DUOBLOK klasy 500 MWe - Kocioł

Transkrypt

1 DUOBLOK klasy 500 MWe - Kocioł Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW Opracował: Wiesław Zabłocki RAFAKO S.A. Warszawa

2 1. Wstęp 2. Podstawowe informacje o kotle 3. Zabudowa powierzchni ogrzewalnych kotła 4. Instalacja paleniskowa kotła 5. Instalacja katalitycznego odazotowania spalin - SCR 6. Elektrofiltry (ESP) 7. Instalacja Odsiarczania Spalin - IOS 2 8. Podstawowe dane kotła / duobloku 9. Model 3D kotłów z SCR + elektrofiltry 10. Podsumowanie

3 1. Wstęp W ramach Projektu: Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Projekt w ramach Programu Badań Stosowanych RAFAKO realizowało zadanie pt. Opracowanie innowacyjnej konstrukcji kotła węglowego BP-680 będącego elementem duobloku (dwa kotły pracują a na jedną turbinę) klasy 500 MWe. 3

4 Podstawą do wykonania prac dot. kotła BP-680 na parametry nadkrytyczne, będącego elementem duobloku klasy 500 MWe, było: Zadanie 1 Konfiguracja i analizy bilansowe elektrowni referencyjnej obejmujące następujące tematy: a. Określenie podstawowych parametrów i wstępne bilanse dla duobloku (X-03423) b. Podstawowe założenia dla kotła BP-680 (X-03398) Powyższe tematy zostały wykonane przez Energoprojekt Katowice S.A. Tabela na następnym slajdzie przedstawia zestawienie podstawowych parametrów bloku będących bazą dla doboru kotła. 4

5 5

6 2. Podstawowe informacje o kotle Kocioł - na parametry nadkrytyczne - został zaprojektowany w oparciu o podstawową normę obowiązującą obecnie dla projektowania kotłów: PN-EN Kotły wodnorurowe i urządzenia pomocnicze. Projekt części ciśnieniowej kotła spełnia wymagania Dyrektywy Unii Europejskiej nr 97/23/WE dotyczącej urządzeń ciśnieniowych (tzw. Dyrektywy PED). Wykonując analizę możliwości zabudowy kotła dla duobloku klasy 500 MWe, wzięto pod uwagę uwarunkowania przestrzenno-budowlane zabudowy kotła opalanego węglem kamiennym w typowym polskim bloku o mocy 200 MWe. Zdecydowano się na zabudowę kotła dwuciągowego przy następujących 6 głównych założeniach:

7 7 Projekt badawczy DUO-BIO Prostokątny przekrój komory paleniskowej o wymiarach: szerokość mm głębokość mm Jest to przekrój zbliżony do przekroju typowego kotła bloku o mocy 200 MWe. Gabaryty komory paleniskowej / kotła wpisują się w aktualną podziałkę głównych słupów konstrukcji nośnej kotła. Zakres wykorzystania istniejącej konstr. nośnej kotła może zostać określony po badaniach technicznych jej stanu i wykonaniu analizy statycznej. Ruszt nośny kotła ulegnie wymianie na nowy. Odwadnialne wszystkie powierzchnie ogrzewalne kotła. Zastosowanie niskoemisyjnych (NOx) palników wirowych na przedniej ścianie komory paleniskowej. Uwzględnienie aktualnej zabudowy reaktora SCR. Wymiana obrotowych po-po (na trójsektorowe). Wentylatory młynowe (powietrza pierwotnego) na tłoczeniu wentylatorów podmuchu (zimna strona). Głęboka modernizacja układów młynowych lub wymiana na nowe.

