POPRAWA SPRAWNOŚCI CIEPLNEJ BLOKÓW ENERGETYCZNYCH POPRZEZ WYKORZYSTANIE ODZYSKANEGO CIEPŁA ODPADOWEGO Autor: Paweł Rączka ( Rynek Energii luty 2016) Słowa kluczowe: ciepło odpadowe, blok energetyczny, wzrost sprawności, kondensacyjny wymiennik ciepła, ciepło jawne i utajone Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń wpływu wykorzystania ciepła odpadowego odzyskanego w podkrytycznym bloku energetycznym na jego sprawność. Odzysk ciepła odpadowego (jawnego i utajonego) następuje poprzez schłodzenie spalin wylotowych kotła parowego z paleniskiem pyłowym, zasilanego węglem kamiennym lub brunatnym, pracującego w bloku energetycznym o mocy 370 MW. Odzyskane ciepło odpadowe zostaje wykorzystane do podgrzewu kondensatu, przepływającego przez niskoprężne podgrzewacze regeneracyjne, zastępując ciepło w parze upustowej. W celu określenia wpływu proponowanego rozwiązania na sprawność bloku zbudowano modele matematyczne obiegu cieplnego bloku. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość podniesienia sprawności cieplnej bloku netto od 0,29 % (węgiel kamienny) do prawie 1,2 % (węgiel brunatny), przy czym istnieje bariera pełnego wykorzystania odzyskanego ciepła w turbozespole bloku zasilanego węglem brunatnym. Istnieje możliwość jego pełnego wykorzystania i dalszego zwiększenia sprawności poprzez zastosowanie ciepła odpadowego np. w celu wstępnego podgrzewu powietrza do spalania kierowanego do kotła. 1. WPROWADZENIE W światowej energetyce konwencjonalnej zachodzi ciągły proces podnoszenia sprawności konwersji energii chemicznej paliwa do energii elektrycznej, wymuszany głównie przez wzrost kosztów paliw oraz dążenie do redukcji uciążliwości energetyki dla środowiska. Choć w Polsce w ostatnich latach wciąż nie ma zbyt wielu przykładów takiego postępowania, co spowodowane jest głównie niepewnością panującą na rynku energii oraz rosnącymi nakładami inwestycyjnymi na nowe moce, to nadchodzące lata powinny zmienić ten stan. W przypadku konwencjonalnej siłowni wzrost sprawności następuje głównie poprzez zwiększanie parametrów pary produkowanej w kotle i wykorzystywanej do zasilania turbozespołu oraz np. stosowanie wielokrotnych przegrzewów międzystopniowych czy modyfikacje części przepływowych turbin parowych poprawiające ich sprawność. Jednak w przypadku wszystkich konwencjonalnych bloków, i to zarówno energetycznych, jak i ciepłowniczych, podkrytycznych i nadkrytycznych, istnieje niewykorzystane źródło ciepła odpadowego. Są nim spaliny wylotowe z kotła zasilanego paliwem stałym. Istnieją nieliczne przypadki wykorzystania tego ciepła (np. ciepło odzyskane ze spalin wylotowych kotła fluidalnego bloku elektrowni Łagisza podgrzewa wstępnie powietrze do spalania kierowane do tego kotła). Jednak nie sięgnięto dotychczas na szerszą skalę po ciepło kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach, którego ilość (zwłaszcza w przypadku spalin z węgla brunatnego lub biomasy) jest znaczna. Jedynym przypadkiem jest układ kondensacyjny o mocy ok. 20 MW zainstalowany w EC Białystok
