Kotłowe technologie nadkrytyczne

Transkrypt

Technologie nadkrytyczne w energetyce – jeden ze
sposobów wzrostu sprawności wytwarzania energii
elektrycznej i ograniczania emisji CO2
Jarosław Mlonka
10-24.05.2011
H
La
yd
rg
co
ro
e
al
ga
po
bo Me
s
w
ile lte
fir Tid
er
ed al
rs
d
pl
ca
p
w
C
ow ant
At
ith rb
C
m
G
ul on
os
T er p
tra at
po
ph
la
e
-c
nt
w
er
rit s fu
e
ic
ic
rp
e
al
l
C
la
irc
st cel
nt
So
e
ul
am l (M
lid
at
in
Pr
ox
pa CF
g
es
id
Fl
ra C)
e
su
ui
m
fu
di
ris
et
el
se
er
ed
ce
d
s
Fl
B
l
l
ui
ed C
(
S
di
O
C oa
se
FC
om l
d
fir
)
Be
bu e
st d I
d
La
io G
C
St
n CC
om
r
(C
ea ge
b
g
FB
u
m
as
st
tu
C
io
t
)
rb
ur
n
i
b
(
St
ne
P
in
ea
F
e
co
B
m
(M
C
al
)
tu
W
-fi
rb
re
r
a
in
d
e
po nge
fu
w
)
el
D
er
-o
ie
p
il
se
la
po
nt
le
w
ng
er
in
pl
e
W
an
N
as
in
uc
t
d
de
le
tu
ar
ce Wa
r
Bi
nt st
po bin
om
ra ee
w
lis to
er
Sm
as
ed -e
p
s
al
la
an
C lect
la
nt
H
d
nd
P rici
b
t
un y
io
m
ga
ic
it po
ro
(e w
s
e
l
tu
ec r
rb
p
tri
in
ca lan
es
ls t
(u
ha
p
re
to
)
10
P
ho
G
0
eo
kW
to
th
vo
)
er
lta
m
i
c
al
po cel
ls
So
w
er
la
pl
rp
an
ow
t
er
to
w
er
Pu
lv
er
is
ed
Efficiency (%)
Efficiency in Electricity Generation
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Power Station
Cooling tower
Steam generator
DeNOx
Steam lines
FGD
Flue gas
desulphurisation
Flue gas
injection
Draught
Gypsum
fan
Coal
Feed water
tank
Turbine Generator
Air
preheater
Electrostatic
precipitator
Fly ash
HP
preheater
FD
fan
PA
fan
Ash
removal
Cooling water
Coal
mills
LP
preheater
Feed
pump
Condenser
Subcritical and a Supercritical boiler
"Supercritical" is a thermodynamic expression describing the state of a substance
where there is no clear distinction between the liquid and the gaseous phase (i.e.
they are a homogenous fluid). Water reaches this state at a pressure above 22.1
megapascals (MPa)
Up to an operating pressure of around 19 MPa in the evaporator part of the boiler,
the cycle is sub-critical. This means, that there is a non-homogeneous mixture of
water and steam in the evaporator part of the boiler. In this case a drum-type boiler
is used because the steam needs to be separated from water in the drum of the
boiler before it is superheated and led into the turbine. Above an operating
pressure of 22.1 MPa in the evaporator part of the boiler, the cycle is supercritical.
The cycle medium is a single phase fluid with homogeneous properties and there
is no need to separate steam from water in a drum. Once-through boilers are
therefore used in supercritical cycles.
OTU vs DRUM BOILER
Main Difference is in Furnace Evaporator Design
Spiral Once Through Unit Design
•
•
•
•
Natural Circulation Drum Type
Common Furnace Sizing Criteria
Identical Convection Pass Design Arrangement
Common Firing Systems
Common Auxiliary Systems
OTU vs DRUM BOILER
Main Difference is in Furnace
Evaporator Design
Supercritical versus subcritical
Supercritical power plants were in service from the late sixties. But the technology did
not really take off due to problems of reliability especially from the metallurgical aspect.
The single most important factor that determines the use of higher and higher pressure
and temperatures are the availability of materials to withstand these conditions.
Increases in operating pressure and temperatures have to go hand in hand with
developments in metallurgy.
•With more than 600 units in service the reliability issue seems to be resolved.
Supercritical units are the standard for future power plants in many countries
including China. (valid for 560-600/580-605 C)
•The main advantage and the reason for a higher pressure operation is the
increase in the thermodynamic efficiency of the Rankine cycle
•Supercritical units use the once through technology. This is ideal for sliding
pressure operation which has much more flexibility in load changes and
controlling the power grid.
