamiki przepływu pary przez turbinę i tym samym z obniżania się sprawności obiegu turbinowego. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że: przy pracy 50% WMT obniżenie sprawności bloku netto wynosi ok. 4 pkt%, przy pracy 20% WMT obniżenie sprawności bloku netto wynosi ok. 10 pkt% 22

23 Obciążenie częściowe - sprawności, cd. Przyjmując referencyjny model pracy Duobloku 500 można określić sprawność średnią. Referencyjny model pracy Duobloku określono z analizy konkurencyjności Duobloku 500 na rynku energii elektrycznej w latach Sprawność średnią wyliczono ze wzoru: ƞ śr = produkcja netto / zużycie paliwa = 1 / [ Σ po referencyjnych stanach pracy (udział w produkcji /ƞ)] Referencyjne stany pracy %WMT % czasu pracy Udział w produkcji Sprawność netto % 62.8% 44.5% % 28.9% 40.7% % 8.3% 34.7% średnio 60.5% 100.0% 42.4% 23

24 % Nazwa Bloku - Miejsce Paliwo Dostawca wyspy kotłowej Dostawca wyspy turbinowej Rok rozpoczęcia eksploatacji Moc bloku (brutto) Przepływ pary świeżej Parametry pary świeżej Parametry pary wtórnej Ciśnienie w skraplaczu Sprawność netto Porównanie z innymi blokami PRZYKŁADOWE NOWE BLOKI ENERGETYCZNE W EUROPIE MW MW t / h bar (a) oc bar oc kpa EL Pątnów II W.B. Alstom Alstom % EL Łagisza W.K. Foster Wheeler Alstom % El. Turów W.B. Hitachi Hitachi % Visonta W.B. Hitachi Lunen W. K. Ishikawajima Heavy Industries (IHI) Siemens Schkopau W.B. Steinmüller Alstom 1995/ % Schwarz Pumpe W.B. EVT Energie Alstom 1997/ / % Fyn 7 W.K % Esbjerg 3 W.K. BWE ABB % Nordjylland 3 W.K. BWE Alstom % Staudinger 5 W.K. Deutche Babcock Alstom % Meri Pori W.K. Tampella ABB Rostock D W.K. Borsig ABB Hemweg 8 W.K. Mitsui-Babcock % 24

25 Cechy charakterystyczne rozwiązań - kocioł (RAFAKO)

26 Cechy charakterystyczne rozwiązań turbozespół (np. SIEMENS) 26

27 Cechy charakterystyczne rozwiązań - maszynownia 27

28 Cechy charakterystyczne rozwiązań - maszynownia 28

29 Aranżacje cd. 29

30 Harmonogramy 30

31 Zalety: - Skrócenie cyklu inwestycyjnego Zakładana możliwość skrócenia cyklu inwestycyjnego wynika głównie z następujących przesłanek: na etapie prac przygotowawczych, projekt Duobloku 500 będzie już na wstępie znacznie zaawansowany na etapie uzgodnień i uzyskiwania pozwoleń powinny być one istotnie łatwiejsze z uwagi na nie wykraczanie poza obręb istniejących uwarunkowań ekologicznych dla elektrowni na etapie realizacyjnym praktycznie nie wystąpi etap prac niwelacyjnych i przygotowania terenu przy pracach w obrębie budynku głównego będą one wykonywane z ograniczeniem wpływu utrudnień atmosferycznych na etapie rozruchu dla kolejnych Duobloków 500 czas rozruchu może być istotnie zmniejszony, z uwagi na poprzednie doświadczenia (powtarzalność) 31

32 Zalety: - Powtarzalność W niedawnym okresie, standardem było budowanie elektrowni, w których w ramach wspólnego budynku głównego wstawiano kilka powtarzalnych bloków. W warunkach polskich powtarzalność dotyczyła nie tylko poszczególnych elektrowni, ale kolejnych etapów rozwoju energetyki bloki 120 MW, 200 MW, 360 MW. Oczywiście, występowały indywidualne przystosowania do warunków lokalnych w szczególności konstrukcji kotłów w odniesieniu do uwarunkowań paliwowych. W odniesieniu do bloków nadkrytycznych, dużą powtarzalność można nadal zauważyć w energetyce chińskiej 32

33 Zalety: - Powtarzalność cd. 1. Powtarzalność dokumentacji: w przeważającym lub w znacznym stopniu 2. Powtarzalność urządzeń dla urządzeń podstawowych kotły, turbiny - trzy jednakowe urządzenia to już jest seria 3. Przy zachowaniu dominującego aspektu powtarzalności możliwość korekt i udoskonaleń dla kolejnych bloków 4. Przy kontraktowaniu kilku bloków możliwość rabatów cenowych 5. Usprawnienia realizacyjne wynikające z kumulacji doświadczeń, możliwość skrócenia czasu budowy 6. Wymienialność doświadczeń eksploatacyjnych skrócenie czasu oswajania nowego, kolejnego bloku, zwiększenie dyspozycyjności 7. Ułatwienia remontowe - możliwości zmniejszenia kosztów serwisowania 8. Wspólna polityka magazynowa 9. Opłacalność stworzenia rezerwy magazynowej newralgicznych części np. pompy cyrkulacyjnej, transformatora, co skutkuje ograniczeniem ryzyka długich przestojów w sytuacji poważnych awarii 10. Wymienność załogi w obrębie powtarzalnych bloków 33

