Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce

Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

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]).

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 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 500 - 750 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.

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.

Obecnie rozwijane są technologie wykorzystujące parę ultra nadkrytyczną (pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą - rysunek 4).

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.

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).

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).

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 2020.

Zwrócono uwagę na własności i możliwości zastosowania pary ultra- nadkrytycznej oraz materiały jakie są stosowane do technologii USC.

Literatura:

[1] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm - aktualizacja 2014.
[2] Gabryś H., L. "Elektroenergetyka w Polsce w roku 2012 w świetle bilansu energii za rok 2011 i nie tylko", Energetyka, str 139-142, 2012.
[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, 2012.
[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.845-856, 2014.
[5] Nosrat A., Pearce J. M. " Dispatch strategy and model for hybrid photovoltaic and trigeneration power systems", Applied Energy, No. 88, pp. 3270-3276, 2011.
[6] http://www.ekonomia.rp.pl/artykul/649811.html- aktualizacja 2014.
[7] Kiciński J., "Siłownie kogeneracyjne energetyki rozproszonej skojarzone z układami produkcji paliw z biomasy" (http://www.imp.gda.pl/bioenergy/biznes /kogeneracja-biomasa.pdf).
[8] Drążek P., "Uwarunkowania rozwoju rynków lokalnych", Rynek Energii 5/2010.
[9] Prawo Energetyczne - Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997- ujednolicona na dzień 1 stycznia 2014.
[10] Popczyk J., "Energetyka rozproszona", Polski Klub Ekologiczny Okręg Mazowiecki, Warszawa, 2011.
[11] Szargut J. "Termodynamika techniczna", wyd. PWN, Warszawa 1991.
[12] Gnutek Z., Kordylewski W. "Maszynoznawstwo energetyczne", Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003.
[13] Kacejko P. "Inżynieria elektryczna i informatyczna w nowych technologiach elektroenergetycznych", wyd. Nowoczesna Edukacja, Lublin, 2011.
[14] Skorek J., Kalina J.: "Gazowe układy kogeneracyjne". WNT, Warszawa 2005.
[15] Konferencja Japońskie Technologie Środowiskowe "Technologie czystego węgla", Warszawa, 2 - 3 marca 2011.
[16] Knizia K. " Die thermodynamik des Dampkraftprozesses", Springer Verlag, Berlin, 2010.
[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 2003.
[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, 2008.
[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 1998.
[20] Kotlicki T., Pawlik M. "Innowacyjne technologie węglowe dla ograniczenia emisji CO2", Rynek Energii nr 3/2011.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!