•Water chemistry In supercritical units the water entering the boiler has to be of
extremely high levels of purity. Supercritical boilers do not have a steam drum that
separates the steam and the water. If the entering water quality is not good, carry
over of impurities can result in turbine blade deposits
-
OTU
ECON
EVAP
SPHTR
NATURAL CIRCULATION
40
00
ps
ia
FLUID TEMPERATURE CHANGE
OTU vs Drum Boilers
TEMPERATURE (F)
CONTINUOUS INCREASE IN TEMPERATURE
CONSTANT SAT. TEMP.
ONCE-THROUGH
RECIRC. LIMITS QUALITY
DRUM
0%
ECON
EVAP
50%
ENTHALPY (Btu/lb)
SPHTR
100% QUALITY
The Evolution Continues
Comparison
Rankine Cycle Legend
1-2 HP Turbine Expansion
2-3 Reheat
3-4 IP/LP Turbine Expansion
4-5 Condenser
5-6 Feedwater Heating/Pumping
6-1 Boiler
1960
Subcritical Reheat
Ultra Supercritical
Supercritical
1
3
Temperature
6
2
5
4
Early 20th Century
Subcritical Non-Reheat
1940 Subcritical
Non-Reheat
Entropy
10
Technologia kotłów przepływowych
Podział kotłów przepływowych :
- kotły ze zmiennym pkt. końca odparowania
system Benson (1924)
system Ramzin (lata 30-te XX w.)
- kotły z ustalonym pkt. końca odparowania
System Sulzer (lata 30-te XX w.)
Europejskie referencje kotłów
przepływowych
Parametry
Węgiel
Moc brutto
Jedn.
MW
Temperatura pary
o
C
świeżej przed
turbiną
Ciśnienie pary
świeżej prze turbiną MPa
Temperatura pary
wtórnie przegrzanej oC
Temperatura wody
o
C
zasilającej
kPa
Ciśnienie w
skraplaczu
Sprawność
energetyczna netto %
Rok kontraktacji
Schwarze
Pumpe
(Niemcy)
brunatny
800
Lippendorf Niederaussem Pątnów Esbjerg Nordjylland
1,2
K(BoA)
Blok A
(Dania)
(Niemcy)
(Niemcy)
(Polska) (Dania)
brunatny
brunatny
brunatny kamienny kamienny
936
1012
460
415
411
Łagisza
(Polska)
kamienny
460(kocioł
fluid.)
544
550
575
540
560
580
560
26,0
26,0
26,4
25,8
25,0
29,0
27,5
562
582
599
565
560
580/580
580
274
270
295
275
275
300
290
35/46
38,0
36
45/50
23
23
45/50
41,0
1997/98
42,3
99/00
45,2
2002
41,0
2004
45,0
1992
47,0
1998
43,0
2005
Optimization of Plant Efficiency
Recent high efficient coal fired power plants
Actual running power plants projects in
Germany marking
the worldwide most modern state of the art
SH Outlet Temperature [[°C]
700
Japan
since 1995
China
since 2002
Germany, Lignite
Germany, Bituminous coal
AD 700
future potential
η = 50+
620
Tachibana Wan #2 (1050MW)
Hitachi-Naka #1 (1000MW)
Haramachi #2 (1000MW)
Matsuura #2 (1000MW)
600
2000
MW
Walsum Datteln
(750 MW) (1100 MW)
RKW NRW (550 - 600 MW)
Moorburg Neurath F/G Boxberg R
(800 MW) (1100 MW) (670 MW)
Niederaußem K (1000 MW)
580
39.000 MW
Nanao-Ohta #1 (500MW)
560
Shinchi #1 (1000MW)
Noshiro #1 (600MW)
Hekinan #2 (700MW)
540
Bexbach 1 (750 MW)
180
subcritical
220
Altbach 2 (300 MW)
Staudinger 5 (550 MW) Lippendorf (2 x 930 MW)
Boxberg (900 MW)
Rostock (550 MW)
Schkopau (2 x 400 MW)
Studstrup 6600
(350 MW) MW
240
supercritical
260
280
300
SH Outlet Pressure [bar]
380
Optimization of Plant Efficiency
Development of Steam Power Plants
in Europe, Japan, USA and China
700°C/720°C
/35MPa
600°C/620°C
/29Mpa
560°C/580°C
/27Mpa
Europa
Japan
USA
China
540°C/538°C
/25 MPa
538°C/538°C
/16,7 MPa
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Jak poprawić sprawność kotła
Poprawa
sprawności
%
0.03 bar
Sprawność netto
%
46
+1.5%
45
+5
double
44
+1.5%
43
0.065 bar
300 bar
600/600 C
+3
single
250 bar
540/560 C
42
1.15
40
1.25
120
130
+2
250 bar
540/560 C
41
+1
0
170 bar
535/535 C
39
Nadmiar
powietrza
Temp gazów
wylotowych
+4
Parametry pary
Przegrzew
Ciśnienie
kondensacji
Page 15
High plant efficiency
Supercritical steam parameters are supporting CO2 emission reduction and
fuel savings.
savings.
