MOŻLIWOŚCI POLEPSZENIA WŁASNOŚCI DYNAMICZNYCH BLOKÓW WĘGLOWYCH W ASPEKCIE ZWIĘKSZAJĄCEGO SIĘ UDZIAŁU OZE W KRAJOWYCH MOCACH WYTWÓRCZYCH

Transkrypt

1 MOŻLIWOŚCI POLEPSZENIA WŁASNOŚCI DYNAMICZNYCH BLOKÓW WĘGLOWYCH W ASPEKCIE ZWIĘKSZAJĄCEGO SIĘ UDZIAŁU OZE W KRAJOWYCH MOCACH WYTWÓRCZYCH Autor: Marcin Pilarczyk, Piotr Cisek ("Rynek Energii" - grudzień 2014) Słowa kluczowe: system elektroenergetyczny, elastyczność pracy systemów energetycznych, rozruch kotłów, OZE, siłownie wiatrowe Streszczenie. W artykule dokonano analizy struktury mocy wytwórczych zainstalowanych w krajowym systemie elektroenergetycznym. Dyrektywy unijne oraz przyjęta polityka energetyczna Polski determinują rozwój energetyki odnawialnej. Rosnący udział siłowni wiatrowych w nowo instalowanych mocach wytwórczych przyczynia się do zwiększenia dysproporcji obciążenia systemu elektroenergetycznego w ciągu doby. Z tego względu w artykule rozważono możliwości polepszenia własności dynamicznych węglowych bloków energetycznych. Kluczowymi aspektami jest tutaj szybkość rozruchu kotła oraz szybkość zmian obciążenia w jak największym zakresie. 1. WSTĘP W ostatnich latach zaobserwować można systematyczne zwiększenie udziału energetyki odnawialnej w produkcji energii elektrycznej zarówno w polskim jak i europejskim systemie energetycznym. To wynik aktualnie realizowanej polityki Unii Europejskiej, która wymusza zmiany w strukturze wytwarzania energii elektrycznej w perspektywie do 2020 i 2030 r. [29, 49]. Członkostwo Polski w Unii Europejskiej powoduje czynny udział kraju w tworzeniu wspólnotowej polityki energetycznej oraz determinuje implementację jej głównych celów w warunkach krajowych. Systematycznie rosnące wykorzystanie odnawialnych źródeł energii zmienia strukturę mocy dyspozycyjnej w Krajowym Systemie Elektro-energetycznym (KSE). W szczególności siłownie wiatrowe, charakteryzujące się dużą niestabilnością pracy, przyczyniają się do znacznych dysproporcji obciążenia KSE [24]. Skutkuje to potrzebą wzrostu dynamiki węglowych elektrowni systemowych. Zwiększa się także znaczenie zdolności przejścia bloków energetycznych z pracy podstawowej do pracy regulacyjnej oraz zwiększenie zakresu i szybkości zmian obciążenia. Ponadto, pożądane jest skrócenie czasu rozruchu oraz odstawiania kotłów [23]. Eksploatacja jednostek wytwórczych w warunkach determinujących znaczne zmiany mocy przekazywanej do KSE przez poszczególne bloki skutkuje jednakże obniżeniem efektywności, jak również trwałości elementów ciśnieniowych [1]. W świetle powyższych faktów warto przeanalizować możliwości poprawy własności dynamicznych kotłów energetycznych, co pozwoli na pokrycie zmiennego zapotrzebowania na moc w KSE oraz umożliwi bezpieczną i długotrwałą eksploatację bloków energetycznych.

