Różnica pomiędzy kotłami nadkrytycznymi a podkrytycznymi

Wzrost sprawności bloków energetycznych można osiągnąć, stosując min.
nadkrytyczne parametry pary.

Ogólna zależność:

wzrost o 20st.C to +1% ηb

wzrost o 1MPa to +0,2% ηb

W sprawdzonych

rozwiązaniach stosuje się temperatury pary świeżej i wtórnie

przegrzanej 560-62

0st C a ciśnienie pary świeżej 26- 30 MPa ( w podkrytycznych

około 17MPa), pary wtórnej 6-8 MPa. Temperatura wody zasilającej wynosi z reguły
230- 300 st C.

-

Sprawności konwencjonalnych bloków kondensacyjnych na parametry

nadkrytyczne wynoszą do 48% netto.
-

W przypadku kotłów nadkrytycznych mamy wyższe parametry pary

świeżej(wylotowej)
-

W przypadku kotłów nadkrytycznych mamy zmniejszoną wartość emisji CO

2

, co w

znaczn

ym stopniu przekłada się na zysk w przypadku zakupów pozwoleń na emisje

Kocioł nadkrytyczny

Kocioł podkrytyczny

-temperatury w rurkach (parownika?) są
różne
- średnice rurek są mniejsze (32mm)
-typowa temp. pary świeżej: 520-620

o

C

-typowe ciśnienie pary: 23 do >30 MPa

-temperatury w rurkach są stałe
-średnice rurek są większe (70mm)

Pa

rę o ciśnieniu nadkrytycznym i wysokiej temperaturze można stosować wyłącznie

w kotłach przepływowych zbudowanych z stali żarowytrzymałej,
ferrytyczno- martenzytycznej

, ferrytycznej lub austenitycznej. Nowoczesny kocioł o

parametrach nadkrytycznych powinien mieć palenisko niskoemisyjne z optymalizacją
spalania, rury parownika wewnątrz rowkowane lub spiralne oraz systemy sterowania
i wizualizacji. Kotły parowe o parametrach nadkrytycznych projektuje się jako kotły
przepływowe typu Benson. Są one dostosowane do pracy z parametrami
poślizgowymi (ciśnienie, temp.), gdyż taki typ pracy umożliwia uzyskanie
optymalnych warunków regulacyjnych.

Najważniejsze elementy w kotle ze względów wytrzymałościowych:
• ściany szczelne komory paleniskowej – cienkościenne rury
• nieogrzewane rurociągi pary świeżej oraz kolektory – elementy grubościenne
• ogrzewane wężownice przegrzewaczy pary świeżej i wtórnej – wysoka temperatura
i ciśnienie pary
W zależności od rodzaju elementu i temperatury czynnika w kotłach nadkrytycznych
stosuje się:

• stale niskostopowe bainityczne (T/P23 i T/P24)

• stale martenzytyczne na bazie 8-12% chromu (T91, T92, HCM12A, VM12)
• stale austenityczne Cr-Ni (TP 347 FG, SUPER 304H, HR3C, HR6W)
• nadstopy niklu (Inconel 617, DMV617)

Wymagania dla stali:

• odpowiednia czasowa wytrzymałość na pełzanie, RZ/t/T ~(100-140) MPa, czas

eksploatacji 100 000

– 300 000h

• duża stabilność mikrostruktury i właściwości,

• wysoka odporność na utlenianie w parze wodnej i na korozję
wysokotemperaturową,
• opanowana technologia spawania i gięcia.

Koszt inwestycyjny kotłów o parametrach nadkrytycznych jest nieco wyższy niż
kotłów o parametrach podkrytycznych, jednak oszczędności paliwa i względy
ekologiczne z nawiązką kompensują ten wydatek. W niedalekiej przyszłości
przewiduje się podniesienie temperatury pary do wartości ponad 650 stopni
Celsjusza P=35MPa , co pozwoli na p

rzekroczenie sprawności ponad 50 proc.

Konstrukcja tego typu kotłów jest konstrukcją przepływową, czyli woda i para
przepływają przez kocioł tylko raz (brak walczaka).

Dlaczego stosujemy CFD ?

Gdzie wykorzystujemy CFD?

- lotnictwo,

- inżynieria procesowa,

- motoryzacja,

- przemysł okrętowy,

- wentylacja,

- przepływ wody,

- ENERGETYKA

Od geometrii przechodzimy do wizualizacji problemu. Nadajemy kształty,
wymiary i parametry fizyczne, a otrzymujemy rozwiązania i analizę.

Główne metody CFD

Siatka numeryczna

Ponad 50 % czasu użytkownika poświęcone jest tworzeniu modelu
geometrycznego i generowania siatki.

Inne programy komputerowe:

-kody komercyjne: FLUENT-Ansys, Star-CD, CFX/AEA,

-kody badawcze: COMSTAR,

-generatory siatek numerycznych: Griden, Gambit,

- wizualizacja wyników: Tecplot, FieldView

Dlaczego biomasa?

Ponieważ :

- jej wytwarzanie/sprzedaż/spalanie jest opłacalne,

- jest to odnawialne źródło energii,

- zapewnia niezmieniony bilans CO

2

,

- jest czystym i ekologicznym paliwem.

Gęstość energetyczna paliw

Jak widać: słoma, biomasa mają stosunkowo niską gęstość energetyczną i do
wytworzenia 1MWh energii elektrycznej potrzebujemy spalić objętościowo
kilkukrotnie więcej paliwa. Może to powodować problemy z magazynowaniem i
transportem.