Evolution of steam parameters in steam power plants
Average efficiency of coalcoal-fired power plants in OECD countries - 37 %, globally about 30 %.
High plant efficiency
Each 1 % increase in absolute efficiency in a coal fired plant can
result in 3 % reduction in CO2 emmisions :
•
•
Power unit with efficiency of 37 % generates 0,85 tonnes CO2/MWh
Power unit with efficiency of 48 % generates 0,65 tonnes CO2/MWh
Each 1 % increase in absolute efficiency in a coal fired plant can
result in 2,4 % reduction in fuel cost.
cost.
Łagisza unit efficiency is 8.3 % better than best coal fired power
plants in Poland.
Each 1 % increase of unit efficiency in Łagisza result in savings of
approximately 0.75 EUR/MWh
EUR/MWh*.
*.
*
Coal price 40,2 EUR/ton, CO2 permit price 25 EUR/ton
How to improve efficiency
Flue Gas Heat Recovery
LPM
Preheaters
LP-Bypass
Economize
r
Rotary Air
Preheater
FW Tank
M
ID-Fan
M
Flue gas temperature 85 °C
ESP
Air
Preheaters
M
SA-Fan
Heat Recovery
Cooler
Aux. Steam
Heater
M
M
PA-Fan
Improvement of 0.8 %units in total plant
efficiency
- cooling temperature
0.0%
Efficiency loss [%]
-0.5%
Super critical
boiler
-1.0%
Combined
cycle
-1.5%
Gas turbine
topping
-2.0%
-2.5%
0
2.5
5
Temperature rise cooling water [K]
7.5
10
TO TURBINE
SPRAY
DIVISION WALL
FINISHING
SUPERHEATER
RH OUTLET
PRIMARY SUPERHEATER
HIGH PRESSURE STEAM IN
CONTROL DAMPERS
22-149NC
REHEATER
RH INLET
- sliding pressure op. mode
Comparison of Typical Operation Modes
By adopting sliding pressure
operation (more precisely, combined
operation of constant and sliding
pressure operation), plant efficiency
becomes higher at partial load range.
- Higher HP turbine internal
efficiency.
- Less BFP power consumption.
- Higher reheat steam temperature at
partial load
Bensona z pionowymi rurami parownika
Zastosowanie technologii Bensona w
kotłach przepływowych Foster Wheeler
- w kotłach PC – 750 MWe Longwiev
- w kotłach CFB – 460 MWe Łagisza
Density and specific heat of supercritical
water (25 Mpa)
Mpa)
Kotły na parametry nadkrytyczne mogą pracować
tylko jako kotły przepływowe.
•
Główna wyzwania projektowe :
• ochrona rur parownika przed przegrzaniem
- kryzys wrzenia (wrzenie błonowe)
- praca rur „na sucho”
• ograniczenie różnic temperatur pomiędzy
poszczególnymi rurami ekranowymi
- konieczność przejęcia zróżnicowanego
obciążenia cieplnego
Evaporation End Point
In subcritical units the drum acts as a fixed evaporation end point. The furnace water walls act as the
evaporator. Not so in the case of a supercritical unit. The evaporation end point can occur in various
levels of the furnace depending on the boiler load. The percentage of Superheat in supercritical units
is higher than subcritical units. Because of this the furnace tubes act more as superheaters than
waterwalls. This necessitates the use of higher grade of materials like alloy steels in the furnace.