S.A., odbierający ciepło ze spalin wylotowych kotła fluidalnego zasilanego biomasą, i wstępnie podgrzewający powracającą z obiegu wodę sieciową. Wykonane przez autora obliczenia dla spalin z kotła pyłowego bloku 900 MW zasilanego węglem brunatnym wykazały możliwość odzyskania nawet 390 MW ciepła (ciepło jawne i utajone) przy ochłodzeniu spalin ze 160 do 50 o C [3]. W prezentowanej pracy pokazano wpływ odzyskanego ze spalin ciepła odpadowego na sprawność wytwarzania energii elektrycznej w podkrytycznym bloku energetycznym o mocy 370 MW. 2. MODEL MATEMATYCZNY OBIEGU CIEPLNEGO BLOKU 370 MW W celu przeprowadzenia analizy wpływu wykorzystania ciepła odpadowego w obiegu cieplnym konwencjonalnego podkrytycznego bloku energetycznego zbudowano model obiegu cieplnego bloku energetycznego o mocy 370MW, z pojedynczym międzystopniowym przegrzewem pary, trójkadłubowym turbogeneratorem, zbiornikiem wody zasilającej z odgazowywaczem termicznym oraz podgrzewaczami regeneracyjnymi i układem chłodzenia skraplacza (rys. 1). Wykorzystano dostępne dane dotyczące sprawności turbozespołu 370 MW (tab. 1) oraz dane techniczne kotła BP-1150. Modele zbudowano w programie PTC Mathcad 15 wykorzystując przy tym biblioteki numeryczne z wbudowanymi tablicami pary [2], z których odczytywano właściwości wody i pary w całym obiegu. Na model składają się równania: bilansów masy i energii, dane dotyczące sprawności wewnętrznej oraz mechanicznej turbin parowych oraz pomp i ich napędów, równania stanu czynnika roboczego (wody/pary). Przyjęto pracę bloku w stanie ustalonym, przy mocy znamionowej 370 MW. Uwzględniono przy tym straty ciśnienia i ciepła w rurociągach łączących elementy układu oraz straty ciśnienia w wymiennikach ciepła. Wszystkie wymienniki powierzchniowe pracują bez przechłodzenia skroplin. Pominięto straty czynnika obiegowego oraz strumienie pary kierowane do uszczelnień turbiny i smoczków parowych. Zbudowano dwa modele obiegów cieplnych bloku: model bazowy (referencyjny), zasilany węglem kamiennym lub węglem brunatnym (rys. 1), model zmodyfikowany, z wykorzystaniem odzyskanego w układzie odzysku ciepła odpadowego (UOCO) ciepła ze spalin wylotowych kotła zasilanego węglem kamiennym lub węglem brunatnym (rys. 2 i 3).
Tabela 1. Sprawności wewnętrzne turbozespołu 13K370 [7] wlot WP-A7 wlot SP-A6 A6-A5 A5-A4 wlot NP-A2 A2-A1 A1-wylot Sprawność wewnętrzna grupy stopni, % 87,96 90,94 92,84 92,12 87,74 88,54 89,54 Różnica pomiędzy blokiem zasilanym węglem kamiennym i brunatnym polega tylko na zastosowanym paliwie (wartości opałowej) oraz przyjętej sprawności cieplnej kotła (węgiel kamienny 92%, węgiel brunatny 88%). Nie ulegają zmianie inne przyjęte parametry pracy bloku. 3. ANALIZA PRACY BLOKU 370 MW WYKORZYSTUJĄCEGO CIEPŁO ZE SPALIN WYLOTOWYCH KOTŁA Poniżej przedstawiono wyniki obliczeń cieplnych bloku energetycznego o mocy 370 MW z oraz bez zainstalowanego wymiennika UOCO ze spalin wylotowych. Wymiennik UOCO zainstalowany jest na kanale spalin wylotowych z kotła za elektrofiltrem i przed instalacją odsiarczania spalin. Odzyskane ciepło zastępuje ciepło w parze upustowej, pobieranej z części niskoprężnej turbiny (z upustów A1 A3), służące do podgrzewu kondensatu w podgrzewaczach regeneracyjnych XN1 XN3 (rys. 1). Obliczenia przeprowadzono dla bloku opalanego węglem kamiennym (wartość opałowa 23,3 MJ/kg) oraz brunatnym (wartość opałowa 8 MJ/kg), przy założeniu stałej wielkości mocy elektrycznej brutto generowanej przez blok oraz stałych parametrach pary produkowanej przez kocioł pracujący przy wydajności znamionowej (1088 Mg/h). 