2 2. STAN OBECNY I PERSPEKTYWY KRAJOWEJ ENERGETYKI Dokument przyjęty przez Radę Ministrów w dniu 10 listopada 2009 roku pt. Polityka energetyczna Polski do 2030 roku określa podstawowe kierunki polskiej polityki energetycznej. Należą do nich m.in. dywersyfikacja struktury wytwarzania energii elektrycznej poprzez wprowadzenie energetyki jądrowej, wzrost bezpieczeństwa dostaw paliw i energii, rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii (w tym biopaliw) oraz ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko. W dokumencie tym założono, że również wzrost udziału energii odnawialnej w produkcji energii elektrycznej brutto z 13,14 TWh (dane za rok 2013 [10]) do 31 TWh w 2020, a w perspektywie do 39,5 TWh w 2030 roku. Warto zaznaczyć, że dokument ten przypisuje siłowniom wiatrowym największy udział w generacji energii z OZE. W roku 2030 ich udział jest przewidziany na poziomie ok. 18 TWh, co stanowić będzie ok. 8,2% całkowitej przewidywanej produkcji energii elektrycznej brutto [17]. Dokument [17] zakłada także zwiększenie rocznego całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną z poziomu 146 TWh w 2005 roku do 280 TWh w 2030 roku. Prognoza ta wynika z realizacji założeń dotyczących tempa wzrostu gospodarczego w Polsce w okresie do 2030 roku, co bezpośrednio wiąże się ze znacznym zwiększeniem produkcji oraz zużyciem energii elektrycznej. Biorąc pod uwagę średni wiek krajowych bloków energetycznych (ok. 30 lat) oraz fakt, że praktycznie wszystkie krajowe bloki energetyczne o mocy 200 MW przekroczyły ten wiek, należy liczyć się z budową nowych mocy wytwórczych o znacznej łącznej mocy. Szacunkowo, ok. 20 GW mocy elektrycznej miałoby pochodzić z obecnie istniejących elektrowni, a do zapewnienia kolejnych 35 GW konieczne będzie wybudowanie nowych źródeł wytwórczych [27]. Pomimo, iż w ostatnich latach zauważalny jest spadek udziału węgla kamiennego i brunatnego w strukturze wytwarzania energii elektrycznej, głównie na rzecz OZE, to łączny ich udział w 2011 roku wyniósł ok. 87%. [33]. Dokument [17] zakłada, że w roku 2030 sumaryczny udział tych paliw będzie oscylował na poziome 56,5%. Warto jednak zaznaczyć, że w niedawno przedstawionym projekcie polityki energetycznej kraju do 2050 [18], uznano rodzime zasoby węgla kamiennego i brunatnego jako stabilizatory bezpieczeństwa energetycznego Polski. Dokument ten pokazuje również, że rola jaką pełnią elektrownie zawodowe opalane węglem kamiennym i brunatnym w strukturze mocy jest obecnie bardzo duża: dostarczają one 29,8 GW, co stanowi łącznie ponad 78% całkowitej mocy zainstalowanej w KSE. Z kolei niecałe 45% urządzeń wytwarzających energię elektryczną przekroczyło wiek 30 lat, a 77% wiek ponad 20 lat. Biorąc pod uwagę przewidywany na ok lat okres eksploatacji bloków węglowych, odnowienie istniejącego potencjału będzie wymagało wybudowania w najbliższej przyszłości źródeł o mocy od 13 do 18 GW [18]. Warto jednak podkreślić fakt, że odbudowa mocy jest związana z budową dużych kotłów na parametry nadkrytyczne o wysokiej sprawności do uzupełniania mocy podstawowej [24].

3 3. WPŁYW ENERGETYKI WIATROWEJ NA KRAJOWEG SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO Energetyka odnawialna, z uwagi na ciągły wzrost mocy zainstalowanej, w coraz większym stopniu oddziałuje na funkcjonowanie krajowego systemu elektroenergetycznego. Całkowita moc zainstalowana w KSE na koniec 2013 r. wynosiła MW w tym 5 510,7 MW pochodzących z OZE. Z kolei 5,822 TWh wyprodukowano w elektrowniach wiatrowych, co stanowi ok. 3,6% całkowitej produkcji energii elektrycznej (162,501 TWh w 2013 roku) [25, 26]. Prognozowany przez [28] rozwój energetyki wiatrowej w zestawieniu z danymi rzeczywistymi przedstawiono na Rys.1. W 2013 roku moc zainstalowana siłowni wiatrowych wzrosła o 24% w stosunku do zakładanych. Trend ten odpowiada założeniom [28], w których przyjęto wzrost udziału zarówno mocy zainstalowanej jak i generacji energii elektrycznej z OZE w najbliższych latach. W perspektywie, do 2019 roku, około 44% produkowanej energii odnawialnej powinno pochodzić z siłowni wiatrowych [2]. Rys. 1. Prognozowane i rzeczywiste dane produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, w tym z energetyki wiatrowej: a) moc zainstalowana, b) produkcja energii elektrycznej [25, 26] Źródła energii wyróżniane przez Operatora Systemu Przesyłowego (OSP) zasilające system energetyczny można podzielić na: Jednostki Wytwórcze Centralnie Dysponowane (JWCD) co do których istnieje możliwość wpływu na poziom generowanej w nich mocy, oraz jednostki niedysponowane centralnie (njwcd), do których zaliczane są źródła energetyki rozproszonej, w tym również elektrownie wiatrowe [2]. Regulacja systemu możliwa jest tylko poprzez zmianę jednostek JWCD. Równoległa praca turbin wiatrowych równocześnie zasilają-

4 cych KSE, ze względu na zmienne warunki pogodowe (siła wiatru, nasłonecznienie) charakteryzuje się wysoką dynamiką, co wyklucza możliwości pełnego sterowania [1]. Z tego względu, intensywny rozwój OZE, a w szczególności energetyki wiatrowej, wymusza na OSP weryfikację podejścia w zakresie bilansowania krajowego systemu elektroenergetycznego. Konieczne jest w tym przypadku zwiększenie zakresu dostępnych rezerw mocy utrzymywanych w źródłach konwencjonalnych [32], co z kolei skutkować będzie występowaniem jeszcze większego nadmiaru energii elektrycznej w okresach zmniejszonego na nią zapotrzebowania, tj. w godzinach nocnych i południowych. Za ten stan rzeczy odpowiedzialne są względy ekonomiczne eksploatacji elektrowni węglowych. Wyłączanie średnich i dużych bloków energetycznych w godzinach zmniejszonego zapotrzebowania na energię oraz znaczne koszty rozruchów wymuszają konieczność ich eksploatacji przez całą dobę z regulacją mocy tylko w bardzo wąskim zakresie. W tym kontekście ważnym zagadnieniem jest podwyższenie elastyczności eksploatowanych bloków węglowych, a co za tym idzie zwiększenie ich dynamiki i możliwości regulacji mocy dostępnych z JWCD. Na Rys. 2 przedstawiono wykres zapotrzebowania na moc KSE w 2013 roku. Już w chwili obecnej w krajach o dużym udziale mocy wytwarzanej w elektrowniach wiatrowych, np. w Niemczech, z uwagi na znaczne nadwyżki mocy, energia elektryczna przekazywana jest w okresie nocnym za darmo do innych krajów. Rys. 2. Wahania zapotrzebowania na moc KSE w okresie od 1 stycznia do 31 grudnia 2013 roku [25]