KOCIOŁ Z CYRKULACJĄ NATURALNĄ NA PARAMETRY PODKRYTYCZNE
KOCIOŁ PRZEPŁYWOWY NA PARAMETRY NADKRYTYCZNE
Naprężenia termiczne
ORUROWANIE SPIRALNE
SPIRALNE
Dobre chłodzenie przy dużym przepływie
masowym
Zminimalizowana nierównomierność absorbcji ciepła
Pojedynczy przepływ, bez konieczności orurowania
łączącego
Pochylone rury, niesamonośne
Możliwość pracy z ciśnieniem poślizgowym w
parowniku i przegrzewaczu
Prostszy
Pro
stszy,, standardowy system zawieszeń
Technologia kotłów
przepływowych
WYSOKI PRZEPŁYW MASOWY
(TYPOWE KOTŁY PRZEPŁYWOWE)
(OKOŁO 1800 kg/m2s)
NISKI PRZEPŁYW MASOWY
(ORUROWANIE PIONOWE BENSON)
(OKOŁO 300 – 1000 kg/m2s)
SPADEK CISNIENIA
PRZY STAŁYM
PRZEPŁYWIE
MASOWYM
SPADEK CISNIENIA
PRZY STAŁYM
PRZEPŁYWIE
MASOWYM
OPORY
PRZEPŁYWU
SPADEK CISNIENIA JEST
JEDNAKOWY WE
WSZYSTKICH RURACH:
OPORY
SPADEK CISNIENIA JEST
PRZEPŁYWU JEDNAKOWY WE
WSZYSTKICH RURACH:
STRUMIEŃ MASOWY
CZYNNIKA MALEJE W
RURZE NADMIERNIE
OGRZEWANEJ
CIŚNIENIE
HYDROSTATYCZNE
RURA
OGRZEWANA
NOMINALNIE
RURA
NADMIERNIE
OGRZEWANA
CIŚNIENIE
HYDROSTATYCZNE
RURA
OGRZEWANA
NOMINALNIE
STRUMIEŃ MASOWY
CZYNNIKA WZRASTA W
RURZE NADMIERNIE
OGRZEWANEJ
RURA
NADMIERNIE
OGRZEWANA
M = Water flow, kg/s
Q = Heat absorbed by tube, kW
A = Total tube flow area, m2
Water mass flow = M/A,
kg/sqm/s
Response ratio = (dM/M)/(dQ/Q)
The optimum water mass flow
rate is obtained by selecting
the right combination of water
flow, tube size and pitching.
BENSON VERTICAL TUBE DESIGN
Reduces Auxiliary Power with Low
Pressure Losses
*Frictional Pressure Loss (psi)
700
600
500
620
515
390
400
300
200
100
0
330
Multi-Pass
Spiral 25**
Economizer
NOTE: * Static head not included
** BENSON Load
Spiral 40**
Evaporator
BENSON Vertical
Superheater
psi – pound
pound//sq inch
100 psi = 6,895bar
Rury żebrowane są efektywniej chłodzone
PIONOWY PAROWNIK BENSON
BENSONA
A
ZOPTYMALIZOWANA RURA ŻEBROWANA
Optymalizowane wielkosci :
o wysokość żebra
o szerokość żebra
o kąt wcięcia rowka
o skok gwintu
F
OPTIMIZED RIFLED TUBES
Allows Low Mass Flux for
“Natural Circulation” Characteristic
•
E x te n s iv e te s tin g d o n e to d e fin e
o p tim u m riflin g c o n fig u ra tio n
•
O p tim u m riflin g (le a d a n g le , rib
h e ig h t, c o rn e r ro u n d in g
to le ra n c e s ) p ro v id e s :
–
b e tte r tu b e c o o lin g fo r th e
s a m e m a s s flu x , o r
–
lo w e r m a s s flu x fo r th e s a m e
tu b e c o o lin g
Dobre chłodzenie rur ze zoptymalizowanym
ożebrowaniem wewnętrznym
Charakterystyka „obiegu naturalnego
minimalizująca różnicę temperaur pomiędzy
poszczególnymi rurami
Pojedynczy przepływ pionowy, brak dodatkowych
rurociągów łączących
Pionowe orurowanie, łatwe w montażu
Małe straty przepływu, zmniejszenie energii na
potrzeby własne
Możliwość pracy z ciśnieniem poślizgowym w
parowniku i przegrzewaczu
Punkt Bensona
Bensona
Określa przejście pomiędzy pracą w trybie
z recyrkulacją a trybem przepływowym
• Przy rozruchu i niskich
obciążeniach kotła musi być
utrzymany przepływ
minimalny aby ochronić rury
przed przegrzaniem.
• Poniżej “punktu Bensona”
kocioł pracuje jak
walczakowy.
STEAM PRE
ESSURE (BAR)
300
CIŚNIENIE KRYTYCZNE
200
100
RECYRK..
20
PRZEPŁYW
40
60
80
PRZEPŁYW PARY (%)
100
Pompa recyrkulacyjna
Pracuje w trakcie rozruchu
i przy niskich obciążeniach
BENSON BOILER
System rozruchowy
Odśrodkowy separator
Zastosowanie technologii Bensona
MAIN FIN
TAPERED BENT PLATE
1960’s
FLEXIBLE FIN-ENDING
31-184
Pilotowa instalacja nadkr.