3.1. Model bloku opalanego węglem kamiennym wariant bazowy Na rysunku 1 i w tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń wykonanych dla wariantu bazowego bloku energetycznego zasilanego węglem kamiennym. Przyjęto brak poboru pary upustowej do kolektora międzyblokowego 1,8 MPa. Dla dalszej analizy najważniejsze są wyniki obliczeń uzyskane dla części NP turbozespołu oraz zasilanych z niej parą upustową wymienników regeneracyjnych. Sprawność cieplną bloku brutto obliczono na podstawie równania N N eb eb bb r B Qi Q (1) ch
gdzie: paliwa, kg/s; N eb - moc elektryczna brutto (mierzona na zaciskach generatora), MW; B - zużycie - moc doprowadzona z paliwem (energia chemiczna), MW. r Qi - wartość opałowa paliwa, MJ/kg; Q ch 272.3 kg/s 4.2 MPa 540 o C węgiel kamienny 23,3 MJ/kg BP-1150 92 % 302.3 kg/s 17.7 MPa 540 o C WP SP SP NP 226.8 kg/s 0.56 MPa 259 o C NP GTHW 370 MW A7 A5 A6 A6 A5 A4 A1 A3 A2 A1 23 MPa 249 0 C 30.2 kg/s 4.3 MPa 328 0 C 16.8 kg/s 0.316 MPa 203 o C 190.0 kg/s 70 kpa 39 o C KQ1 XW3/4 ZZ1 XN4 XN3 38765 kw 241.3 kg/s 1.27 MPa 92.3 o C XN2 21403 kw 8.3 kg/s 0.090 MPa 96.8 o C XN1 26169 kw 11.7 kg/s 0.036 MPa 73.2 o C PKQ1 PK XW1/2 PZ 1K12 PXN4 241.3 kg/s PXN2 1.17 MPa 130.3 o C 216.2 kg/s 1.27 MPa 91.8 o C 216.2 kg/s 1.37 MPa 68.2 o C 216.2 kg/s 1.47 MPa 39.2 o C P1K12 P1K12 Rys. 1. Wyniki najważniejszych obliczeń dla bloku 370 MW zasilanego węglem kamiennym wariant bazowy Natomiast sprawność cieplną bloku netto obliczono na podstawie równania N N N eb pw en bn r B Qi Q (2) ch gdzie: N pw - moc elektryczna potrzeb własnych maszynowni (napędy pomp) oraz pompy wody zasilającej napędzanej turbiną parową, MW; N en - moc elektryczna netto bloku, MW. Tabela 2. Wyniki obliczeń uzyskane z modelu bloku 370MW zasilanego węglem kamiennym (wariant bazowy) Energia chemiczna paliwa Nazwa Moc kw Kocioł z przegrzewaczem pary pierwotnej 756 712 Przegrzewacz międzystopniowej pary 149 613 SUMA 906 325 Moc generowana brutto 370 000 Moc elektryczna potrzeb własnych maszynowni (pomp) Pompa kondensatu PK 425,1 Pompa skroplin PXN4 8,3 Pompa skroplin PXN2 44,2 Pompa wody chłodzącej PKQ1 4904,7 Pompa wody chłodzącej P1K12 394,3
Moc pompy wody zasilającej napędzanej turbiną parową PZ 10 126 suma 15 903 Moc generowana netto 354 097 Sprawność cieplna bloku brutto 40,82% netto 39,07% Jak wynika z tabeli 2 obliczona sprawność cieplna brutto bloku bazowego wyniosła 40,82%. Obliczona moc elektryczna netto, wynosząca 354,1 MW, oraz sprawność netto równa 39,07% są wartościami wyjściowymi do analizy wpływu proponowanych zmian, związanych z wprowadzeniem ciepła z UOCO do obiegu cieplnego bloku zasilanego węglem kamiennym. Strumień pary pierwotnej produkowanej przez kocioł wynosi w wariancie bazowym 302,3 kg/s. Z obliczeń bilansowych wynika, że przy ochłodzeniu spalin od temperatury 140 o C do temperatury 45 o C na wylocie z wymiennika UOCO możliwa do odzyskania moc cieplna wynosi: ciepło jawne 43,9 MW, ciepło utajone (kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach-wodny punkt rosy wynosi 46,5 o C) 5,2 MW, czyli łącznie 49,1 MW. Bilansując wymiennik po stronie czynnika przy założeniu, że dopływa do niego kondensat ze skraplacza turbiny o parametrach: strumień masowy 216,2 kg/s, temperatura 39,2 o C oraz ciśnienie 1,47 MPa, obliczono możliwą do uzyskania temperaturę