8 Zaproponowano pyłowy kocioł przepływowy typu dwuciągowego, z pompą cyrkulacyjną dla potrzeb rozruchów i pracy na niskim obciążeniu 40% WMT na parametry nadkrytyczne pary, z przegrzewem międzystopniowym, pracujący na parametry poślizgowe, przeznaczony do pracy kolektorowej (do kolektora podłączone są 2 kotły tzw. duoblok). Kolektor będzie połączony z turbiną kondensacyjną klasy 500 MWe. 8

9 Kocioł na parametry nadkrytyczne - kocioł przepływowy Przegrzewacz pary pierwotnej 100 Zasilanie kotła Parownik ECO Separator Butla poziomowa 50 Pompa cyrkulacyjna Mokra butla (rozruch, praca poziomowa PWZ na niskim obc. 0 40%) Obciążenie kotła [ % ] Przepływ przez parownik Przejście z mokrej na suchą butlę Sucha butla poziomowa, praca czysto przepływowa 9 Na następnych slajdach przedstawiono możliwe charakterystyki poślizgowe pracy bloku oraz moc bloku / przepływ pary świeżej w funkcji obciążenie bloku.

10 - Wariant 1 10

11 11

12 - Wariant 2 12

13 3. Zabudowa powierzchni ogrzewalnych kotła Wykonano wielowariantową analizę zabudowy powierzchni ogrzewalnych kotła. Do realizacji wybrano optymalny wariant przedstawiony poniżej. + 62,000 m + 56,275 m + 12,00 m 13 ± 0,00 m

14 Poziom rusztu nośnego kotła BP-680 Poziom rusztu nośnego kotła OP-650 ~+ 62,0 m + 54,0 m Kocioł BP-680 Kocioł OP Porównanie zabudowy kotła BP-680 z kotłem bloku 200 MWe (OP-650)

15 + 66,50 m + 62,00 m SH3b RH2 SH4 SH2b SH3a RH1 ECO SH3b RH2 SH4 SH2b SH3a RH1 ECO SCR 15 Wariant 2 (wybrany do realizacji)

16 Główny poziom obsługi +12,00 m 16

17 Poniższa tabela przedstawia zestawienie przewidywanych gatunków stali dobranych na główne powierzchnie ogrzewalne części ciśnieniowej oraz rurociągi łączące w obrębie kotła. 17 Powierzchnia Orurowanie przegrzewaczy Rozdzielacze, komory SH 2a (rury 13CrMo 4-5 X10CrMoVNb9-1 wieszakowe I i II ciągu) X10CrMoVNb9-1 ECO 13CrMo4-5 15NiCuMoNb Mo3 16Mo3 RH 1 13CrMo4-5 X10CrMoVNb9-1 SH 3 X10CrNiCuNb X10CrMoVNb9-1 (Super 304H) X10CrWMoVNb9-2 RH 2 X10CrNiCuNb X10CrMoVNb9-1 (Super 304H sb/sp) X10CrWMoVNb9-2 SH 4 X10CrNiCuNb X10CrMoVNb9-1 (Super 304H sb/sp) X10CrWMoVNb9-2 SH 2b X10CrMoVNb9-1 X10CrMoVNb9-1

18 Dla ścian szczelnych przewidziano następujące materiały: Ściany szczelne Orurowanie ścian Komory Ekrany spiralne (lej, komora paleniskowa) 13CrMo4-5 15NiCuMoNb5-6-4 X10CrMoVNb9-1 Ekrany pionowe (I i II ciąg, strop, międzyciąg) 13CrMo4-5 X10CrMoVNb Dla grubościennych komór i rurociągów pary i wody spalinami przewidziano następujące materiały: nieogrzewanych Medium Element Materiał Woda Para Rurociągi Komory Rurociągi Komory 15NiCuMoNb NiCuMoNb Mo3, X10CrMoVNb9-1 X10CrWMoVNb9-2 X10CrMoVNb9-1 X10CrWMoVNb9-2

19 4. Instalacja paleniskowa kotła Jednym z istotnych celów projektu kotła była możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury i wpisania się w istniejącą siatkę słupów typowego kotła bloku o mocy nominalnej 200 MWe. Gabaryty urządzeń dla układu jednonitkowego nie zmieszczą się w istniejącej siatce słupów. Konieczne byłoby powiększenie kotłowni. Biorąc pod uwagę powyższe informacje zadecydowano o zachowanie układu dwunitkowego. Kocioł będzie wyposażony w następujące podstawowe urządzenia i instalacje: 19

