Wydłużona eksploatacja krajowych bloków energetycznych szanse i zagrożenia 1)

Transkrypt

1 Wydłużona eksploatacja krajowych bloków energetycznych szanse i zagrożenia 1) Autor: Artur Jasiński Dyrektor Zakładu Chemii i Diagnostyki ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. ( Energetyka nr 7/2013) Budowane w latach 70. i 80. ubiegłego wieku bloki energetyczne wciąż stanowią podstawę krajowego systemu elektroenergetycznego. Opóźnienia i zawieszenia w realizacji dużych inwestycji energetycznych prawdopodobnie wymuszą eksploatację istniejących bloków przez kolejne 15 lat, co oznacza, że większość bloków 200 MW będzie musiała podołać czasom eksploatacji przewyższającym 350 tysięcy godzin. Uwarunkowania wynikające ze środowiskowych dyrektyw unijnych oraz z prawa krajowego jednoznacznie wskazują, które jednostki wytwórcze będą mogły dalej pracować i dla których eksploatacja będzie wiązała się z inwestycjami w dodatkowe instalacje lub modernizacje. Postępujący proces starzenia jednostek wytwórczych wraz z systematycznym zaostrzaniem unijnych norm dotyczących emisji zanieczyszczeń, zwłaszcza SO 2 i NO x, wymusza wycofywanie z eksploatacji starych bloków lub poddawanie ich głębokim modernizacjom. Jednakże inwestycje związane z dostosowywaniem eksploatowanych bloków do wymogów środowiskowych będą ekonomicznie uzasadnione jedynie w przypadku zapewnienia odpowiedniego stanu technicznego urządzeń blokowych. Nieopłacalne będzie bowiem inwestowanie w instalacje, których zły stan techniczny znacznie wpływa na wzrost awaryjności bloków, a co za tym idzie w miarę upływu czasu będzie zmniejszać ich pewność ruchowa. Znajomość pozostałej żywotności bloków energetycznych jest konieczna, aby przedłużyć ich możliwości eksploatacyjne. Określenie żywotności bloku energetycznego należy postrzegać jako zbiór informacji, danych i wskaźników, które umożliwiają określenie i ocenę specyficznych uwarunkowań, zagadnień techniczno-ekonomicznych oraz zagrożeń i szans potencjalnych możliwości wytwarzania energii przez rozpatrywane urządzenie energetyczne. Obejmuje ono zagadnienia analityczne, konsultacyjne, doradcze oraz wykonawstwo prac mających na celu określenie pozostałej żywotności eksploatacyjnej bloku 1) Artykuł oparty na referacie wygłoszonym podczas IX Forum Dyskusyjnego Diagnostyka i chemia dla energetyki, zorganizowanego przez ENERGOPOMIAR w dniach maja 2013 r. w Szczyrku.

2 energetycznego jako całości w perspektywie dalszej eksploatacji, zgodnie z wymogami przepisów prawnych i środowiskowych. Rys. 1. Struktura wiekowa jednostek wytwórczych w Polsce według URE [1] Energetyka oparta na węglu Produkcja energii w Polsce oparta jest w przeważającej mierze na węglu, głównie kamiennym (rys. 2). Polska posiada jedne z największych zasobów węgla w Europie, w związku z czym energetyka oparta na tym paliwie wydaje się być naturalną drogą do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego i stabilnego rozwoju gospodarki. Inwestycje w budowę nowych mocy wytwórczych są niewystarczające, dlatego z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego korzystnym rozwiązaniem jest wydłużanie eksploatacji istniejących urządzeń. Produkcja energii elektrycznej z węgla brunatnego i kamiennego jest obecnie najtańszym sposobem jej pozyskiwania; w przyszłości jej konkurencyjność powinna się utrzymywać, nawet jeśli uwzględni się obłożenie jej znacznymi opłatami za emisję CO 2 [2].

