Анализ мирового опыта создания угольных энергоблоков с применением технологии ультра-суперкритического пара

Общество  с ограниченной ответственностью “рудеа”

 

Отчет на тему “Анализ мирового опыта создания угольных энергоблоков с применением технологии ультра-суперкритического пара”.

    

 

                      Москва 2010

 

Содержание

 

1 Анализ существующих и находящихся в промышленной эксплуатации технологий по получению пара с ультра-суперкритическими параметрами 3

1.1 Введение 3

2 Анализ развития технологии использования пара с ультра-суперкритическими показателями в угольных энергоблоках 4

3 Анализ  находящихся в промышленной эксплуатации проектов связанных с применением технологии ультра-суперкритического пара в угольных энергоблоках,  в странах Евросоюза, США и Китая 5

4 Анализ возможностей применения международного опыта создания угольных энергоблоков использующих технологий ультра-суперкритического пара в электроэнергетике России. 6

4.1 Обзор 6

5 Использованная литература 7

1. Введение

Энергетической  стратегией России на период до 2020 года в качестве одной из приоритетных целей долгосрочной политики государства в электроэнергетике определены: оптимизация топливного баланса за счет максимально возможного использования потенциала развития угольных тепловых электростанций, минимизация удельных расходов топлива на производство электрической и тепловой энергии путем внедрения современного высокоэкономичного оборудования, снижение техногенного воздействия электростанций на окружающую среду.

Существенное  повышение коэффициента полезного  действия энергоблоков (до 46% процентов и более) может быть достигнуто за счет разработок усовершенствованных паросиловых энергетических установок. Эти разработки должны быть направлены как на повышение параметров пара, а значит на разработку и применение новых жаропрочных сталей, так и на конструкторские и компоновочные решения по основному и вспомогательному оборудованию; оптимизацию тепловой схемы энергоблока; разработку устройств и технологий, снижающих выбросы в атмосферу токсичных и парниковых газов. Кроме того должны быть разработаны наукоемкие  системы проектирования, методология, системы управления, контроля показателей эффективности паросиловых угольных энергоблоков.

1. Тенденции

Оценки мировых  ресурсов угля неуклонно повышаются. В 1937г. они оценивались в 7016 млрд. т, в 1974г. - 10782 млрд. т, в 1982г. - 14300 млрд. т. По континентам и странам они распределены неравномерно. В Азии находится 57% учтенных ресурсов угля, в Северной Америке - 30%. На остальные части света приходится всего 13%. Крупнейшие обладатели запасов угля - бывший СССР - 6806 млрд. т и США - 3600 млрд. т. В приведенных оценках мировых ресурсов угля не учтены ресурсы Антарктиды, а они, по видимому, велики. Подсчитано, что количество первично накопленных углей за всю эру угленакопления (400 млн. лет) составляло около 90 трил. т, но сама природа в последствие большую их часть уничтожила.

В настоящее  время в мировом электроэнергетическом  комплексе основными производителями электрической энергии являются тепловые электростанции, потребляющие в качестве топлива уголь и природный газ и производящие соответственно 40 и 20% всей потребляемой электроэнергии. В некоторых странах мира ТЭС, работающие на угле, вырабатывают существенно большую долю электроэнергии: например, в США и Германии  50%,в Китае и Австралии  до 80%, а в Южной Африке и Польше до 90%.

Однако энергетическая и социально-экологическая эффективность  ТЭС, потребляющих ископаемые виды топлива, и в частности уголь, имеет  крайне низкие значения: в среднем в мире в настоящее время КПД угольных ТЭС составляет 35%, достигая на лучших из них 47%. Поэтому проблема повышения энергетической и экологической эффективности ТЭС, потребляющих уголь в качестве топлива, является приоритетной для реализации стратегических целей развития мировой энергетики в прогнозируемом периоде. В первую очередь, это касается ТЭС с пылевидным сжиганием топлива (ПСТ) с докритическими параметрами пара (с давлением до 180 барр и температурой пара 540 °С), в настоящее время составляющих до 97% общей установленной мощности угольных ТЭС мира.