kondensatu na wylocie z wymiennika, przy wykorzystaniu ciepła z UOCO, na 93,5 o C. Jest to wartość o 1,7 o C wyższa od temperatury kondensatu za wymiennikiem XN2 (rys. 1). Przy braku poboru pary upustowej z części NP turbiny wzrośnie jednak strumień masy pary trafiającej do kondensatora, a to spowoduje wzrost przepływu kondensatu przez układ regeneracji niskoprężnej i w konsekwencji obniży temperaturę kondensatu za wymiennikiem XN2. Dlatego możliwym jest zastąpienie ciepła odbieranego w wymiennikach XN1 i XN2 z pary upustowej (upusty A2 i A1) ciepłem odzyskanym w UOCO. Obliczenie wielkości możliwego do uzyskania w ten sposób efektu technicznego przedstawiono w następnym punkcie. 3.2. Model bloku opalanego węglem kamiennym wariant z UOCO Ze względu na przedstawione powyżej wyniki obliczeń bilansowych zbudowano model bloku 370 MW z wymiennikami XN1 i XN2 zastąpionymi wymiennikiem XNCO, który zasilany jest ciepłem odpadowym odebranym spalinom wylotowym z kotła. Założono przy tym, że na skutek wzrostu oporów przepływu kondensatu przez wymiennik XNCO wzrośnie zapotrzebowanie na moc elektryczną pompy kondensatu PK oraz wentylatora wyciągowego spalin z kotła. Opory oszacowano na 0,3 MPa (kondensat) i 2 kpa (spaliny), co spowodowało zwiększenie zapotrzebowania na moc elektryczną pompy kondensatu o 138,6 kw i wentylatora o 820 kw. Wyniki obliczeń zaprezentowano na rysunku 2 i w tabeli 3. Przeprowadzone obliczenia pokazały, że dzięki UOCO częściowo uniknięty zostanie pobór pary upustowej z części NP turbiny i do ostatniego stopnia turbiny skierowany zostanie większy strumień pary, niż w wariancie bazowym (206,0 kg/s w porównaniu do 190,0 kg/s).
269.3 kg/s 4.2 MPa 540 o C węgiel kamienny 23,3 MJ/kg BP-1150 92 % 299.2 kg/s 17.7 MPa 540 o C WP SP SP NP 224.3 kg/s 0.56 MPa 259 o C NP GTHW 370 MW A7 A5 A6 A6 A5 A4 A1 A3 A2 A1 23 MPa 249 0 C 29.9 kg/s 4.3 MPa 328 0 C 18.3 kg/s 0.316 MPa 203 o C 206.0 kg/s 70 kpa 39 o C KQ1 XW3/4 ZZ1 XN4 XN3 42184 kw 238.6 kg/s 1.27 MPa 88.5 o C XNCO 49100 kw PKQ1 XW1/2 PZ 1K12 PXN4 238.6 kg/s 1.17 MPa 130.3 o C 238.6 kg/s 1.77 MPa 39.2 o C PK P1K12 P1K12 Rys. 2. Wyniki najważniejszych obliczeń dla bloku 370 MW zasilanego węglem kamiennym wariant UOCO Tabela 3. Wyniki obliczeń uzyskane z modelu bloku 370MW zasilanego węglem kamiennym (wariant z UOCO) Nazwa Moc kw Energia chemiczna paliwa Kocioł z przegrzewaczem pary pierwotnej 748 383 Przegrzewacz pary międzystopniowej 147 966 SUMA 896 349 Moc generowana brutto 370 000 Pompa kondensatu PK 563,7 Pompa skroplin PXN4 8,2 Moc elektryczna potrzeb własnych maszynowni (pomp) Pompa wody chłodzącej PKQ1 5 381,8 Pompa wody chłodzącej P1K12 390,0 Wzrost mocy wentylatora spalin 820,0 Moc pompy wody zasilającej napędzanej turbiną parową PZ 10 015 suma 17 178 Moc generowana netto 352 822 Sprawność cieplna bloku brutto 41,28% netto 39,36% Wzrośnie natomiast strumień masy pary z upustu A3, zasilający podgrzewacz regeneracyjny XN3, oraz jego moc cieplna. Związane jest to także ze wzrostem strumienia kondensatu przepływającego przez niego. Strumień pary świeżej produkowanej przez kocioł spada do 299,2 kg/s, czemu towarzyszy również spadek zużycia energii chemicznej paliwa. Z obiegu wyeliminowana została pompa skroplin PXN2, co obniżyło zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne.