20 2 wentylatory podmuchu (modernizowane lub nowe), 2 nowe parowe podgrzewacze powietrza, 2 nowe wentylatory powietrza młynowego zlokalizowane po stronie zimnej OPP, a nie jak obecnie po stronie gorącej, 2 nowe, trzysekcyjne obrotowe podgrzewacze powietrza, 4 nowe podajniki węgla (np. grawimetryczne), 4 nowe (z wykorzystaniem fundamentów) młyny węglowe z separatorami dynamicznymi lub głęboka modernizacja istniejących, 24 nowe, niskoemisyjne palniki wirowe, 12 dysz powietrza dopalającego SOFA, 1 nowy odżużlacz, Istniejąca Instalacja katalitycznego odazotowania spalin (SCR), 2 nowe, dwukomorowe, trzyskcyjne elektrofiltry, 2 wentylatory spalin (modernizowane lub nowe). 20

21 21 Młyny SOFA Uproszczony schemat spaliny-powietrze Palniki wirowe 24 szt. Kocioł SCR LUVO tri sektor LUVO tri sektor Pow. zimne do młynów ESP ESP Pow. zimne do młynów Wentylatory ciągu Went. pow. pierwotnego Parowy po-po Wentylator podmuchu IOS Went. pow. pierwotnego Parowy po-po Wentylator podmuchu Komin

22 Wartość opałowa Wd [ MJ/kg ] Węgiel gr. górny Wd =24,0 MJ/kg Ar = 16,0 % Wr = 7.0 % Węgiel gwaranc. Wd =21,5 MJ/kg Ar = 22,0 % Wr = 11,3 % Węgiel gr. dolny Wd =20,0 MJ/kg Ar = 25,0 % Wr = 12.0 % 22 Zawartość popiołu Ar [ % ] Pole paliwowe paliwa podstawowego

23 23 Nadmiar powietrza w komorze paleniskowej kotła, niedopał Wymagana jest dobra jakość przemiału, tj. ok % pozostałości na sicie R90 (90 µm) i ok. 0,5 1,0% pozostałości na sicie R200 (200 µm). Można to osiągnąć poprzez zastosowanie młynów rolkowych z hydraulicznym system docisku i separatorami dynamicznymi. Należy rozważyć także głęboką modernizację istniejących układów młynowych Z dużą dokładnością kontrolowana będzie ilość i rozdział powietrza do poszczególnych odbiorników przy niskim nadmiarze powietrza w komorze paleniskowej, co skutkuje niższą emisją substancji szkodliwych do atmosfery (NOx). Charakterystykę nadmiaru powietrza na wylocie z komory paleniskowej i za obrotowymi podgrzewaczami powietrza przedstawia następny slajd. Dobra jakość przemiału oraz dobra organizacja spalania pozwoli na uzyskanie wysokiej sprawności spalania, a co za tym idzie niski niedopał. Sprawność paleniska na poziomie 98,9 99,2%, przy częściach palnych w popiele i żużlu 3,0 4,0%, zależnie od jakości spalanego węgla.

24 1,71 za OPP wylot z kom. paleniskowej Nadmiar powietrza λ [ ] 1,55 1,465 1,55 1,263 1,251 1,18 1,18 24 Obciążenie kotła [ % WMT ] Nadmiar powietrza w komorze paleniskowej