3 Rys. 2. Struktura mocy zainstalowanej w krajowym systemie elektroenergetycznym według stanu na dzień roku [3] Udokumentowane zasoby przemysłowe węgla kamiennego w Polsce, biorąc pod uwagę obecny poziom jego zużycia, świadczą o tym, że teoretycznie może go wystarczyć na 40 lat, a węgla brunatnego na ponad 100 lat. Z uwagi na powyższe budowa nowych mocy energetycznych opartych na spalaniu węgla, które w przyszłości zastąpią wyeksploatowane już urządzenia, wydaje się rozsądna. Trudno mówić o alternatywie dla tego scenariusza, czyli o zastąpieniu istniejącej energetyki węglowej inną, przynajmniej w najbliższej przyszłości. W najbliższych latach oddanie do eksploatacji nowych bloków węglowych jest raczej niewykonalne, dlatego konieczna będzie dalsza praca dotychczas eksploatowanych urządzeń. Poza zapewnieniem produkcji energii nie bez znaczenia dla gospodarki jest utrzymanie wydobycia węgla i przeprowadzenie niezbędnych inwestycji w górnictwie. Potencjalnie zasoby węgla i jego wydobycia są według dostępnych danych znaczne. Biorąc pod uwagę możliwe wydobycie węgla brunatnego i kamiennego z uwzględnieniem dostępnych i perspektywicznych złóż według dostępnych danych, można wnioskować, że węgiel będzie podstawowym paliwem energetycznym w najbliższych latach (rys. 3 i 4).

4 Rys. 3. Możliwe wydobycie węgla brunatnego do produkcji energii elektrycznej i przeróbki chemicznej z wykorzystaniem dotychczasowych i perspektywicznych złóż w I połowie XXI wieku [2] Rys. 4. Możliwe wydobycie węgla brunatnego do produkcji energii elektrycznej i przeróbki chemicznej oraz prognozowane wydobycie węgla kamiennego w I połowie XXI wieku [2, 9]

5 Słabe i mocne strony wydłużonej eksploatacji istniejących bloków Przed rozpoczęciem działań mających na celu przedłużanie pracy długo eksploatowanych bloków energetycznych, należy koniecznie: znać uwarunkowania prawne i środowiskowe dla konkretnych jednostek eksploatowanych po 2015 roku, pod kątem horyzontu czasowego możliwości dalszej eksploatacji; posiadać wiedzę o rzeczywistym stanie technicznym (żywotności) urządzeń warunkującym ich eksploatację, w tym o stanie urządzeń zainstalowanych pierwotnie i w dalszym ciągu wykorzystywanych, stanie technicznym urządzeń zainstalowanych w trakcie remontów i modernizacji bloków; opracować system monitorowania stanu technicznego urządzeń; przeprowadzić analizę techniczno-ekonomiczną opłacalności modernizacji jednostek, uwzględniając aspekt dostępności paliwa, zainstalowanej aparatury i zastosowanych rozwiązań technicznych pod kątem zgodności z obowiązującymi przepisami; uzyskać zgodę UDT na eksploatację jednostek [8]. Bilansowanie słabych i mocnych stron wydłużonej eksploatacji istniejących bloków energetycznych nie jest łatwe, ponieważ znaczący wpływ na wnioski ma szereg czynników, takich jak: zróżnicowane prognozy dotyczące zapotrzebowania na energię, koszty wytwarzania energii i jej ceny rynkowe; zróżnicowany stopień wyeksploatowania, stan techniczny eksploatowanych urządzeń; niepewność związana z przyszłymi restrykcjami środowiskowymi związanymi z emisją zanieczyszczeń oraz wysokością kar za emisje; zróżnicowany koszt dostosowywania poszczególnych jednostek do spełnienia przyszłych wymogów środowiskowych; polityka energetyczna Polski, Unii Europejskiej oraz całego świata w dalekiej przyszłości. Nietrudno zatem zauważyć, że podejmowanie decyzji dotyczących wydłużania eksploatacji urządzeń już zainstalowanych obarczone jest szeregiem ryzyk i ma wiele słabych stron. Ponieważ nie ma alternatywy, należy w najlepszy możliwy sposób zoptymalizować działania dla wydłużenia żywotności urządzeń oraz oszacować możliwości eksploatacyjne i