5 Rys. 3. Przebieg zapotrzebowania na moc w dniach, w których wystąpiło maksymalne i minimalne krajowe zapotrzebowanie na moc w 2013 roku [25] Analiza danych z rys. 2 pozwala stwierdzić, iż zapotrzebowanie na moc KSE doznaje znacznych wahań nie tylko w cyklu sezonowym, ale również tygodniowym i dziennym. Okres zimowy, charakteryzujący się najwyższym poziomem zapotrzebowania na energię elektryczną, bardzo silnie związanym z warunkami atmosferycznymi (temperaturą powietrza, prędkością wiatru, ilością godzin słonecznych i zachmurzeniem). Okres letni charakteryzuje się natomiast znacznym zmniejszeniem zapotrzebowania na energię elektryczną, a z drugiej strony wzrostem jej produkcji z elektrowni fotowoltaicznych. Spadki obciążenia sieci w dni wolne od pracy (weekendy, święta) spowodowane są przez zmniejszony pobór mocy przez przedsiębiorstwa i zakłady produkcyjne, które w tych okresach ograniczają lub zawieszają pracę [43]. Rys. 3 obrazuje zapotrzebowanie na moc KSE w dniach, w których wystąpiło maksymalne i minimalne zapotrzebowanie - 10 grudnia (wtorek) i 7 lipca (niedziela) Widać na nim wyraźnie doliny obciążenia występujące w godzinach nocnych i południowych oraz znaczne zmiany w poborze mocy w zależności od warunków pogodowych, pory roku oraz dnia tygodnia. Największe obciążenie KSE w 2013 roku wystąpiło 10 grudnia w szczycie wieczornym, ok. godziny 17 i wynosiło MW (minimalne zapotrzebowanie tego dnia wynosiło MW ok. godziny 3:20). Minimalne zapotrzebowanie na moc w szczycie wieczornym wystąpiło natomiast 7 lipca ok. 22:00 i wynosiło MW, (największą dolinę obciążenia zanotowano ok. godziny 5: MW) [25]. 4. ROZRUCH KOTŁA ENERGETYCZNEGO Polska energetyka zawodowa oparta jest przede wszystkim na pracy kotłów wysokiej wydajności, opalanych pyłem węglowym (węgla brunatnego lub kamiennego). Celem uruchomienia kotła jest uzyskanie znamionowych parametrów czynnika roboczego i takiego obciążenia, aby mógł pracować bez palników rozpałkowych [4, 13].

6 Z analizy cieplno-wytrzymałościowych warunków pracy bloków energetycznych wynika, że ich najbardziej obciążonym elementem jest kocioł [15]. Jest to spowodowane rozruchami i wyłączeniami z ruchu, a także szybkimi zmianami obciążenia, które powodują znaczne naprężenia termiczne w grubościennych elementach ciśnieniowych. Do tzw. elementów kryterialnych, które limitują szybkości nagrzewania w trakcie rozruchu należą m.in.: walczaki, separatory, kolektory wylotowe, zasuwy parowe [5,6,44,50]. W ciągu roku każdy kocioł jest wielokrotnie uruchamiany po awaryjnych bądź planowanych wyłączeniach z ruchu. Z uwagi na szeroki zakres zmiany ciśnienia i temperatury czynnika, akumulację ciepła w poszczególnych elementach, zmiany w proporcjach przejmowanego ciepła przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne, niektóre elementy kotła pracują w okresie rozruchowym w nietypowych warunkach [5,24,46]. Zakres i dynamika wahań tych wielkości zależą od początkowego stanu cieplnego kotła, którego rozruch ma zostać przeprowadzony. Ze względu na złożoność nieustalonych procesów przepływowo-cieplnych, grubościenne elementy ciśnieniowe kotła są poddawane znacznym naprężeniom termicznym spowodowanymi występującymi różnicami pola temperatur na grubości ścianki elementu oraz na jego obwodzie. Z uwagi na naprężenia termiczne istnieje konieczność określenia dopuszczalnych szybkości nagrzewania [39-42]. Producenci kotłów na ogół podają w instrukcjach obsługi dopuszczalne parametry zmian temperatury oraz ciśnienia dla poszczególnych grubościennych elementów ciśnieniowych [12,44]. Wytyczne producentów powinny być jednak traktowane jako wartości szacunkowe, gdyż uzyskane są przy założeniu quasi-stacjonarnego pola temperatur na grubości elementu [52]. Kolejnym uproszczeniem przy określaniu dopuszczalnych szybkości nagrzewania elementów jest założenie stałej szybkości zmian temperatury czynnika roboczego. Tego typu warunki nie są obserwowane w praktyce, gdyż mierzone wartości parametrów czynnika roboczego podczas rozruchu i odstawienia kotła charakteryzują się znacznymi i nieregularnymi zmianami. Dlatego też bezpieczna eksploatacja bloków energetycznych poza projektowy czas pracy oraz w warunkach wymagających zwiększonej elastyczności, w odpowiedzi na zmieniające się zapotrzebowanie mocy w KSE, wymaga dokładnego monitorowania warunków pracy kryterialnych elementów bloków energetycznych. Podstawowym problemem spotykanym przy możliwie dokładnym określeniu rozkładu pola temperatury i naprężeń w monitorowanych elementach jest sprecyzowanie brzegowych warunków cieplnych od strony czynnika roboczego [51]. Sposoby wyznaczania niezbędnych wielkości fizycznych na wewnętrznej stronie elementów grubościennych są opisane w literaturze [5,52]. Współczynnik wnikania ciepła od strony czynnika roboczego jest określany za pomocą metod odwrotnego przewodzenia ciepła. Procedura ta pozwala na wyznaczenie w ściance elementu przestrzennego rozkładu szukanej wielkości (temperatury, naprężenia) w danym czasie, na podstawie zmierzonych przebiegów temperatury wyznaczonej na powierzchni zewnętrznej. Praktyczne zastosowanie metod odwrotnych dla rozwiązywania zagadnień przewodzenia ciepła podczas monitorowania elementów ciśnieniowych dużych ko-

