ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Adrian Chmielewski 1, Robert Gumiński 2, Artur Małecki 3, Tomasz Mydłowski 4, Stanisław Radkowski 5 WYKORZYSTANIE PARY ULTRA NADKRYTYCZNEJ W ENERGETYCE 1. Wstęp Rosnące ceny energii elektrycznej oraz dbałość o środowisko naturalne powodują, że jednym z głównych celów UE jest ograniczenie zużycia i eliminacja strat energii elektrycznej. Pakiet europejski nakazuje Państwom członkowskim: zmniejszenie zużycia energii końcowej (20%), wzrost udziału energii z odnawialnych źródeł (20%), redukcję emisji gazów cieplarnianych (20%) oraz zwiększenie efektywności wykorzystania i przetworzenia energii z paliw kopalnych [1] (należy pamiętać, że Polska energetyka,,węglem stoi'', jest to podstawowe paliwo używane do wytwarzania energii elektrycznej rysunek 1[2]). Rys. 1. Struktura mocy elektrycznej osiągalnej na koniec listopada 2011 [2] W celu poprawy efektywności wykorzystania energii z pierwotnych źródeł stosowane są układy kogeneracyjne (biorąc pod uwagę wartość kogenerowanych mocy mogą to być układy gazowo parowe, parowe wykorzystujące silniki spalania zewnętrznego oraz wewnętrznego) nazywane w skrócie CHP Combined heat and Power [3] oraz coraz bardziej rozpowszechniane układy Trigeneracyjne CCHP Combined Cooling, Heating and Power (zintegrowane wytwarzanie ciepła, energii elektrycznej oraz chłodu) [4, 5]. W Polskich sieciach energetycznych występują wysokie straty przesyłu (linie dystrybucyjne) dochodzące nawet do 20% [6]. Aby zmniejszyć straty przesyłu na liniach energetycznych polityka energetyczna zmierza w kierunku zmniejszenia odległości dostawcy od odbiorcy energii [7, 8]. Strategia ta polega na rozproszeniu źródeł energii co ma prowadzić do powstawania wielu mniejszych biogazowni, spalarni biomasy, mikrosiłowni, które będą zaopatrywały w energię elektryczną lokalne tereny. Dodatkowo wyposażone będą w wysokosprawne układy 1 Mgr inż. Adrian Chmielewski, doktorant na wydziale SiMR 2 Dr inż. Robert Gumiński, adiunkt na wydziale SiMR 3 Mgr inż. Artur Małecki, doktorant na wydziale SiMR, 4 Mgr inż. Tomasz Mydłowski, doktorant na wydziale SiMR, 5 Prof. dr hab. inż. Stanisław Radkowski, dziekan wydziału SiMR 45

2 kogeneracyjne (za układ kogeneracyjny wysokosprawny uważa się system, który po dołączeniu do podstawowego układu podwyższa jego sprawność ogólną o co najmniej 10% [9]). Konsumenci energii elektrycznej mogą stać się jej producentami (nazywa się ich wówczas prosumentami) [10]. Sprawność wytwarzania energii przez elektrownie można zwiększyć poprzez wzrost temperatury wody zasilającej, obniżenie ciśnienia w skraplaczu, obniżenie temperatury wylotowej spalin oraz przez wzrost ciśnienia i temperatury pary [11]. W niniejszym artykule przedstawione zostaną zalety pary ultra nadkrytycznej. 2. Kogeneracja rozproszona Silne przekonanie, że silnik parowy wypełnił już swą misję okazuje się błędne. Autorzy w pracy [12] wyliczają kolejne kierunki rozwoju przed maszynami parowymi (głównie energetyka rozproszona). Do tych kierunków zaliczyć należy wykorzystanie biomasy, decentralizację zaopatrzenia w ciepło oraz konieczność rozwoju energetyki w małych regionach gminach i powiatach (możliwie najbliżej odbiorcy). Obecnie przy opracowywaniu koncepcji ciepłowni w małych miastach przewiduje się wykorzystanie biopaliw takich jak słoma, zrębki drewna, bioolej czy też biogaz. Funkcja ciepłowni zostaje rozszerzona o możliwość wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o rozprężarki, którymi będą maszyny wyporowe a w szczególności tłokowe. Tłokowe silniki spalinowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami w układach kogeneracyjnych małej mocy. W znacznej mierze wynika to z ich stosunkowo niskiej ceny (możliwości adaptacji bloków tradycyjnego silnika spalinowego). Moce silników, które są oferowane przez producentów zawierają się w granicach od 5 kw do 50 MW. W [13] autorzy proponują następujący podział tych silników stosowanych w stacjonarnych układach CHP (mikrokogeneracji): silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małych mocy), silniki dwupaliwowe zasilane paliwem gazowym oraz niewielką dawką paliwa ciekłego w celu inicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnich mocy), silniki wysokoprężne (moce największe) Układy kogeneracyjne z silnikami tłokowymi budowane są jako jednostki pracujące ze stałą prędkością obrotową dla mniejszych jednostek prędkość obrotowa wynosi 1000 i 1500 obr/min, zaś dla jednostek o mocy kilku megawatów i większych prędkość obrotowa jest rzędu obr/min (są to jednostki wolnoobrotowe). W układach kogeneracyjnych z silnikami tłokowymi można odbierać ciepło (rysunek 2): z obiegu wody chłodzącej, z obiegu oleju smarnego, poprzez chłodzenie mieszanki doładowanej za turbosprężarką,ze spalin wylotowych. Rys. 2. Idea budowy układu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym [13, 14] 46