6 na tej podstawie planować przyszłe inwestycje zarówno te wynikające z tempa odbudowy mocy wytwórczych, jak i te związane z dostosowywaniem bloków do wymogów środowiskowych czy polityką remontową zakładów energetycznych. MOCNE STRONY SŁABE STRONY eksploatacja bloków zasilanych pogarszający się stan techniczny dostępnym paliwem wyeksploatowanych urządzeń wiedza z zakresu procesów niszczenia skutkujący zwiększoną awaryjnością i optymalizacji remontów urządzeń tradycyjnych jednostek niska sprawność starzejących się rezerwy wytrzymałościowe urządzeń materiałów stosowanych na elementy trudności w dostosowaniu starych kryterialne starych urządzeń urządzeń do wymogów URE i dotychczasowa eksploatacja dyrektyw UE spowodowała wymianę znacznej brak jednoznacznych regulacji części urządzeń w ramach remontów dotyczących monitorowania stanu i modernizacji technicznego i brak danych dot. stanu technicznego urządzeń SZANSE ZAGROŻENIA brak pewności co do rzeczywistych utrzymanie koniecznej mocy niezbędnej do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego zapewnienie pracy dla miejscowej ludności zmniejszone ryzyko zaciągania dużych kredytów na budowę nowych mocy wytwórczych własności wytrzymałościowych stali stosowanych na elementy krytyczne starych urządzeń wzrost cen paliwa i usług nieprzewidziane zmiany w przepisach środowiskowych i regulacjach dot. OZE potencjalne zagrożenie konieczności bliskiej wymiany urządzeń z uwagi na stan techniczny Rys. 5. Skrócona analiza SWOT wydłużania żywotności bloków energetycznych

7 Brak jednoznacznych regulacji prawnych, a co za tym idzie kryteriów w zakresie oceny stanu technicznego i monitorowania szybkości procesów niszczenia urządzeń sprawia, że są one wykonywane w różny sposób i niestety nie zawsze służą swemu celowi. Najlepszym przykładem jest brak regulacji związanych z eksploatacją ponad obliczeniowy czas pracy elementów ciśnieniowych. Diagnostyka i ocena stanu technicznego powinna być bowiem ściśle powiązana z prognozowaniem dokonywana na jej podstawie ocena stanu technicznego umożliwia przewidywanie zachowania się materiału elementów urządzeń w stosunkowo długim okresie dalszej eksploatacji w zadanych warunkach roboczych. Diagnostyka powinna się opierać na określeniu tempa degradacji i tendencji do występowania uszkodzeń zarówno w oparciu o dotychczasowe, jak i przewidywane warunki eksploatacji oraz parametry robocze. Planowanie wydłużonego okresu eksploatacji tych urządzeń (często przy większych wydajnościach lub parametrach) bez wiedzy o ich rzeczywistym stanie technicznym to jeden z podstawowych błędów, który może powodować stopniowe zmniejszanie dyspozycyjności, wzrost awaryjności i nieprzewidziane wydatki związane z wymianą fragmentów lub nawet całych instalacji i urządzeń. Nawet spełnienie wymogów prawa i ewentualne dobudowanie instalacji i urządzeń w celu wydłużenia możliwości produkcji energii ze starych jednostek nie gwarantują powodzenia takiego przedsięwzięcia. Problemem może się okazać bowiem nieodpowiedni stan techniczny urządzeń nieobjętych modernizacjami, który będzie wpływał na częste odstawienia awaryjne, a co za tym idzie słabą dyspozycyjność całego zakładu [5]. Dość istotnym problemem związanym z przedłużaniem czasu eksploatacji urządzeń energetycznych jest zapewnienie odpowiednio wysokich i jednakowych w skali całego kraju standardów utrzymania technicznego dotyczących między innymi wiedzy na temat stanu technicznego urządzeń. Ryzyka związane z przedłużaniem czasu eksploatacji urządzeń Chociaż dla wydłużonej ponad obliczeniowy czas pracy urządzeń nie istnieje dziś realna alternatywa, trzeba pamiętać o związanych z tym ryzykach. Do głównych ryzyk należą: Zwiększona awaryjność urządzeń poza dodatkowymi kosztami związanymi z awaryjnymi odstawieniami, pracami remontowymi, brakiem przychodów wynikających z przerwania wytwarzania zbyt duża awaryjność może skutkować niedotrzymaniem