Badania naprężeń paneli Patentowe rozwiązania
Separatory rozruchowe Badania przepływowe
STEAM/WATER INLET CONN ECTION
STEAM OUTLET CONNECTION
DRIP R ING
UPPER LEVEL
GAU GE CONN ECTION
SPIRAL A RM
1970’s
SKIRT
ANTI-VORTEX VA NES
LOWER L EVEL
GAU GE CONN ECTION
WATER OU TLET CONNECTION
33-288
Licencja na technologię przepływową
Układ rozruchowy
Duże moce (880 MW)
Prosty schemat cieplny
1980’s
Zdolność zmainy obciążeń
Orurowanie spiralne
HOIST
S TEAM DRUM
RH II
CONV EYOR
BRIDGE
1990’s
RH I
COAL
S ILOS
E CO
LIMES TONE SILO
LIMESTONE S ILO
TUBULAR
AIR PREHEATER
FURNACE
22042 X 10074
ES P
AIR PRE HEATER
Licencja technologii pionowej BENSON - Siemens
Nadkrytyczny kocioł CFB
Udzielenie licencji na kocioł 1050 MW
2000
Kocioł Taishan 600 MWe OTU
(Projekt unieważniony)
2004
Studium 800 MWe CFB OTU
dla EdF
2000
Studium 600 MWe CFB OTU
dla EdF
2006
Studium 400/800 MWe UltraSuperc.l CFB OTU dla DOE
2001 - Present
Badania materiałowe dla
DOE
2006
Licencja FW Arch/BENSON
Vertical OTU
2002
Projekt Lagisza 460 MWe CFB
OTU Sold
2007
Projekt Longview 750 MWe PC OTU
(1st Supercritical BENSON Vertical OTU)
LOKALIZACJA:
Projekt Longview
Maidsville, West Virginia, USA
KLIENT:
Longview Power LLC
TECHNOLOGIA:
Kocioł pyłowy, przepływowy z pionowym parownikiem Bensona opalany
węglem kamiennym wyposażony w palniki niskoemisyjne i SCR
HARMONOGRAM PROJEKTU:
Podpisanie kontraktu
02.2007
Rozpoczęcie prac
03.2007
Przekazanie do eksploatacji
03.2011
PARAMETRY PARY:
Wydajność, MWe
Przepływ pary, t/hr (SH/RH)
Ciśnienie, bar (SH/RH)
Temperatura, °C (SH/RH) 569/567
PALIWO:
Węgiel kamienny
Wilgoć, % wt
Popiół, % wt
Siarka, % wt
Części lotne, % wt
HHV, Kcal/kg
EMISJE (@ 6% O2 dry):
NOx, mg/Nm3
CO ,mg/Nm3
VOC, mg/Nm3
1 x 750 MWe
2362/1871
265/57
4.5
18.5
2.5
32.0
6111
80
135
4.9
• Trzy strefy parownika:
- Dolna część k.p. (rury żebrowane)
- Górna część k.p. (rury gładkie)
- Przewał/międzyciąg (rury gładkie)
• Transition header provided for:
- transition from rifled to smooth tubes
- pressure equalization to decouple upper
and lower furnace pass unbalances
• Nose/Vestibule zone provided to minimize
heat and flow unbalances during start-up,
shutdown, and load transients resulting
from:
- furnace nose
- vestibule floor & sidewalls
- flue gas exit screens
T
Metody regulacji temperatury
pary wtórnej
Net Cycle Efficiency %
Sprawność
ść obiegu netto %
Reheat
Control
Metody regulacji
przegrzewuMethods
wtórnego
0.00
-0.50
Wtrysk
Reheatwody
Spay
Recyrkulacja
Gas Recyclespalin
-1.00
-1.50
Przepływ
równoległy
Parallel Gas
Flow
spalin
-2.00
-2.50
40
50
60
70
80
90
100
Boiler Load %
Obciążenie kotła %
Page 51
Benson vertical low mass
flux technology
• self supporting vertical tubing evaporator
• „natural circulation” characteristic limits
differential tubes temperatures
• lower erosion in furnace and lower manufacturing
costs compare to the typical spiral wound
OTU design
• low evaporator pressure loss reduces
axualiry power consumption
• effective tube cooling with optimized
rifled tubing
• can operat with full variable pressure
in evaporator and superheater
SMOOTH TUBES
RIFLED TUBES
Łagisza 460 MWe
Dziękuję za uwagę

Kotłowe technologie nadkrytyczne

Transkrypt

Podobne dokumenty

Pobierz artykuł - Góry, Literatura, Kultura

Maszyny przepływowe - Kierunki zamawiane

XCOM 2