Zastosowanie UOCO spowoduje spadek jednostkowego zużycia ciepła i pary na produkcję energii elektrycznej, co z kolei wywoła wzrost sprawności cieplnej brutto bloku z 40,82% do 41,28% (Δη bb = 0,46%). Niestety, wzrastają potrzeby własne bloku w zakresie mocy elektrycznej do napędu pomp (zwłaszcza pompy wody chłodzącej kondensator PKQ1 oraz pompy kondensatu PK) i wentylatora wyciągowego spalin, co powoduje spadek generowanej mocy netto bloku o 1275 kw. W związku z tym sprawność cieplna netto bloku po zabudowie UOCO wzrasta tylko o 0,29%. Oszczędność w zużyciu paliwa wyniesie ok. 12,3 tyś. Mg/rok. Ograniczeniem w dalszym zmniejszaniu strumienia pary upustowej pobieranej na cele podgrzewu kondensatu jest temperatura spalin wylotowych z kotła zasilanego węglem kamiennym oraz temperatura wodnego punktu rosy tych spalin. Zwłaszcza niska wartość tej drugiej wielkości (46,5 o C) uniemożliwia wzrost odzysku ciepła odpadowego ze spalin. 3.3. Model bloku 370MW opalanego węglem brunatnym wariant bazowy W przypadku węgla brunatnego wykonano, analogiczne do powyższych, obliczenia efektów technicznych z wykorzystania UOCO w bloku 370 MW. Jedyna zmiana dotyczyła wartości opałowej paliwa (8 MJ/kg) oraz przyjętej sprawności cieplnej kotła BB-1150 (88%). W tabeli 4 przedstawiono wyniki obliczeń wykonanych dla wariantu bazowego bloku energetycznego opalanego węglem brunatnym. Obliczona sprawność cieplna brutto i netto bloku wyniosła odpowiednio 39,05% i 37,37%. Zmiany te wynikają tylko z opisanych powyżej zmian po stronie kotła. Obieg cieplny turbiny nie uległ zmianie. Tabela 4. Wyniki obliczeń uzyskane z modelu bloku 370MW zasilanego węglem brunatnym (wariant bazowy) Nazwa Moc kw Energia chemiczna paliwa Kocioł z przegrzewaczem pary pierwotnej 791 108 Przegrzewacz pary międzystopniowej 156 414 SUMA 947 522 Moc generowana brutto 370 000 Pompa kondensatu PK 425,1 Pompa skroplin PXN4 8,3 Moc elektryczna potrzeb własnych maszynowni (pomp) Pompa skroplin PXN2 44,2 Pompa wody chłodzącej PKQ1 4 904,7 Pompa wody chłodzącej P1K12 394,3 Moc pompy wody zasilającej napędzanej turbiną parową PZ 10 126 suma 15 903 Moc generowana netto 354 097 Sprawność cieplna bloku brutto 39,05% netto 37,37%
Ze względu na dalsze obliczenia bloku zasilanego węglem brunatnym z UOCO istotna jest wartość temperatury kondensatu na wlocie do podgrzewacza regeneracyjnego XN4 (wynosząca 130,3 o C) oraz moce cieplne wymienników XN1-XN3 (rys. 1). 3.4. Model bloku opalanego węglem brunatnym wariant z UOCO Podobnie, jak w przypadku obliczeń bloku z UOCO zasilanego węglem kamiennym, także w przypadku węgla brunatnego istnieją pewne założenia. Należą do nich: temperatura spalin wylotowych z kotła na węgiel brunatny (155 o C), obniżona w wymienniku kondensacyjnym UOCO do 55 o C, temperatura wodnego puntu rosy dla spalin (62,6 o C), temperatura kondensatu na wylocie z pompy kondensatu PK (39,2 o C), temperatura kondensatu na wlocie do podgrzewacza regeneracyjnego XN4 (w wariancie bazowym 130,3 o C), moc cieplna przekazana kondensatowi w wymiennikach XN1-XN3 wynosząca 86 337 kw. Na podstawie powyższych założeń wykonano obliczenia bilansowe wymiennika UOCO. Wynika z nich, że moc cieplna wymiennika przy ochłodzeniu spalin do temperatury wodnego punktu rosy wynosi 66,9 MW, a przy dalszym ochłodzeniu do 55 o C wzrasta do 140,3 MW, czyli prawie trzykrotnie więcej niż dla bloku zasilanego węglem kamiennym. Dzięki układowi odzysku ciepła odpadowego nie będzie potrzebny pobór pary upustowej z całej części NP turbiny i do ostatniego stopnia turbiny oraz skraplacza skierowany zostanie