8 wskaźników systemowych i sankcjami karnymi za ich niedotrzymanie nałożonymi przez URE. Zmiany przepisów środowiskowych dalsze zaostrzanie wymogów emisyjnych może spowodować, że poniesione koszty dostosowywania do obecnie obowiązujących wymogów okażą się niewystarczające i konieczne będą dodatkowe nakłady na zakup uprawnień do emisji. Z kolei liberalizacja tych wymogów spowoduje, że poniesione na dostosowanie urządzeń nakłady się nie zwrócą. Spadek zapotrzebowania na energię elektryczną skutkuje ograniczeniem ilości wytwarzanej energii lub praca bloków na zaniżonych parametrach, a co za tym idzie z mniejszą sprawnością. Co prawda ryzyko to dotyczy również nowych bloków, jednakże dla starych jednostek praca na zaniżonych parametrach oraz częsta zmiana parametrów pracy dodatkowo skraca żywotność i w większym stopniu wpływa na sprawność. Konieczność konkurowania z nowymi jednostkami wytwórczymi z pewnością nowe bloki energetyczne będą miały pierwszeństwo w wytwarzaniu energii. Niedobór i wzrost cen paliwa dotyczy głównie koncernów, które nie posiadają własnego paliwa lub obiektów zlokalizowanych w większych odległościach od zasobów paliwa. W drugim przypadku dochodzi ryzyko związane ze wzrostem kosztu transportu paliwa. Obniżenie cen zielonych certyfikatów opłacalność współspalania biomasy jeszcze niedawno oczywista ze względów finansowych jest w znaczącym stopniu uzależniona od wielkości dopłat. Obniżanie cen zielonych certyfikatów powoduje, że współspalanie przestaje być opłacalne, a koszty poniesione na dodatkowe instalacje i powłoki zabezpieczające powierzchnie ogrzewalne nie zwracają się. Dodatkowo współspalanie biomasy w tradycyjnych kotłach często powoduje znaczne zniszczenia powierzchni ogrzewalnych, które trzeba będzie wymieniać na nowe. Powyższe ryzyka nie są jedynie związane z wydłużoną eksploatacją bloków, część z nich dotyczy wytwarzania energii zarówno przez stare, jak i nowe bloki. Materializacja powyższych ryzyk może przełożyć się na realne pogorszenie wyników finansowych koncernów energetycznych, co w konsekwencji odbije się na cenach energii.

9 Rys. 6. Szacowane nakłady inwestycyjne konieczne dla odnowienia mocy w krajowej energetyce oraz ich wzrost z tytułu wdrożenia dyrektywy o emisjach przemysłowych [4] Dyrektywa o emisjach przemysłowych (IED) [11], która zacznie obowiązywać po 2016 roku dla źródeł o mocy większej niż 50 MW w paliwie i sumowanej w kominie, wyklucza spalanie węgla bez instalacji głębokiego odsiarczania, odazotowania i odpylania spalin. Wymusza to konieczność przeprowadzania znaczących inwestycji, które dla mocno wyeksploatowanych instalacji będą nieopłacalne, a dla instalacji o nieoszacowanym stanie technicznym i nieznanej żywotności obarczone znacznym ryzykiem inwestycyjnym. Kwoty, jakie będzie trzeba ponieść do 2016 roku na odnowienie mocy w przypadku naturalnego zużycia i wynikającego z wdrożenia dyrektywy, nie będą małe (rys. 6). Koszt odnowienia wzrasta prawie trzykrotnie, licząc koszty koniecznych inwestycji związanych ze spełnieniem wymogów dyrektywy emisyjnej [4]. Nie sposób zatem nie uwzględniać osiągalnej trwałości urządzeń w procesie planowania inwestycji związanych z dostosowywaniem ich do wymogów emisyjnych i inwestowania w urządzenia o trwałości zapewniającej zwrot inwestycji. Ocena trwałości jako wspomaganie decyzji remontowych Sukcesywne wydłużanie czasów eksploatacji urządzeń energetycznych, zwłaszcza poza obliczeniowy czas pracy, wymaga dokonania szerokich analiz bezpieczeństwa. Dotyczy to zwłaszcza elementów, w przypadku których ewentualne uszkodzenie powoduje zagrożenia dla pracowników obsługi oraz tych, których zniszczenie spowoduje znaczne straty finansowe. Analizy teoretyczne oraz szereg metod badań i pomiarów z zakresu diagnostyki materiałowej poszczególnych elementów bloku energetycznego muszą jednak uwzględniać fakt, iż