Как бы то ни было, но на сегодня 40% производства электроэнергии в мире производится с использованием ископаемого угля.

Одним из основных направлений является повышения  тепловой экономичности тепловых электростанций, является строительство новых угольных энергоблоков, использующих технологию применения сверх критических и ультра-суперкритических параметров пара, с коэффициентом полезного действия 43-46 процентов. Это позволит снизить удельный расход топлива на выработку электроэнергии на твердом топливе с 360 грамм условного топлива за 1 кВт ч в 2000 году, до 310 грамм условного топлива за 1 кВт ч в 2010 году и до 280 грамм условного топлива за 1 кВт ч в 2020 году.

Потребления энергетических углей в общемировом масштабе непрерывно растет и составляет на сегодняшний день, смотрите таблицу №1:

Структура мирового потребления по видам топлива  в 1997- 2009 г.г.1
наименование	1997	2002	2006	2007	2008	2009
Всего млн. т.н.э.	8907	9524	10843	11009	11944	12760
Нефть	38,5	37,9	36,1	35,6	36,7	38,4
Природный газ	22,8	24,0	23,6	23,8	23,9	24,0
Уголь	26,0	25,3	28,0	28,6	29,8	32,2
Атомная энергетика	6,1	6,4	5,9	5,6	5,6	5,8
Гидроэнергетика	6,6	6,4	6,4	6,4	6,4	6,6

Таблица №1 

 Производство энергии, в том числе и из угля, будет неуклонно расти по прогнозам World Energy (график №1):

График №1

Россия, занимает второе место в мире по разведанным запасам угля после США и второе место по количеству прогнозируемых запасов угля после Китая (смотрите рисунок №1).

 

Рисунок №1

Распределение углей в России крайне неравномерно и представлено на рисунке №2

Рисунок №2

Распределение углей создает логистические  сложности использования углей в России, так как территории требующие тепловой и электрической энергии в большом объеме отдалены от территорий на которых сосредоточены запасы углей.

Тип угля имеет  значение в выборе способа получения  энергии из него. Распределение подтвержденных запасов битуминозных и суббитуминозных углей   в Росии, выглядит следующим образом (смотрите таблицу №2):

Суммарный запас млрд.тонн	Из них антрациты и битуминозные угли млрд.тонн	Из них суббитуминозный и бурые угли млрд.тонн
157,0	49,1	107,9

Таблица №2

Таким образом, доля суббитуминозных и бурых углей в России составляет 68,15%. Технология пылевидного сжигания топлива  (ПЖТ) на сегодняшний день представляется наиболее эффективной, именно для суббитуминозных, бурых углей и лигнитов, на что указывает глава 4 документа “BREF” – аббревиатура от  “Best available techniques REFerence document“, что переводится как “Рекомендательный справочный документ о «наилучших доступных технологиях» (НДТ)”, в России используется аббревиатура НСТ (наилучшие существующие технологии)

2. Анализ существующих и находящихся в промышленной эксплуатации технологий по получению  пара с ультра-суперкритическими  параметрами

1. Определение технологии получения пара с ультра-суперкритическими параметрами

Технологии получения пара с ультра-суперкритическими параметрами (УСКП) это способ получение пара с парамерами давления 30 МПа и температуры от 620, до 700 С° и находящимися выше точки, при которой вода в жидкой и газообразной фазах может сосуществовать в равновесии.

Результатом является высокая эффективность  станций использующих ультрасуперкритическеи параметры пара, как правило не ниже 45%. Энергоблоки работающие на паре с УСКП параметрами, отличаются меньшими затратами угля на производство энергии, низкой эмиссией СО2, ртути, серы.

2. Уголь

Топливом  для угольных энергоблоков является уголь. Существует множество классификаций  углей, по геологическим, потребительским, теплотворным и прочим свойствам. В  рамках данной работы мы будем рассматривать  те их них, что имеют значения для целей работы или использование которых является устоявшимся.