Biomasa w Europie

W Europie spotykamy:

a) biomasę drzewną:

- leśną,

- pozostałości z przetwarzania drewna,

- drewno z odzysku,

b) rolnicze produkty uboczne :

- słoma, łodygi, szypułki, pozostałości nasion oleistych,

- palmy,

- wytłoki cukrowe,

c) uprawy roślin energetycznych :

- miskant, switchgrass,

- o zdrewniałych łodygach.

Biomasa w Polsce ( wykorzystanie )

- współspalanie węgla z biomasą w kotłach węglowych np. elektrownia Rybnik,
elektrownia Kozienice,

- układy hybrydowe gdzie węgiel spalany jest w kotłach węglowych, a biomasa w
kotłach na biomasę np. elektrociepłownia Białystok, elektrociepłownia Kielce,

- kotły dedykowane, gdzie surowcem jest tylko biomasa spalana w kotłach na
biomasę np. elektrownia Szczecin, „Zielony Blok” elektrownia Połaniec.

Zielony Blok w el. Połaniec jest największym na świecie blokiem energetycznym
opalanym w 100% biomasą, jego zapotrzebowanie na biomasę to:

1 300 000 Mg/rok, a produkcja to 205 MWe. Ogółem w Polsce mamy 13 bloków
biomasowych, a rocznie produkują one 659 MWe.

Pellet

Pellet stanowi główne źródło biomasy dla Europy. Pod względem rozwoju rynków
kraje w Europie dzielą się na:

- rozwinięte rynki biomasy,

- rynki dynamicznie rozwijające się, do których należy Polska,

- nowe rynki.

Producenci:

Według danych z 2008 roku największymi producentami pelletu w Europie są
Niemcy i Szwecja ( ponad 1 400 000 ton/rok ), Polska klasuje się na siódmym
miejscu z roczną produkcją około 350 000 ton. Natomiast według danych z 2011
roku produkcja pelletu drzewnego w Polsce wzrosła do ok. 600 000 ton, a
agropelletu do ok. 300 000 ton.

Konsumenci:

Według danych z 2008 roku największymi konsumentami pelletu w Europie są
Szwecja ( ok. 1 850 000 ton/rok ) i Dania (ok. 1 060 000 ton/rok ), Polska klasuje
się na 11 miejscu - około 120 000 ton/rok. Według danych z 2013 roku
największymi konsumentami pelletu są Włochy.

Ekonomia

Ceny pelletu w zależności od jakości wahają się od 700 do 950 zł/tonę brutto, czyli
39-55 zł/GJ.

Aby oszacować ekonomiczne aspekty wytwarzania energii elektrycznej z biomasy
w Polsce potrzebujemy znać:

- cenę zakupu pelletu u wytwórcy,

- koszt transportu,

- koszt utylizacji,

- sprawność netto bloku w elektrowni konwencjonalnej,

- średnia cena sprzedaży energii na TGE,

- średnia cena sprzedaży „zielonego certyfikatu” na TGE.

Paliwo alternatywne

#1. Paliwa alternatywne są to odpady palne, rozdrobnione, o jednorodnym stopniu
wymieszania, powstałe w wyniku zmieszania odpadów innych niż niebezpieczne, z
udziałem lub bez udziału paliwa stałego, ciekłego lub biomasy, które w wyniku
przekształcenia termicznego nie powodują przekroczenia poziomów emisji
określonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie standardów
emisyjnych z instalacji odnoszących się do procesu współspalania odpadów.

( wg. katalogu odpadów paliwo alternatywne nadal jest odpadem )

#2. Paliwo alternatywne jest to paliwo o unormowanych właściwościach
jakościowych wytworzone z odpadów innych niż niebezpieczne, wykorzystywane
jako źródło energii w procesach spalania lub współspalania odpadów.

Problemy związane ze spalaniem paliw
alternatywnych

Paliwa alternatywne w Polsce często znajdują zastosowanie w cementowniach,
lecz nie tylko.

Ogólny podział kotłów

Zalety i wady kotłów z cyrkulacją naturalną

Walczak

Podstawy teoretyczne cyrkulacji naturalnej

Wady i zalety kotłów z cyrkulacją wspomaganą i wymuszoną w parowniku

Kryzowanie rur wznoszących parownika

Produkcja pary w kotłach pod i nadkrytycznych

Kryzys wrzenia

Kryzys wrzenia to moment przejścia od wysokich α związanych z wrzeniem
pęcherzykowym do niskich przy wrzeniu błonowym.(DNB)

Krytyczny strumień ciepła - CHF

Parowniki kotłów z cyrkulacją należy projektować tak aby uniknąć CHF, w OTH nie
można tego uniknąć należy przewidzieć miejsce wystąpienia DNB.

Aby walczyć z CHF stosuje się rury ryflowane, które:

- zapewniają znacznie wyższą jakość pary,

- umożliwia zmniejszenie prędkości przepływu czyli moc do napędu pompy,

- powodują( spirala ) wystąpienie sił odśrodkowych co zapobiega „odklejaniu” wody
od ścianek rury,

Dzięki temu CHF wystąpi przy wyższym stopniu suchości.

Rozwiązania parowników kotłów OTH, zapewniające
wyrównanie temperatur w rurach parownika

MULTIPASS ( Sulzer )

UKŁAD SPIRALNY ( Ramzin )

PIONOWE RURY RYFLOWANE ( Benson )

PODSUMOWANIE