10 właściwa ocena stanu elementu jest możliwa pod warunkiem znajomości procesów wpływających na obniżenie trwałości w trakcie jego eksploatacji, znajomości mechanizmów niszczenia oraz posiadania świadomości zróżnicowanej intensywności ich zachodzenia w różnych warunkach. Badania diagnostyczne powinny być ściśle powiązane z prognozowaniem, wymagają więc wyboru metod badawczych, które poza określeniem stanu rzeczywistego w danym momencie dają również możliwość przewidywania zachowania się materiału elementów w stosunkowo długim okresie dalszej eksploatacji w zadanych warunkach roboczych przy jednoczesnej analizie wyników badań historycznych. Celem oceny rzeczywistego stanu technicznego jest określenie perspektywy dalszej bezpiecznej eksploatacji, w tym nakreślenie zakresu remontów i kierunku ewentualnych modernizacji w celu zwiększenia bezpieczeństwa eksploatacji i wydłużenia trwałości urządzenia. Prewencja w tym zakresie jest bardzo istotna. Obejmuje ona odpowiednie planowanie badań oraz profilaktykę i monitorowanie stanu technicznego realizowane w oparciu o najbardziej aktualną wiedzę inżynierską. Do diagnostyki i oceny stanu technicznego należy zatem przystępować według uporządkowanego systemu, w którym rodzaj i zakres badań są logiczną konsekwencją przeprowadzonej analizy. Dzięki takiemu podejściu można w sposób systematyczny optymalizować okresy międzyremontowe i z dużym prawdopodobieństwem planować terminy koniecznej wymiany długo eksploatowanych elementów urządzenia. Rys. 7. Główne czynniki wpływające na stan techniczny urządzenia [10]

11 Danymi wejściowymi przy analizie pozostałej żywotności urządzeń są konkretne wyniki badań, pomiarów i analiz poszczególnych elementów składowych bloku. W zależności od rodzaju urządzenia, specyfiki jego pracy, elementów składowych, a przede wszystkim różnorodnych materiałów i procesów niszczenia limitujących ich prawidłową pracę dla poszczególnych branż dane będą zróżnicowane. Ze względu na to, iż urządzenia bloków energetycznych ulegają w trakcie normalnej eksploatacji planowanym remontom i modernizacjom, rzeczywiste czasy pracy poszczególnych elementów składowych mogą być różne, a co za tym idzie stopień ich zużycia i trwałość również. Dlatego analiza rzeczywistego stanu technicznego powinna obejmować ocenę: stanu technicznego urządzeń zainstalowanych pierwotnie i w dalszym ciągu wykorzystywanych; stanu technicznego urządzeń zainstalowanych w trakcie modernizacji bloków; analizę techniczno-ekonomiczną opłacalności modernizacji jednostek; horyzontu czasowego możliwości dalszej eksploatacji poszczególnych urządzeń; kosztu niezbędnych napraw i modernizacji urządzeń i instalacji; zainstalowanej aparatury i zastosowanych rozwiązań technicznych pod kątem zgodności z obowiązującymi przepisami; niezbędnego zakresu modernizacji dla dotrzymania wskaźników oczekiwanej dyspozycyjności w okresie przewidywanej pracy [8]. Podstawowymi zasadami efektywnych działań diagnostycznych są: wszechstronność analiz poprzedzających same badania, wybór odpowiednich metod badawczych, dobór odpowiednich metod analitycznych oraz odpowiednia interpretacja uzyskanych wyników [10]. Podsumowanie Pomimo, iż dla sukcesywnego wydłużania eksploatacji krajowych bloków energetycznych nie ma realnej alternatywy, warto zdawać sobie sprawę ze słabych i mocnych stron takiego stanu oraz odpowiednio zarządzać szansami i ryzykami z niego wynikającymi. Ze względu na to, iż węgiel kamienny oraz brunatny są dziś podstawowymi źródłami energii w Polsce, a ich dostępne zasoby pozwalają przypuszczać, że będą nimi również w przyszłości, do czasu wybudowania nowych mocy konieczna jest eksploatacja starych bloków energetycznych. Jednak, aby proces odbywał się bezpiecznie, niezbędna jest znajomość stanu