7 tłów energetycznych przedstawiono w [45,46,51]. Warto również zaznaczyć, że do symulacji warunków pracy elementów instalacji energetycznych coraz częściej wykorzystane są zaawansowane narzędzia obliczeniowe. Wzrost mocy komputerowych jak również rozwój programów symulacyjnych (ANSYS, FLUENT) oraz metod numerycznych pozwala na symulację warunków przepływowo-cieplnych i wytrzymałościowych dla maszyn i urządzeń energetycznych takich jak: kotły, turbiny czy wymienniki ciepła [8,14,19-21,36,37,39,41,47]. Zazwyczaj, w obliczeniach, wykorzystywane są metody numeryczne takie jak: Metoda Elementów Skończonych (MES) - zagadnienia wytrzymałościowe, Metoda Objętości Skończonych (MOS) - zjawiska przepływowo-cieplne. Dużą popularnością cieszy się również połączenie metod odwrotnych z algorytmami MES lub MOS, co pozwala na wyznaczenie pola naprężeń w grubościennych elementach kotłów energetycznych. Takie połączenie jest szczególnie korzystne w przypadku analizy stanów nieustalonych (rozruchy, odstawianie kotła) Przykładowy rozruch kotła Z uwagi na ciśnienie i temperaturę panujące w parowniku kotła wyróżnia się następujące jego stany cieplne: stan zimny, gorący, gorąca rezerwa oraz zimna rezerwa [55]. Na rys. 4 przedstawiono typowe przebiegi wybranych wielkości podczas rozruchu kotła, o wydajności 650 t/h pary świeżej, ze stanu zimnego. Rys. 4a. Typowy rozruch kotła energetycznego: przebieg ciśnienia oraz temperatury górnej i dolnej tworzącej walczak; Rys. 4a przedstawia zmierzone wartości ciśnienia i przebiegi temperatur na wewnętrznej powierzchni walczaka w punkcie 1 i 7 odpowiadającym kolejno: dolnej oraz górnej tworzącej ten element ciśnieniowy. Walczak kotła energetycznego należy do grupy jednych z najważ-

8 niejszych i najdroższych elementów kotła energetycznego. Ze względu na specyficzną budowę (wyjątkowo duża grubość ścianki) oraz spełniane funkcje (jako miejsce separacji pary nasyconej z mieszaniny parowo-wodnej) jest szczególnie narażony na powstawaniu naprężeń termicznych. Ponadto, licznie występujące w walczakach króćce, przyczyniają się do koncentracji naprężeń, co powoduje przy niewłaściwym prowadzeniu rozruchów i odstawień kotła, trudne bądź niemożliwe do naprawy pęknięcia np. w okolicach rur opadowych [24]. Newralgiczny w trakcie rozruchu kotła jest moment, w którym para wodna kondensuje na wewnętrznej części walczaka intensyfikując tym samym wymianę ciepła. Powoduje to znaczący wzrost temperatury wewnętrznej ścianki w strefie parowej (punkt 7, patrz rys. 4a) przyczyniając się tym samym do powstania naprężeń wywołanych kołowo-niesymetrycznym nagrzewaniem oraz naprężeń termicznych na grubości ścianki. W analizowanym przypadku miało to miejsce po upływie ok sekund od początku zakresu pomiarowego. Rys. 4b. Typowy rozruch kotła energetycznego: b) wartości naprężeń zredukowanych na powierzchni wewnętrznej, na podstawie danych pomiarowych: 1 walczak; 2 komory wylotowa pary świeżej; 3 komora wylotowa pary wtórnej Zjawisko kondensacji pary wodnej spowodowało nagły wzrost naprężeń do ok. 110 MPa, co odpowiada wartości naprężeń w stanie ustalonej pracy i jest wartością znacznie poniżej dopuszczalnej (tabela 1). Warto zaznaczyć, że największe naprężenia co do wartości bezwzględnej występują na krawędziach otworów (np. walczak rura opadowa) i często prowadzą one do miejscowych odkształceń plastycznych co jest nieuniknione w trakcie eksploatacji kotła [4]. Na rys. 4b zostały przedstawione przebiegi naprężeń zredukowanych dwóch kolejnych elementów kryterialnych tj. komory wylotowej pary świeżej i wtórnej. Elementy te mają mniejszą grubość ścianki niż walczak, dzięki czemu naprężenia termiczne osiągają niższą wartość w trakcie pracy w warunkach nominalnych oraz w trakcie rozruchu. Przedstawione na rys. 4b przebiegi naprężeń w początkowej fazie rozruchu ( sekund) mają charakter czysto termiczny, gdyż są wywołane charakterystycznymi różnicami temperatur (na grubości elementu oraz pomiędzy górną a dolną tworzącą element). Wraz z upływem czasu ciśnienie wewnętrzne wzrasta wywołując tym samym naprężenia mechaniczne, które utrzymują się na