25 Koncepcja zabudowy dysz SOFA Politechnika Śląska wykonała wielowariantową analizę modelową zabudowy dysz SOFA w celu określenia miejsca ich zabudowy i doboru odpowiedniego kata zawirowania powietrza. Po analizie modelowej decydowano że zostaną zabudowane 2 rodzaje dysz SOFA. Dysze typ 1 - zabudowane na tylnej ścianie komory paleniskowej przez dysze podawane bedzie ok. 60 % ilości powietrza SOFA. Dysze typ 2 - zabudowane na przedniej ścianie komory paleniskowej przez dysze podawana będzie pozostała ilość powietrza SOFA, tj. 40%. Przyjęto, że nad każdym pionowym rzędem (kolumną) palników będzie, na ścianie przedniej, zabudowana dysza SOFA. Taka sama ilość dysz SOFA w tej samej podziałce będzie zabudowana na ścianie tylnej komory paleniskowej. M M M M M M ściana tylna 25 ściana przednia

26 Komora paleniskowa rozmieszczenie palników wirowych i dysz SOFA dysze SOFA

27 Pyłoprzewody, układ młynowy (3+1) 27

28 Młyny Z bilansów kotła i instalacji paleniskowej wynika, że młyn powinien osiągać wydajność nominalną ok. 35 t/h. Młyny - nowe - o takiej wydajności powinny zmieścić się w gabarytach istniejących naw młynowych. Zakłada się, że wydajność nominalną kocioł osiągnie przy trzech pracujących młynach. Ilość pracujących młynów będzie dostosowana do obciążenia kotła i jakości spalanego węgla. Na podstawie bilansów oszacowano wstępnie zakres obciążeń kotła z pracującymi trzema i dwoma młynami dla węgli projektowych. 28

29 5. Instalacja katalitycznego odazotowania spalin - SCR W istniejących kotłach bloków o mocy 200 MWe zostały już zabudowane instalacje SCR. Należy uwzględnić wymogi BAT odnośnie emisji NOx 85 mg/m USR 3. Spełnienie wymagań BAT wymaga zabudowy 2-3 warstw katalitycznych (czyli tyle ile jest aktualnie zabudowanych w istniejących reaktorach SCR bloku referencyjnego). Jako reagent dla procesu odazotowania przyjęto 24% wodę amoniakalną wykorzystywaną obecnie w instalacjach SCR bloków 200 MWe. Do projektowych obliczeń procesowych SCR na wejściu do instalacji przyjęto poziom NOx = 450 mg/m USR 3. Stanowi to rezerwę w stosunku do emisji z komory paleniskowej na poziomie 350 mg/m USR 3. Wykaz zużycia mediów dla projektowych obliczń: Media BAT 100% WMT 40%WMT Woda amoniakalna 0,48 m 3 /h 0,21 m 3 /h 29 Sprężone powietrze 80 m u3 /h 80 m u3 /h Energia elektryczna 55 kw 55 kw

30 Istniejąca instalacja SCR referencyjnego bloku 200 MWe 30

31 6. Elektrofiltry (ESP) Emisja pyłu będzie na wylocie z będzie 10 mg/m USR 3. Uwzględniając te wymagania oraz obszar zabudowy będący do dyspozycji, każdy kocioł Duobloku będzie wyposażony w dwa nowe dwukomorowe, trzysekcyjne elektrofiltry. Na następnym slajdzie pokazano drogę przepływu spalin przez ESP. 31

32 Aranżacja elektrofiltrów widok z góry WS1 WS2 WS3 WS4

33 7. Instalacja Odsiarczania Spalin - IOS Wymagane parametry spalin na wylocie z IOS: PARAMETR JEDNOSTKA WARTOŚĆ Stężeniedwutlenku siarki (SO 2 ) za IOS 3 mg/m USR Stężenietlenków azotu (NO x ) za IOS 3 mg/m USR Stężeniepyłu za IOS 3 mg/m USR Stężenie chlorowodoru HCl za IOS 3 mg/m USR Stężenie fluorowodoru HF za IOS 3 mg/m USR 75,0 85,0 < 5,0 3,0 < 2,0 33 Stężenie rtęci Hg za IOS 3 µg/m USR < 2,0 Inne wymagania: PARAMETR JEDNOSTKA WARTOŚĆ Zawartość wolnej wody w spalinach mg/m 3 UR < 10,0 Zawartość wolnej wilgoci w gipsie % < 10,0