zdecydowanie większy strumień pary, niż w wariancie bazowym. Oznacza to także, że nie jest możliwym wykorzystanie całego odzyskanego ciepła do podgrzewu kondensatu. Barierą jest zarówno moc cieplna przekazywana kondensatowi w niskoprężnych wymiennikach regeneracyjnych, jak i maksymalna temperatura podgrzewu kondensatu możliwa do uzyskania w UOCO. Ze względu na przedstawione powyżej wyniki obliczeń bilansowych zbudowano model bloku 370 MW z wymiennikami XN1, XN2 i XN3 zastąpionymi wymiennikiem XNCO, który zasilany jest ciepłem odpadowym odebranym spalinom wylotowym z kotła. Założono przy tym, że na skutek wzrostu oporów przepływu kondensatu przez wymiennik XNCO wzrośnie zapotrzebowanie na moc elektryczną pompy kondensatu PK oraz wentylatora wyciągowego spalin z kotła. Opory oszacowano na 0,6 MPa (kondensat) i 2,5 kpa (spaliny), co spowodowało zwiększenie zapotrzebowania na moc elektryczną pompy kondensatu o 216,6 kw i wentylatora o 1,46 MW. Wyniki obliczeń zaprezentowano na rysunku 3 i w tabeli 5.
Tabela 5. Wyniki obliczeń uzyskane z modelu bloku 370MW zasilanego węglem brunatnym (wariant z UOCO) Nazwa Moc kw Energia chemiczna paliwa Kocioł z przegrzewaczem pary pierwotnej 762 566 Przegrzewacz pary międzystopniowej 150 771 SUMA 913 337 Moc generowana brutto 370 000 Pompa kondensatu PK 641,7 Pompa skroplin PXN4 8,0 Moc elektryczna potrzeb własnych maszynowni (pomp) Pompa wody chłodzącej PKQ1 5 616,9 Pompa wody chłodzącej P1K12 380,2 Wzrost mocy wentylatora spalin 1 460 Moc pompy wody zasilającej napędzanej turbiną parową PZ 9 761 suma 17 868 Moc generowana netto 352 132 Sprawność cieplna bloku brutto 40,51% netto 38,55% Przeprowadzone obliczenia pokazały, że dzięki UOCO całkowicie uniknięty zostanie pobór pary upustowej z części NP turbiny i do ostatniego stopnia turbiny skie-rowany zostanie większy strumień pary, niż w wariancie bazowym (218,6 kg/s w porównaniu do 190,0 kg/s). Natomiast wzrośnie strumień masy pary z upustu A4, zasilający podgrzewacz regeneracyjny XN4, oraz jego moc cieplna. Związane jest to także ze wzrostem strumienia masy kondensatu przepływającego przez ten wymiennik. Strumień pary świeżej produkowanej przez kocioł spada do 291,6 kg/s, czemu towarzyszy również spadek zużycia energii chemicznej paliwa. Z obiegu wyeliminowana zostanie pompa skroplin PXN2. Podobnie, jak w przypadku bloku zasilanego węglem kamiennym, zastosowanie UOCO spowoduje spadek jednostkowego zużycia ciepła i pary na produkcję energii elektrycznej, co z kolei spowoduje wzrost sprawności cieplnej brutto bloku z 39,05% do 40,51% (Δη bb = 1,46%). Niestety, podobnie jak w przypadku bloku zasilanego węglem kamiennym, wzrastają potrzeby własne bloku w zakresie mocy elektrycznej (zwłaszcza pompy wody chłodzącej kondensator PKQ1 oraz pompy kondensatu PK) i wentylatora wyciągowego spalin (ok. 1,5 MW), co powoduje spadek generowanej mocy netto bloku o 1965 kw. W związku z tym sprawność cieplna netto bloku po zabudowie UOCO wzrasta o 1,18%. Taki wzrost wydaje się być jednak atrakcyjny technicznie i ekonomicznie, gdyż oznacza wprost proporcjonalny spadek zużycia paliwa. Gdyby założyć czas pracy bloku z obciążeniem znamionowym przez 8000 h/rok, to przy wzroście sprawności brutto o 1,46% zmniejszenie zużycia paliwa wyniesie 123 tyś. Mg/rok. Spowoduje to także zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, w tym CO 2 o ok. 109 tyś. Mg/rok. Dodatkowym efektem, nieuwzględnionym w modelu, jest wzrost sprawności wewnętrznej części NP turbiny, związany z likwidacją 3 upustów pary. Spowoduje to dalszy wzrost sprawności cieplnej turbiny i bloku.
