Kotłowe technologie nadkrytyczne
Transkrypt
Kotłowe technologie nadkrytyczne
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 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 How to improve 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 How to improve efficiency TO TURBINE SPRAY DIVISION WALL FINISHING SUPERHEATER RH OUTLET PRIMARY SUPERHEATER HIGH PRESSURE STEAM IN CONTROL DAMPERS 22-149NC REHEATER RH INLET How to improve efficiency - 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 Technologia kotłów przepływowych 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) Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych Rury żebrowane są efektywniej chłodzone Technologia kotłów przepływowych PIONOWY PAROWNIK BENSON BENSONA A Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych 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 Technologia kotłów przepływowych 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 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 Zastosowanie technologii Bensona 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) Zastosowanie technologii Bensona 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 Zastosowanie technologii Bensona 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 Zastosowanie technologii Bensona Zastosowanie technologii Bensona • 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 Zastosowanie technologii Bensona Łagisza 460 MWe Dziękuję za uwagę