34 Zalety: - Regulacyjność Zmniejszenie minimum technicznego z poziomu standardowego 40%, do poziomu 20%, daje szereg korzyści, w tym: pozwala ograniczyć konieczności wyłączenia bloku z uwagi na uwarunkowania systemu elektroenergetycznego, z alternatywą przechodzenia do stanu obciążeń minimalnych 20% daje większą elastyczność przy sprzedaży energii do sieci szczególnie w aspekcie zwiększającego się udziału OZE pozwala ograniczyć czas oraz koszty ponownego - pełnego uruchamiania bloku zmniejsza degradację techniczną spowodowana procesami odstawiania / uruchamiania bloków Układ Duobloku z dwoma kotłami i możliwością pracy (1+1) należy uznać za rozwiązanie istotnie korzystniejsze z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego niż układy monoblokowe. gdyż nawet wypadnięcie jednego kotła utrzymuje blok na połowie wydajności. 34

35 Zalety: - Nakłady inwestycyjne zakres inwestycji Przykładowe porównanie zakresu inwestycji; nowy monoblok klasy 1000 vs dwa Duobloki

36 Zalety: - Nakłady inwestycyjne zakres inwestycji cd. W załączonej tabeli podano poglądowe porównanie kosztów inwestycyjnych bloków klasy 500 dla czterech wariantów: monoblok duoblok green field w obrębie elektrowni Duoblok 500 z nowymi instalacjami oczyszczania splin Duoblok 500 z wykorzystaniem istniejących instalacji oczyszczania spalin Należy zauważyć, że główne oszczędności inwestycyjne wynikają z wykorzystania: istniejących instalacji przyłączeniowych w ramach elektrowni, oraz istniejących przyłączeń zewnętrznych (doprowadzenie wody, wyprowadzenie mocy) oszczędności nie zostały pokazane w tabeli i zależą indywidualnie od uwarunkowań danej lokalizacji 36

37 Zalety: - Nakłady inwestycyjne zakres inwestycji cd. 37

38 Analizowane elektrownie Analizie poddano elektrownie: El. Kozienice El. Dolna Odra El. Jaworzno III W aspekcie istniejących bloków 200 MW są one do siebie zbliżone, jednakże mają swoje indywidualne cechy, jak również specyficzne uwarunkowania w aspekcie zabudowy Duobloków 500. Najważniejsze elementy różnicujące to: W aspekcie ograniczeń co do rozpoczęcia inwestycji: w El. Dolna Odra wyłączenie z eksploatacji już obecnie dwóch bloków pozwala na najszybsze rozpoczęcie inwestycji W aspekcie układu chłodzenia: El Kozienice oraz El Dolna Odra układ otwarty, El Jaworzno III układ zamknięty W aspekcie uwarunkowań gruntowych: El. Kozienice oraz El. Dolna Odra narażenie na wpływ sąsiadującej rzeki W aspekcie obecnego wyposażenia w układy oczyszczania spalin El. Kozienice oraz El. Jaworzno bloki wyposażone w IOS i SCR, El Dolna Odra bloki 3 i 4 bez instalacji IOS i SCR 38

39 Aranżacja budynku głównego - Kozienice 39

40 Plan zagospodarowania - Kozienice Instalacja biomasy 40

41 Plan zagospodarowania - Kozienice 41

42 Aranżacja budynku głównego Dolna Odra 42

43 Plan zagospodarowania Dolna Odra 43

44 Aranżacja budynku głównego Jaworzno III 44

45 Plan zagospodarowania Jaworzno III 45

46 Uwarunkowania realizacyjne Duobloku 500 Proces realizacyjny Duobloku 500 będzie miał specyficzne uwarunkowania w relacji do standardowych realizacji pod klucz. 1. W zakresie głównego obszaru inwestycyjnego należałoby w szczególności wydzielić następujące obszary: wyspa kotłowa łącznie z oczyszczaniem i wyprowadzeniem spalin wyspa maszynowa obejmująca całość maszynowni część elektryczna część AKPiA 2. Poza tym konieczny będzie pewien zakres prac adaptacyjnych i modernizacyjnych kontraktowanych oddzielnie 3. Taka struktura zakresu inwestycji wymagać będzie bardzo mocnej jednostki koordynującej i nadzorującej stworzonej na możliwie wczesnym etapie procesu inwestycyjnego 4. Celowe jest rozważenie prowadzenia inwestycji w formule EPCM 46

47 Uwarunkowania realizacyjne Duobloku 500, cd. 4. Na wstępnym etapie prac konieczna będzie bardzo szczegółowa inwentaryzacja stany wyjściowego, oraz określenie: zakresu wyburzeń punktów styku ze stanem istniejącym oraz na granicy poszczególnych wysp realizacyjnych 5. Można zauważyć, że wyburzenia byłyby wykonane nawet bez planowanej budowy Duobloku z uwagi na eliminacje obiektów obarczonych podatkami. Stąd realizacja wyburzeń nie musi czekać na zakończenie poszczególnych etapów procesu przetargowego. 47

48 Co dalej? 48