262.5 kg/s 4.2 MPa 540 o C 291.6 kg/s 17.7 MPa 540 o C 218.6 kg/s 0.56 MPa 259 o C węgiel brunatny 8 MJ/kg BB-1150 88 % WP SP SP NP NP GTHW 370 MW A7 A5 A6 A6 A5 A4 A1 A3 A2 A1 23 MPa 249 0 C 29.1 kg/s 4.3 MPa 328 0 C 218.6 kg/s 70 kpa 39 o C KQ1 XW3/4 ZZ1 XN4 XNCO 88874 kw PKQ1 XW1/2 PZ 1K12 PXN4 232.6 kg/s 1.17 MPa 130.3 o C 232.6 kg/s 2.07 MPa 39.2 o C PK P1K12 P1K12 Rys. 3. Wyniki najważniejszych obliczeń dla bloku 370 MW zasilanego węglem kamiennym wariant UOCO Dalsze wykorzystanie ciepła odpadowego zawartego w spalinach wylotowych z kotła, którego łączna moc w przypadku bloku 370 MW wynosi 140,3 MW (ciepło jawne i utajone, ochłodzenie spalin z węgla brunatnego ze 155 do 55 o C), jest możliwe np. przez podgrzew powietrza zimnego kierowanego do kotła (zastąpienie podgrzewaczy parowych). Przeprowadzone obliczenia wykonane dla kotła BB-1150 wykazały wzrost jego sprawności cieplnej o 0,55% przy podgrzewie do 85 o C powietrza kierowanego do obrotowych podgrzewaczy powietrza. Barierą w pełnym odzysku i wykorzystaniu ciepła odpadowego ze spalin są jednak duże powierzchnie wymiany ciepła wymienników spaliny/woda oraz woda/powietrze i związane z tym duże opory przepływu, powodujące dalszy wzrost potrzeb własnych bloku. Możliwe jest także skierowanie części strumienia spalin pobranych sprzed podgrzewacza powietrza w kotle i wykorzystanie ciepła w nich zawartego do podgrzewu wody zasilającej opuszczającej pompę wody zasilającej. Ograniczy się w ten sposób pobór pary wysokoprężnej na cele regeneracji [6]. Innym rozwiązaniem może być wykorzystanie nadwyżki ciepła odpadowego do wstępnego suszenia paliwa, głównie dotyczy to węgla brunatnego i biomasy. Wstępnie wykonane analizy wskazują, że jeszcze bardziej atrakcyjnym ekonomicznie rozwiązaniem jest sprzedaż odzyskanego ciepła odpadowego odbiorcom zewnętrznym (pod postacią gorącej wody lub pary niskoprężnej), którymi mogą być odbiorcy przemysłowi lub komunalni. 4. WNIOSKI W pracy przedstawiono wyniki obliczeń wpływu wykorzystania w podkrytycznym bloku energetycznym odzyskanego ciepła odpadowego. Odzysk ciepła odpadowego (jawnego i utajonego) następuje poprzez schłodzenie spalin wylotowych kotła parowego z paleniskiem pyłowym, zasilanego węglem kamiennym lub brunatnym, pracującego w bloku energetycznym
370 MW. Odzyskane ciepło odpadowe zostaje wykorzystane do podgrzewu kondensatu, przepływającego przez niskoprężne podgrzewacze regeneracyjne, zastępując ciepło w parze upustowej. W celu określenia wpływu proponowanego rozwiązania na sprawność bloku zbudowano modele matematyczne obiegu cieplnego bloku 370 MW. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość podniesienia sprawności cieplnej netto bloku od 0,29 % (węgiel kamienny) do ok. 1,2 % (węgiel brunatny). Istnieje możliwość dalszego zwiększenia sprawności cieplnej bloku poprzez zastosowanie ciepła odpadowego np. w celu wstępnego podgrzewu powietrza do spalania kierowanego do kotła. Wynika to z całkowitej mocy cieplnej możliwej do odzyskania ze spalin, wynoszącej nawet ponad 140 MW (węgiel brunatny, ochłodzenie spalin do 55 o C). Jednak w