9 niemal stałym poziomie w nominalnych warunkach pracy. Jednocześnie, naprężenia termiczne mają coraz niższą wartość, dzięki wyrównywaniu temperatur w przekroju ścianki walczaka. Przedstawiony na rys. 4a typowy rozruch kotła trwa ok sekund (ok. 5,5 h) licząc od momentu wzrostu temperatury i ciśnienia w walczaku. Ponadto, biorąc pod uwagę, że przyrost temperatury ścianki walczaka wyniósł ok. 280 K można łatwo wyliczyć, że średnia szybkość nagrzewania walczaka w trakcie rozruchu ze stanu zimnego wyniosła jedynie 0,84 K/min. Producent przedstawionego w tej pracy kotła, dopuszcza w instrukcji obsługi [12] wartość szybkości przyrostu temperatury ścianki walczaka nie większą niż 1 K/min. Można zatem stwierdzić, przy pewnych uproszczeniach, że pod względem dopuszczalnych szybkości nagrzewania rozpatrywany rozruch kotła odbywał się zgodnie z wytycznymi producenta, które jednak są mocno zaniżone. Dążąc do minimalizacji czasu rozruchu kotła można sugerować się wynikami obliczeń dla konkretnych kryterialnych elementów przeprowadzonych wg normy EN [9]. Wartości dopuszczalnych szybkości nagrzewania na początku i końcu rozruchu i odstawienia oraz dopuszczalne naprężenia dla walczaka wyznaczone na podstawie EN przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Obliczone dopuszczalne szybkości zmian temperatury dopuszczalne naprężenia Walczak 1800x115 min max Szybkość nagrzewania na początku rozruchu vt 1 Szybkość nagrzewania na końcu rozruchu vt 1 Szybkość chłodzenia na początku odstawiania vt 2, Szybkość chłodzenia na końcu odstawiania vt 2, -198 MPa 511 MPa 2,5 K/min 6,4 K/min -2,5 K/min -6,4 K/min Dane przedstawione w tabeli 1 wyznaczono przy założeniu wynikającym z europejskiej normy [9], według której stopień zużycia materiału nie może przekroczyć 40% dla 2000 cykli rozruchowych ze stanu zimnego. Ten stan cieplny kotła odpowiada sytuacji, gdy nie występuje nadciśnienie pary w walczaku, a temperatura czynnika jest niższa od 80 C [55]. Warto zaznaczyć, że wyznaczone dopuszczalne szybkości nagrzewania i ochładzania są znacząco wyższe od wartości dopuszczalnych podanych w instrukcji obsługi kotła [12]. Rys. 5 przedstawia przebieg dopuszczalnych szybkości nagrzewania i ochładzania uzyskanych na podstawie obliczeń z normy oraz z instrukcji obsługi [9, 12].

10 Rys. 5. Dopuszczalne szybkości nagrzewania i ochładzania dla walczaka w funkcji ciśnienia wg instrukcji producenta oraz wyznaczone na podstawie EN Pomimo, że dopuszczalne wartości wyznaczone na podstawie normy są kilkukrotnie wyższe, a prowadzenie rozruchu wg tych wytycznych pozwala na skrócenie czasu rozruchu, to normy te wykluczają nagłe skokowe zmiany temperatury czynnika na początku procesu nagrzewania lub ochładzania, co pozwala dodatkowo na skrócenie czasu rozruchu [40]. Metoda wyznaczania dopuszczalnych zmian temperatury czynnika podczas ochładzania i nagrzewania elementów grubościennych została przedstawiona w [42]. Skok temperatury można uzyskać poprzez wprowadzenie do parownika kotła na początku rozruchu gorącej wody. Jednakowa temperatura wody w całym parowniku minimalizuje powstawanie naprężeń powodowanych nierówno-miernym rozkładem temperatury. Ponadto wstępne podgrzanie wody jeszcze przed uruchomieniem palników mazutowych znacznie skraca czas do osiągnięcia stanu nasycenia. Dzięki temu w przegrzewaczach kotła wcześniej płynie para wodna, która ma na celu schłodzenie pęczków rur tychże przegrzewaczy, narażonych na gorący strumień spalin od momentu uruchomienia palników mazutowych. Pozwala to zminimalizować zjawisko przegrzewania i pękania niedostatecznie chłodzonych przegrzewaczy pary w trakcie uruchamiania kotła. Umożliwia to dodatkowe skrócenie rozruchu kotła ze stanu zimnego. Krótszy czas rozruchu pozwala także zmniejszyć straty rozruchowe [7]. Rozruchy kotłów energetycznych są tematyką wielu opracowań naukowych [4,6,24,31,39-42,46,47,50-55]. Jednym z działań na rzecz zwiększenia elastyczności konwencjonalnych bloków węglowych jest dążenie do obniżenia dopuszczalnego obciążenia minimalnego oraz skrócenia rozruchów ze stanów ciepłych i gorących kotła. Można to osiągnąć dzięki zastosowaniu układów młynowych z pośrednim zasobnikiem pyłu węglowego. W tym rozwiązaniu dzięki wyższej koncentracji pyłu węglowego, podawanego z zasobnika do kotła, obciążenie