12 technicznego urządzeń oraz wiedza na temat tempa zużywania się poszczególnych elementów. Średni wiek krajowych bloków energetycznych wynosi około 30 lat praktycznie wszystkie krajowe bloki klasy 200 MW przekroczyły ten wiek, niektóre pracują ponad 40 lat. Większość krajowych jednostek wytwórczych przepracowało tysięcy godzin. Spory udział w całkowitej ilości pracujących jednostek stanowią również bloki o czasach pracy w zakresie oraz ponad 250 tysięcy godzin. Dla tego typu jednostek niezbędna jest odpowiednia gospodarka diagnostyczno-remontowa obejmująca procesy sukcesywnej eliminacji najsłabszych elementów urządzenia w odpowiednim momencie. Dzięki temu, że w momencie ich projektowania zakładano szereg rezerw wytrzymałościowych, możliwa jest ich dalsza eksploatacja, a osiągnięcie czasów eksploatacji na poziomie 350 tysięcy godzin i więcej jest w pełni realne. Wiedza o rzeczywistym stanie urządzeń uzależniona jest od właściwego doboru zakresu szeroko pojętych badań diagnostycznych, odpowiedniej interpretacji wyników i właściwego monitoringu stanu technicznego elementów krytycznych. Powyższe pozwala na znaczące wydłużenie możliwości eksploatacyjnych i zwiększenie pewności ruchowej urządzeń. Rzeczywisty stan techniczny bloku należy rozpatrywać jako wypadkową stanu technicznego poszczególnych urządzeń, procesów uszkodzeń i żywotności poszczególnych elementów. Zwiększenie dyspozycyjności i optymalna polityka planowania kosztów związanych z produkcją energii jest dziś warunkiem koniecznym do prawidłowego funkcjonowania elektrowni [8]. W skali kraju istotnym problemem pozostaje zapewnienie wysokich i jednakowych dla wszystkich długo eksploatowanych urządzeń standardów utrzymania technicznego. Literatura [1] Informacja Rządu o aktualnej sytuacji i perspektywach polskiej energetyki, Ministerstwo Gospodarki, Ministerstwo Skarbu Państwa, Warszawa grudzień [2] Tajduś A., Czaja P., Kasztelewicz Z.: Stan obecny i strategia rozwoju branży węgla brunatnego w I połowie XXI wieku w Polsce, Górnictwo i Geologia 2010, tom 5, zeszyt 3. [3] Maciejewski Z.: Stan krajowego systemu elektroenergetycznego, Polityka energetyczna 2011, tom 14, zeszyt 2. [4] Badyda K., Lewandowski J.: Perspektywy eksploatacji zasobów polskiej energetyki w uwarunkowaniach emisyjnych wynikających z regulacji unijnych, Energetyka 2010, nr 12.

13 [5] Jasiński A.: Ograniczenia i zagrożenia w przedłużaniu eksploatacji bloków, Energetyka Cieplna i Zawodowa 2012, nr 7-8. [6] Jasiński A.: Diagnostyka i ocena stanu technicznego kotłów sposobem na ich bezpieczną eksploatację, Energetyka Cieplna i Zawodowa 2012, nr 5. [7] Rusin A., Wojaczek A., Bieniek M.: Wybrane zagadnienia oceny trwałości i wspomagania decyzji remontowych elementów bloków energetycznych o długim czasie eksploatacji, Energetyka 2012, nr 11. [8] Jasiński A.: Kompleksowa ocena stanu technicznego długo eksploatowanych urządzeń bloków energetycznych punktem wyjścia do ich dalszej eksploatacji, Energetyka 2011, nr 11. [9] Dubiński J, Turek M.: Możliwości wydobycia i dostawy węgla kamiennego dla energetyki do 2020 (2030) roku, [dostęp: ]. [10] Jasiński A.: Diagnostyka jako element planowania, Chemia Przemysłowa 2012, nr 2. [11] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE z dnia 24 listopada 2010 r., w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola), wersja przekształcona (Dz. Urz. UE L 334 z 17 grudnia 2010 r.).