rzeczywistości niemożliwe jest jego 100% wykorzystanie ze względu na zakres temperaturowy i wielkość powierzchni wymiany ciepła niezbędnej do jego odzysku i wykorzystania. Innym, jeszcze bardziej atrakcyjnym ekonomicznie rozwiązaniem, jest sprzedaż odzyskanego ciepła odpadowego odbiorcom zewnętrznym. Przedstawione w pracy wyniki zostały uzyskane w badaniach realizowanych na zlecenie Politechniki Wrocławskiej w ramach dotacji statutowej nr Z09Z1/S40036 LITERATURA [1] Bartnik R., Buryn Z.: Termodynamiczna analiza pracy bloku o mocy elektrycznej 380 MW przystosowanego do pracy skojarzonej. Energetyka, 2008, nr 10, str. 695-700 [2] Modliński Z.: Elektroniczne biblioteki właściwości fizyko-chemicznych gazów i cieczy. Zakład Kotłów i Turbin Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2009 [3] Rączka P., Wójs K.: Projektowanie kondensacyjnego wymiennika ciepła odpadowego. Rynek Energii, 2014, nr 2, s. 87-92 [4] Rączka P., Wójs K.: Zastosowanie kondensacyjnego wymiennika ciepła odpadowego w bloku energetycznym. VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna ENERGETYKA 2014, Wrocław 5-7.11.2014r. [5] Stępczyńska K. i in.: Obliczenia ultra-nadkrytycznego bloku węglowego o mocy 900 MW z odzyskiem ciepła ze spalin. Archiwum Energetyki, 2012, nr 2, str. 155-164 [6] Wójs K. i in.: Concept of a system for waste heat recovery from flue gases in a coal-fired power plant. Journal of Energy Science, 2010, vol. 1, nr 1, s. 191-200
[7] Zdun M. i in.: Modelowanie matematyczne turbiny kondensacyjnej z wykorzystaniem programu Thermoflex. XIV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna GRE 2014, Szczyrk 16-18 czerwca 2014r. IMPROVING THE THERMAL EFFICIENCY OF THE POWER UNITS THROUGH THE USE OF RECOVERED WASTE HEAT Key words: waste heat, power unit, improving thermal efficiency, condensing heat exchanger, sensible and latent heat Summary. The analysis of the impact of utilization of the waste heat recovered in the sub-critical power unit was presented. The waste heat (sensible and latent) is recovered from flue gas of a PF steam boiler fired hard coal or lignite operated in a 370 MW power unit. The recovered waste heat is used to preheat the condensate flowing through the low-pressure regenerative preheaters, replacing the heat in a bleed steam. To determine the effect of the proposed solution on the thermal efficiency the mathematical models of a 370 MW sub-critical power unit was developed. The results indicate the possibility of increasing the thermal efficiency of the power unit from 0.29% net (hard coal) to nearly 1.2% net (lignite) and there is still a much more waste heat to utilize in the lignite fired unit. But there is a limit of a full utilization of the recovered heat in the 370 MW power unit. It is possible to make a full utilization and further increase the efficiency by the use of waste heat for pre-heating the combustion air. Paweł Rączka, dr inż., Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, adiunkt zatrudniony w Wydziałowym Zakładzie Kotłów, Spalania i Procesów Energetycznych, email: pawel.raczka@pwr.edu.pl