3 3. Para ultra nadkrytyczna Para ultra nadkrytyczna to para której ciśnienie i temperatura znacząco przewyższają ciśnienie i temperaturę punktu krytycznego (p=225.5 bar, T=647 K). Ponadto nie ma granicy między wodą i parą (rysunek 5). Dla temperatury 923K i ciśnienia 350 bar oddalamy się znacząco od parowego obszaru stanu wody ograniczonego na rysunku 3 linią ciągłą. Rys. 3. Technologia USC ciśnienie nadkrytyczne a ciśnienie podkrytyczne [15] Obecnie rozwijane są technologie wykorzystujące parę ultra nadkrytyczną (pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą rysunek 4). Rys. 4. Obieg Rankina przedstawienie pary przegrzanej, super nadkrytycznej, super ultra nadkrytycznej we współrzędnych T s [15] 47

4 Rys. 5. Diagram temperatura entropia dla pary wodnej [16] 4. Zastosowania pary ultra nadkrytycznej Zastosowanie pary ultra nadkrytycznej o wyższym ciśnieniu i temperaturze wpływa na wzrost sprawności elektrowni netto (z uwzględnieniem potrzeb własnych rysunek 6) lecz wymaga stosowania lepszych jakościowo materiałów na kotły energetyczne. Rys. 6. Zależność sprawności bloku MW na węgiel kamienny w zależności od zastosowanych materiałów i parametrów pary [17] Przykładem takiego materiału może być Inconel 617. Na rysunku 7 przedstawiono krzywą granicznego naprężenia w zależności od temperatury dla Inconel 617. Widać, że wysoka zawartość niklu (ponad 44%) podwyższa właściwości termiczne stopu Inconel 617. Może on pracować w temperaturze 700 C przy ciśnieniu powyżej 350 bar. Jest to więc przykład materiału, który znalazł zastosowanie w technologiach (USC ultra critical steam). 48

5 Rys. 7. Wykres ciśnienia (granicznego naprężenia) od temperatury dla Inconel 617 [18] Poprawę i podwyższenie sprawności bloków energetycznych [17] kocioł turbina generator osiąga się na etapie projektowania m.in. poprzez wzrost temperatury wody zasilającej, obniżenie ciśnienia w skraplaczu, obniżenie temperatury wylotowej spalin oraz przez wzrost ciśnienia i temperatury pary. Zakłada się, że przez wzrost ciśnienia osiągnąć można przyrost sprawności Δη = 0,005%/bar a poprzez wzrost temperatury przyrost Δη = 0,011%/ C [10]. Korzyści ekonomiczne wynikające z tego sposobu podnoszenia sprawności zależne są od ceny paliwa. Według [19] pierwszy na świecie duży blok na parametry ultra nadkrytyczne pary 345 bar i 649 C z podwójnym przegrzewem wtórnym 566/566 C o mocy 325 MW uruchomiony został w USA w roku 1959 w elektrowni Eddystone, należącej do Philadelphia Electric Co. Dyspozycyjność tego bloku była jednak bardzo niska, głównie z powodu nieodpowiedniej jakości materiałów. W konsekwencji amerykanie wycofali się z technologii USC jednak obecnie ta technologia powraca dzięki nowym jakościowo materiałom [17, 18]. W nowoczesnych siłowniach parowych najczęściej temperatura pary przegrzanej przy dopływie do turbiny przekracza 600 C co wymaga stosowania materiałów droższych np: stali austenitycznych bądź w przypadku siłowni na parę ultra nadkrytyczną stopów niklu. Wówczas parametry pary mogą przekroczyć ciśnienie 350 bar i temperaturę 700 C (rysunek 8). Rys. 8. Udziały materiałów konstrukcyjnych kotłów na parametry podkrytyczne, nadkrytyczne i ultra nadkrytyczne, według Alstom [20] 5. Podsumowanie W pracy przedstawiono obecne trendy rozwojowe w Polskiej energetyce rozproszonej. Przedstawiono rolę układów kogeneracyjnych dla Polskiego przemysłu energetycznego uwzględniając realizację Energy Package dla Polski do roku