11 minimalne może zostać zmniejszone nawet do 15% obciążenia znamionowego. Ponadto, zastosowanie specjalnego palnika pyłowego opracowanego przez firmę Hitachi pozwala na osiągnięcie obciążenia na poziomie 10% obciążenia znamionowego [23]. Warto wspomnieć o rozwiązaniu firmy ABB w zakresie szybszych rozruchów kotłów. Opracowano oraz wdrożono w czterech niemieckich elektrowniach autorski system sterowania i optymalizacji rozruchu kotłów energetycznych BoilerMax. System ten działa z powodzeniem od dwóch lat w elektrowniach E.ON w Staudinger, Ingolstadt, Zolling i Heyden. BoilerMax podnosi efektywność działania bloku poprzez optymalizację procedury rozruchu. Jest ona realizowana poprzez określenie najkorzystniejszych akcji sterowania, które są determinowane przez ograniczenia termiczne i dynamiczne kotłów. Zakres pracy systemu BoilerMax obejmuje cały czas rozruchu, aby zapewnić wyznaczenie najoszczędniejszego trybu pracy. Pozwala to na zminimalizowanie kosztów rozruchu w paliwie rozpałkowym (mazut), w zasilaniu pomocniczym (olej lekki i elektryczne zasilanie pomocnicze) i w pomocniczej parze wodnej. Wdrożenie systemu BoilerMax przyczyniło się we wspomnianych elektrowniach do zmniejszenia kosztów od 10 do 20% podczas każdego rozruchu. Działania te przekładały się na roczne oszczędności pomiędzy a euro przypadającym na około 100 rozruchów rocznie, które wykonuje typowa elektrownia średniej mocy [31]. 5. PODSUMOWANIE Z powodu realizowanej polityki energetycznej kraju, w wyniku której rośnie udział energetyki odnawialnej wymagana ilość mocy wytwórczych posiadających zdolności regulacyjne wykazuje tendencje wzrostową, która w najbliższych latach będzie się utrzymywać. W celu zapewnienia stabilnej pracy krajowego systemu elektroenergetycznego konieczne będzie wybudowanie nowych bloków gazowo-parowych, które charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami dynamicznymi, niskimi kosztami inwestycyjnymi oraz wysoką efektywnością. Jednakże w obliczu wysokich kosztów eksploatacji oraz niestabilnej sytuacji na rynku gazu inwestycje w tego typu moce wytwórcze są ryzykowne. Drugim sposobem na pokrycie zapotrzebowania na moc regulacyjną jest zwiększanie elastyczności bloków węglowych, które dzięki bogatym zasobom paliwa gwarantują bezpieczeństwo energetyczne kraju. Analiza danych pomiarowych z krajowych elektrowni zawodowych pokazuje, że istnieją możliwości na zwiększenie elastyczności oraz dynamiki kotłów energetycznych. Zalecane szybkości nagrzewania kryterialnych elementów bloków energetycznych podawane przez producentów są na ogół mocno zaniżone. W celu osiągnięcia wymaganej elastyczności, zwiększającej atrakcyjność konwencjonalnych bloków, należy przy ich eksploatacji kierować się wytycznymi uzyskanymi na podstawie normy EN lub na podstawie nowych metod wyznaczania prędkości nagrzewania z punktu widzenia zachowania dopuszczalnych maksymalnych naprężeń w elementach ciśnieniowych. Istnieją także gotowe rozwiązania służące zwiększeniu elastyczności bloków energetycznych, stosowane w niemieckiej energetyce, w której, z uwagi na duży udział elektrowni wiatrowych w strukturze