Наиболее распространеной  в США и Китае, является система классификации углей Американского общества испытаний и материалов - American Society for Testing and Materials (ASTM), по которой угли классифицируются по степени метаморфизма в естественном ряду от лигнита до антрацита (лигнит >> суббитуминозный уголь >> битуминозный уголь >> антрацит). В основу этой классификации положены показатели связанного углерода и теплоты сгорания на органическую массу. Такого вида угли разделены на пять групп:

свыше 98% фиксированного углерода;

98% до 92% фиксированного углерода;

92% до 86% фиксированного углерода;

86% до 78% фиксированного углерода;

78% до 69% фиксированного углерода.

Первые три из этих групп, называются антрацитов, а две последние называются каменные угли. Остальные каменные углей, subbituminous угли и лигниты затем классифицированы по группам, как это определено теплотворной способности угля содержащих их естественной влаги кровати, т. е. как добываются угли, но без каких-либо влаги на поверхности кусков. Классификация включает в себя три группы каменных углей с теплотворной способности влажного свыше 14000 БТЕ / фунт (32,5 МДж / кг) выше 13000 БТЕ / фунт (30,2 МДж / кг); три группы subbituminous углей с теплотворной способности влажного ниже 13000 БТЕ / фунт до уровня ниже 8300 БТЕ / фунт (19,3 МДж / кг) и две группы lignitic углей с теплотворной способности влажного ниже 8300 БТЕ / фунт. Классификацируются также различие между консолидированной и неконсолидированной лигнитов и между выветривания характеристик subbituminous и lignitic угли. Смотрите Таблицу№3 : “Система классификация углей ASTM“

Класс	Группа	Фиксированный углерод  в B.T.U. в свободной от минеральных примесей основе	Физические свойства
I Антрацит	Мета антрацит	Фиксированный углерод 98% и более
	Нормальный антрацит	Фиксированный углерод  от 92  % до 98%
	Полу антрацит	Фиксированный углерод  от 86  % до 92%	Не аглютинированный2
II Битуминозный	С низким содержанием летучих веществ	Фиксированный углерод  от 77  % до 86 %
	Со средним содержанием летучих веществ	Фиксированный углерод  от 69  % до 77 %
	С высоким содержанием летучих веществ “A”	Фиксированный углерод  менее чем 69%; B.T.U. 14,000 и более
	С высоким содержанием летучих веществ “B”	Влажный B.T.U. 13,000- 14,000
	С высоким содержанием летучих веществ “C ”	Влажный B.T.U. 11,000- 13,000	Агглютинирующий, но не влажный
III Суб-битумизированный	Суб-битумизированный “А”	Влажный B.T.U. 11,000- 13,000	И влажный и аглютинирующий
	Суб-битумизированный “B”	Влажный B.T.U. 9,500- 11,000
	Суб-битумизированный “C”	Влажный B.T.U. 8,300- 9,500
IV Лигниты	Лигнит	Влажный B.T.U. менее 8,300	Консолидированный
	Бурый уголь	Влажный B.T.U. менее 8,300	Неконсолидированный

Таблица №3 : “Система классификация углей ASTM“

В Германии получила распостранение классификация DIN. DIN является ведущей немецкой национальной организацией по стандартизации и представляет интересы Германии в этой области на международном уровне. Интенсивная работа немецких экспертов в сфере международной стандартизации и нормирования, сделала DIN одним из общепризнанных мировых лидеров по разработке стандартов и других нормативных документов. Всего в DIN входят 74 нормативных комитета, занимающихся разработкой стандартов и другой документации. Сравнительное соответствие стандартов DIN и ASTM приведена в таблице № 4 “Соответствие классификаций DIN и ASTM”

Кроме представленных классификаций существует общеевропейская классификация в которой представлены и угли, в том числе United Nations Economic Commission for Europe (UN ECE), сравнительная таблица соответствия классификаций приведена в таблице №5 “Таблица соответствия классификаций углей”

Таблица №5 “Таблица соответствия классификаций углей”

Для сжигания углей и лигнитов используется технология пылевидного сжигания топлива, когда подготовленная с соблюдением специальных параметров частиц, угольная пыль сжигается с помощью специальных горелок. Горелки обеспечивают  регулируемое вдувание пыле-воздушной смеси.