6 Zwrócono uwagę na własności i możliwości zastosowania pary ultra nadkrytycznej oraz materiały jakie są stosowane do technologii USC. Literatura: [1] aktualizacja [2] Gabryś H., L.,,Elektroenergetyka w Polsce w roku 2012 w świetle bilansu energii za rok 2011 i nie tylko'', Energetyka, str , [3] Christos A. Frangopolous,, A method to determine the power to the ratio, the cogenerated electricity and the primary energy savings of cogeneration systems after the European Directive'', Energy, No. 45, pp-52-61, [4] Puig-Arnavant M., Bruno J. C., Coronas A.,, Modeling of trigeneration configurations based on biomass gasification and comparison of performance'', Applied Energy, No. 114, pp , [5] Nosrat A., Pearce J. M.,, Dispatch strategy and model for hybrid photovoltaic and trigeneration power systems'', Applied Energy, No. 88, pp , [6] aktualizacja [7] Kiciński J.,,,Siłownie kogeneracyjne energetyki rozproszonej skojarzone z układami produkcji paliw z biomasy'' ( /kogeneracja-biomasa.pdf). [8] Drążek P.,,,Uwarunkowania rozwoju rynków lokalnych'', Rynek Energii 5/2010. [9] Prawo Energetyczne - Ustawa z dnia 10 kwietnia ujednolicona na dzień 1 stycznia [10] Popczyk J.,,,Energetyka rozproszona'', Polski Klub Ekologiczny Okręg Mazowiecki, Warszawa, [11] Szargut J.,,Termodynamika techniczna'', wyd. PWN, Warszawa [12] Gnutek Z., Kordylewski W.,,Maszynoznawstwo energetyczne'', Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, [13] Kacejko P.,,Inżynieria elektryczna i informatyczna w nowych technologiach elektroenergetycznych'', wyd. Nowoczesna Edukacja, Lublin, [14] Skorek J., Kalina J.:,,Gazowe układy kogeneracyjne''. WNT, Warszawa [15] Konferencja Japońskie Technologie Środowiskowe,,Technologie czystego węgla'', Warszawa, 2 3 marca [16] Knizia K.,, Die thermodynamik des Dampkraftprozesses'', Springer Verlag, Berlin, [17] Golec T., Rakowski J., Świrski J.,, Perspektywy postępu technicznego w wytwarzaniu energii elektrycznej przy wykorzystaniu węgla kamiennego, węgla brunatnego oraz gazu ziemnego z uwzględnieniem efektu środowiskowego'', Instytut Energetyki, Warszawa [18] Li X., Kininmont D., Le Pierres R., Dewson S. J.,,Alloy 617 for the High Temperature Diffusion Bonded Compact Heat Exchangers'', Proceedings of ICAPP 2008, Anaheim, CA USA, June 8 12, [19] Rataj Z.L., Walewski A.W., Wojnar W.B.:,,Badania oraz wariantowa analiza techniczna rozwiązań koncepcyjnych kotłów pyłowych na parametry nadkrytyczne z paleniskiem niskoemisyjnym wybór technologii odsiarczania i odazotowania spalin, oraz utylizacji odpadów paleniskowych''. Politechnika Śląska, IMUE, Gliwice, kwiecień [20] Kotlicki T., Pawlik M.,,Innowacyjne technologie węglowe dla ograniczenia emisji CO 2 '', Rynek Energii nr 3/

7 Streszczenie W artykule przeanalizowano potrzeby stosowania nowych materiałów (Inconel 617) dla kotłów energetycznych w celu zwiększenia sprawności elektrowni m.in.: poprzez wzrost temperatury wody zasilającej, obniżenie ciśnienia w skraplaczu, obniżenie temperatury wylotowej spalin oraz przez wzrost ciśnienia i temperatury pary. Nowe materiały pozwalają na wykorzystanie technologii USC (Ultra Supercritical Steam) dla której para posiada parametry ultranadkrytyczne. W pracy również podkreślono rolę węgla w Polskiej energetyce [2]. Zwrócono uwagę na silnie rozwijającą się energetykę rozproszoną wykorzystującą układy kogeneracyjne. Przedstawiono ogólny podział układów kogeneracyjnych zawierających silniki tłokowe, które mogą wspomagać pracę dużych elektrowni. Słowa kluczowe: Para ultra nadkrytyczna, kogeneracja, energetyka rozproszona. THE ROLE OF ULTRA SUPERCRITICAL STEAM IN POWER INDUSTRY Abstract The article analyzes the need for new materials (Inconel 617) for power boilers to increase the efficiency of power plants for example by the increase of flow water temperature, lowering the pressure in the condenser, lowering the exhaust temperature and the pressure, temperature of steam. New materials allow the use of technology USC (Ultra Supercritical Steam) for which the steam has ultra-supercritical parameters. The study also highlights the role of coal in the Polish power industry [2]. Attention was drawn to strongly growing energy uses distributed cogeneration systems. The general division of cogeneration systems containing reciprocating engines, which can support the work of large power plants. Keywords: Ultra supercritical steam, cogeneration, distributed generation. 51