12 mocy wytwórczych, elastyczność konwencjonalnych bloków jest bardzo pożądana. Zwiększenie elastyczności, dynamiki oraz skrócenie czasu rozruchu kotłów energetycznych przyczynia się nie tylko do zapewnienia stabilności pracy KSE, ale także zapewnia oszczędności w zużyciu drogiego paliwa rozpałkowego. LITERATURA [1] Badyda K., Kaproń H.: Eksploatacja i rozwój energetyki wiatrowej w Polsce, Rynek Energii 2013, nr 3. [2] Badyda K.: Energetyka wiatrowa. Aktualne trendy rozwoju w Polsce, Energetyka 2013, nr 5 (707), str [3] Cisek P.: Elektryczne ogrzewanie akumulacyjne budynków. COW 2014, nr 6, str [4] Cwynar L., Rozruch kotłów parowych. WNT, Warszawa [5] Duda P., Taler J.: Experimental verification of space marching methods for solving inverse heat conduction problems, Heat and Mass Transfer 2000, Vol. 36, str [6] Dzierwa P., Taler J., Taler D., Trojan M.: Optimum heating of thick wall pressure components of steam boilers. Power Proceedings of the ASME 2014 Power Conference, July 28 31, 2014, Baltimore, Maryland, str. 1 9 [7] Dzierwa P., Taler J.: Optimum heating of pressure vessels with holes. J. Pressure Vessel Technol. 2014, vol [8] Dzierwa P.: Optimum heating of pressure components of complex shape, Chapter in: Encyclopedia of Thermal Stresses, R. Hetnarski (ed.), Springer, [9] EN , Water-tube boilers and auxiliary installations Part 3: Design and calculation for pressure parts. CEN European Committee for Standarization, rue de Stassart 36, B-1050 Brussels, 25. July [10] Eurostat: Energy, transport and environment indicators. 2013, epp.eurostat.ec.europa.eu. [11] Hubera M., Dimkovab D., Hamachera T.,. Integration of wind and solar power in Europe: Assessment of flexibility requirements. Energy 2014, Vol. 69, str

13 [12] Instrukcja obsługi kotła OP 650. [13] Kaproń H., Połecki Z.: Eksploatacja podsystemu wytwórczego w Polsce w latach Rynek Energii 2012, nr 6, str [14] Łopata S., Ocłoń P.: Analysis of operating conditions for high performance heat exchanger with the finned elliptical tube. Rynek Energii 2012, 5, str [15] Madejski P., Taler D.,. Analysis of temperature and stress distribution of superheater tubes after attemperation or sootblower activation. Energy Conversion and Management 2013, 71, str [16] Węglowski B., Ocłoń P., Majcher A.: Monitoring of the Stress State in the Boiler Drum Using Finite Element Method, Advanced Materials Research 2014, vol. 875, str [17] Ministerstwo Gospodarki,,Polityka Energetyczna Polski do 2030 roku, [18] Ministerstwo Gospodarki,,Polityka Energetyczna Polski do 2050 roku, sierpień [19] Nowak G., Rusin A. :Shape and operation optimisation of a supercritical steam turbine rotor. Energy Conversion and Management 2013, 74, str [20] Ocłoń P., Łopata S., Nowak M., Benim A. C.: Numerical study on the effect of inner tube fouling on the thermal performance of high-temperature fin-and-tube heat exchanger, Progress in Computational Fluid Dynamics (accepted to print). [21] Ocłoń P., Nowak M., Łopata S.: Simplified numerical study of evaporation processes inside vertical tubes, Journal of Thermal Science 2014, 23 (2), str [22] Ocłoń P., Taler,J.: Mixed Finite Volume and Finite Element Formulation: Linear Quadrilateral Elements, Encyclopedia of Thermal Stresses, B. Hetnarski (ed.), Springer, vol. 6, str [23] Pawlik M.: Zaawansowane technologicznie bloki energetyczne nowe wyzwania. Energetyka 2013, nr 8.

14 [24] Pilarczyk M., Węglowski B.: Analiza cieplno-wytrzymałościowa rozruchu kotła parowego na przykładzie kotła OP-650. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, seria Mechanika 2014, nr 86, str [25] Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A., [26] Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej, [27] Popczyk J.: Energetyka OZE/URE vs elektrownie węglowe i jądrowe na progu drugiej dekady XXI wieku, Rynek Energii 2008, nr 5. [28] Raport określający cele w zakresie udziału energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii znajdujących się na terytorium Rzeczypospolitej Polskiej, w krajowym zużyciu energii elektrycznej na lata Ministerstwo Gospodarki, kwiecień Monitor Polski 2011, nr 43, poz 468 (dokument przyjęty przez Radę Ministrów na posiedzeniu w dniu 12 kwietnia 2012). [29] Robak S., Rasolomampionona D. D., Szymankiewicz Ł.: Praca elektrowni gazowych w systemie elektroenergetycznym. Rynek Energii 2013, nr 3, str [30] Rop P.: Drum Plus: a drum type HRSG with Benson benefits, Modern Power Systems 2010, Vol. 30, str [31] Rüdiger F., Weidmann B.: Starting the boiler. Startup optimization for steam boilers in E.ON power plants. ABB Review 1/2008. [32] Szczerbowski R., Ceran B.: Możliwości rozwoju i problemy techniczne małej generacji rozproszonej opartej na odnawialnych źródłach energii. Polityka Energetyczna 2013 tom 16, z. 3. Wyd. Instytutu GSMiE PAN, Kraków,, str [33] Szurlej A., Mirowski T., Kamiński J.: Analiza zmian struktury wytwarzania energii elektrycznej w kontekście założeń polityki energetycznej. Rynek Energii 2013, nr 1. [34] Taler D., Cisek P., Tokarczyk J.: Wodno powietrzny układ ogrzewania budynku z ceramicznym akumulatorem ciepła, Rynek Energii 2013, nr 6 (109), str [35] Taler D., Cisek P.: Modeling of cooling of ceramic heat accumulator, Archives of Thermodynamics 2013, Vol. 34, No. 4, str