В России применяется классификация углей по ГОСТ. Одним из важнейших направлений стандартизации углей является их классификация по маркам и технологическим группам, по размеру кусков, группам степени окисленности и другим признакам. Классификация по маркам и технологическим группам построена по принципу возрастающей углефикации от бурого угля до антрацита. Углефикация – фаза углеобразования, в которой торф последовательно превращается в бурый, каменный уголь и антрацит. Степень углефикации – характер и глубина диагенеза и метаморфизма угля. В зависимости от параметров, устанавливаемых нормативно-технической документацией, различают три степени углефикации: низшую, среднюю и высшую. Марка угля – условное обозначение разновидности угля, близкого по генетическим признакам, основным энергетическим и технологическим свойствам. Бурый уголь – уголь низшей степени углефикации, образующийся из торфа в результате диагенеза. Каменный уголь – уголь средней степени углефикации, образующийся из бурого угля в результате метаморфизма. Каменный уголь в порядке возрастания степени углефикации разделяется на следующие марки: Д – длиннопламенный, Г – газовый, Ж – жирный, К – коксовый, ОС – отощенный спекающийся, СС – слабоспекающийся, Т – тощий, ГЖ – газовый жирный, КЖ – коксовый жирный и др. Антрацит относится к углю высшей степени углефикации, образующегося из каменного угля в результате метаморфизма. Классификация на группы по степени окисленности. В угольной промышленности действует два стандарта, устанавливающие группы по степени окисленности: ГОСТ 14834-76 и ГОСТ 10020-83. ГОСТ 14834-76 распространяется на окисленные бурые угли в зависимости от высшей теплоты сгорания в сухом беззольном состоянии топлива и массовой доли общей влаги в рабочем состоянии топлива устанавливает группу окисленности. ГОСТ 10020-83 распространяется на окисленные каменные угли и антрацит, добываемые открытым способом, и устанавливает классификацию по группам в зависимости от величины относительного уменьшения высшей теплоты сгорания на сухое беззольное топливо и количества выветренной массы угля. Группа по степени окисленности угля указывается в документе о качестве. Классификация по размеру кусков. По размеру получаемых при добыче кусков каменный уголь классифицируется на: плитный (П) - более 100 мм, крупный (К) - 50-100 мм, орех (О) - 26-50 мм, мелкий (М) - 13-25 мм, семечко (С) - 6-13 мм, штыб (Ш) - менее 6 мм, рядовой (Р) - не ограниченный размерами. Принадлежность к марке и крупность кусков каменного угля обозначаются буквенными сочетаниями - ДК и прочее. Марка и класс угля имеет важное значение при выборе технологии его использования. В российской угледобывающей отрасли, на стыке её с энергетикой имеют место быть как минимум следующие проблемы связанные с качеством углей. Когда развивалась в советское время добыча угля, на вопросы качества угля, его обогащения обращали, не самое пристальное внимание; и требование к качеству угля и в первую очередь к зольности понижалось исторически. Поэтому вопросы зольности, серности, калорийности, влажности не стояли для энергетиков, в те времена достаточно остро, потому что под каждый вид угля практически, под каждый более или менее приличный разрез – проектные угли – строилась станция. И сейчас все станции, работающие на углях, имеют возможность, как правило, в своем подавляющем большинстве сжигать только конкретный, так называемый проектный уголь. В этой ситуации, строительство новых генерирующих мощностей на угле, сравнительно рискованно с точки зрения того, что рыночная энергетика не может основываться на монопольных поставках угля. Абсолютно необходимо, чтобы перед принятием инвестиционных решений по угольной генерации были бы сформированы стандарты – не проектные, а именно стандарты углей, определенная, оправдвнная с точки зрения рынка электроэнергии классификация.