34 Możliwości modernizacji istniejących systemów odsiarczania dla osiągnięcia wymogów konkluzji BAT w zakresie emisji SO 2 Zwiększenie liczby / przepustowości lub wymiana poziomów zraszania 34 Zabudowa półki sitowej. Możliwość osiągnięcia emisji pyłu Instalacja dozowania kwasu organicznego np. mrówkowego

35 Metody aktywne redukcji emisji rtęci w instalacjach oczyszczania spalin 35

36 Model 3D całkowicie nowej instalacji IOS (obszar 120 m x 120 m) dla Duobloku klasy 500 MWe Magazyn gipsu, Stacja odwadniania gipsu, Stacja rozładunku sorbentu i załadunku gipsu Mokry komin żelbetowy z powłoką antykorozyjną H = 120 m Dz = 7,2 m Dw = 6.6 m Węzeł magazynowania i roztwarzania sorbentu Stacja rozładunku sorbentu z wagonów Absorber 36 Zbiornik wody procesowej Zbiornik awaryjnego opróżniania absorbera

37 Obciążenie Kotłów / Duobloku 100% WMT Moc brutto przy 100 % WMT 527 MWe Potrzeby własne kotłów i ESP 2 x 5,9 MWe Ilość pary świeżej z 2 kotłów..2 x 680 t/h Ciśnienie pary świeżej (*)...27,5 MPa (- na wylocie z kotła).( 28,5 MPa ) Temperatura wody zasil..300 C Temperatura pary świeżej (*).596 C (- na wylocie z kotła) ( 600 C ) Zakres przegrzewu p. świeżej % Ciśnienie pary wtórnej (*).5,175 MPa (- na wylocie z kotła).( 5,517 MPa ) Temperatura pary wtórnej (*). 608 C (- na wylocie z kotła).( 610 C ) Zakres przegrzewu p. wtórnej...60 (50) 100 % Minimum techniczne kotła. 40 % obc. bloku Max zużycie węgla ~ 2 x 99,0 t/h Emisja CO (za IOS) 100 mg/m 3 USR Emisja NOx (za IOS).. 85 mg/m 3 USR Emisja SO2 (za IOS).. 75 mg/m 3 USR Emisja pyłu (za ESP/IOS) 10 / 5 mg/m 3 USR 37 Max. Ilość spalin z kotłów ~ 2 x m U3 /h Temperatura spalin za kotłem ~ C Sprawności kotła brutto...~ 93,4 93,6 % 8. Podstawowe dane kotła / duobloku (*) dane na wlocie do turbiny Dane paliwa podstawowego: w. kamienny gwarancyjny zakres węgli Wd MJ/kg 21,5 20,0 24,0 Wilgoć % 11,3 7,0 12,0 Popiół % 22,0 16,0 25,0 Siarka % 1,1 0,8 1,3

38 9. Model 3D kotłów z SCR + elektrofiltry 38

39 10. Podsumowanie Kocioł przepływowy BP-680 (o prostokątnym przekroju komory paleniskowej) na parametry nadkrytyczne, przeznaczony do pracy w układzie duoblokowym z turbiną klasy 500 MWe, mieści się w siatce słupów głównej konstrukcji typowego kotła z naturalną cyrkulacją (OP-650) bloku o mocy nominalnej 200 MWe. 39 W celu obniżenia oporów przepływu na części wysokoprężnej kotła należy rozważyć celowość i możliwość zabudowy, na komorze paleniskowej, pionowych rur ryflowanych w miejsce orurowania spiralnego. Zmniejszenie oporów przepływu obniży wysokość podnoszenia pomp wody zasilającej (PWZ), co będzie skutkowało zmniejszeniem poboru mocy przez pompy (urządzenia o największym poborze mocy w bloku) i zwiększeniem sprawności bloku.

40 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 40