15 [36] Taler D., Ocłoń P., Thermal contact resistance in plate fin-and-tube heat exchangers, determined by experimental data and CFD simulations, International Journal of Thermal Sciences 2014, Vol. 84, str [37] Taler D., Ocłoń P.: Determination of heat transfer formulas for gas flow in fin-andtube heat exchanger with oval tubes using CFD simulations, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2014, 83, str [38] Taler J., Duda P., Węglowski B., Thermal-strength monitoring and remnant lifetime assessment of pressure components of power steam boilers (Chapter 6), Diagnostics of new-generation thermal power plant, PAN 2008, Gdańsk, str [39] Taler J., Dzierwa P., Taler D.: Optimum heating of pressure components of large steam boilers (2009), Forschung im Ingenieurwesen (Engineering Research), 73, str [40] Taler J., Dzierwa P., Trojan M.: Projektowanie, eksploatacja i monitorowanie kotłów o parametrach nadkrytycznych. Rynek Energii 2013, nr 5, str [41] Taler J., Dzierwa P.: A new method for optimum heating of steam boiler pressure components, Int. J. Energy Research 2011, 35, str [42] Taler J., Dzierwa P.: Optymalizacja nagrzewania elementów ciśnieniowych kotła w czasie rozruchu, rozdział w: Zagadnienia projektowania i eksploatacji kotłów i turbin do nadkrytycznych bloków węglowych, G.Kosman i in. (ed.), Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010, str [43] Taler J., Mysza J.: Ogrzewanie elektryczne, rozdział w: Termo-modernizacja budynków, J. Norwisz (ed.), Agencja Poszanowania Energii oddział Gliwice, Gliwice [44] Taler J., Węglowski B., Monitoring of Thermal Stresses in Pressure Components of Steam Boilers,. Encyclopedia of Thermal Stresses 2014, R. Hetnarski (ed.), Springer, vol. 6, str [45] Taler J., Węglowski B., Sobota T., Jaremkiewicz M., Taler D.: Inverse space marching method for determining tempreture and stress distributions in pressure components. In: Developments in heat transfer, M. A. dos Santos Bernardes (ed.). Intech, Rijeka, Croatia, (2011), str

16 [46] Taler J., Węglowski B., Zima W., Grądziel S., Zborowski M.: Analysis of thermal stresses in a boiler drum during start-up. Tran ASME J Pressure Vessel Technol 1999, 121, str [47] Taler, J., Dzierwa, P., Taler, D., Determining optimum temperature changes during heating of pressure vessels with holes. American Society of Mechanical Engineers, Pressure Vessels and Piping Division PVP 2013, 1 A. [48] Taler J., Ocłoń P.: Finite Element Method in Steady-State and Transient Heat Conduction, Encyclopedia of Thermal Stresses 2014, R. Hetnarski (ed.), Springer, Dordrecht Heidelberg New York London, vol. 4, str [49] Wais P.: Wysokość wieży a okres zwrotu nakładów w energetyce wiatrowej. Rynek Energii 2013, nr 4. [50] Węglowski B., Allowable Temperature Rates for Pressure Components Using European Standards,. Encyclopedia of Thermal Stresses 2014, R. Hetnarski (ed.), Springer, Dordrecht Heidelberg New York London, vol. 4, str [51] Węglowski B., Ocłoń P., Pilarczyk M., Majcher A.: Stress analisys for the start-up operation on the example of OP-210 boiler drum, Problemy Eksploatacji 2013, nr 2, str [52] Węglowski B., Ocłoń P.: Analysis of operating conditions for pressure components of steam boilers, Rynek Energii 2012, nr 6, str [53] Węglowski B.: Blok ograniczeń termicznych energetycznych kotłów parowych, Zeszyty naukowe Politechniki Krakowskiej seria Mechanika 2001, Kraków. [54] Węglowski B.: Monitorowanie pracy walczaka kotła OP-230, Systemy, technologie i urządzenia energetyczne, J. Taler (ed.), Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej 2010, Kraków, Tom I, str [55] Węglowski B.: Rozruch i wyłączanie kotła z ruchu, Procesy cieplne i przepływowe w dużych kotłach energetycznych, J. Taler (ed.), Wydawnictwo Naukowe PWN 2011, Warszawa, str

17 POSSIBILITY OF COAL POWER PLANTS DYNAMICS PROPERTIES IMPROVEMENT IN THE CONTEXT OF INCREASING RES CONTRIBUTION IN POLISH POWER SUPPLY SYSTEM Key words: electric power system, flexibility of power systems operation, boiler start-up, RES, wind power plants Summary. This paper presents the analysis of the generation capacity structure in the National Power System. UE directives and Polish energy policy establish the renewable energy sector development. The growing rate of wind farms in the newly installed power units contributes increase of the power system load fluctuations during the day. Therefore, this paper includes analysis of the possibilities for improving the dynamic properties of coal-fired power plants. Allowable heating rates of thick-walled pressure components and the largest rate of load change rate during boiler start-up are the key aspects of the presented issue. Piotr Cisek, mgr inż., Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska. cisekpiotr@mech.pk.edu.pl Marcin Pilarczyk, mgr inż., Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska. marcin.pilarczyk@mech.pk.edu.pl