Technologie současných uhelných elektráren

Uhelné elektrárny, které byly postaveny v poslední době, měly velmi podobnou koncepci založenou na ověřené a dlouhodobě vyvíjené technologii. Pracují na principu teoretického Rankine-Clausiova cyklu s jedním přihříváním páry a se šesti až osmi stupňovým regeneračním ohřevem napájecí vody.

Parní kotel je nejčastěji koncipovaný jako průtočný s práškovým topením. Užití nízkoemisních hořáků s pásmovým přívodem vzduchu má za cíl potlačit tvorbu NO_x. Ohniště je většinou granulační, mokrý odvod strusky je postupně nahrazován suchým odpopelňováním. U větších výkonů převládá v poslední době věžové provedení kotle, kde do jalové části sestupného tahu může být umístěn katalytický DENOX, ve spodní části se nachází LUVO a případně nízkoteplotní dochlazovací plochy.

Parametry páry u převážné většiny posledních elektráren jsou nadkritické. Jen tak lze zvýšit účinnost elektrárny nad 40%. Za nadkritické parametry páry jsou považovány provozní tlaky nad tzv. kritickým bodem, tj. tlakem 22,1 MPa a teplotou 374,15 °C, kdy sytá voda přechází přímo v sytou páru aniž by při tom vznikla dvoufázová směs běžně označovaná jako mokrá pára. Elektrárenské bloky pracující s párou nad kritickým bodem se dají ještě dále rozdělit na bloky nadkritické s tlakem ostré páry 24-25 MPa a teplotou 540-560 °C, a ultrakritické s tlakem ostré páry 25-31,5 MPa a teplotou 580-600°C/600-650°C.

Vývoj nadkritických uhelných bloků započal v druhé polovině 50. let. Na dlouhou dobu však byl utlumen z důvodu extrémních nároků na drahé vysoce legované materiály, jejichž užití nemohlo ekonomicky obstát s ohledem na relativně nízké ceny paliv.  Vývoj nových modifikovaných materiálů (9-12 % Cr) s feriticko-martensitickou strukturou koncem 80. letech otevřel nové perspektivy pro nadkritické bloky a způsobil, že v současné době je toto řešení opět na pořadu dne. V provozu jsou již běžně bloky s mírně nadkritickými parametry např. s 25 MPa/ 540°C/560°C a jsou označovány jako standardní. Ve stavbě i provozu jsou pak bloky s progresivními parametry např. 28 MPa/ 580°C /590°C s netto účinností až 45 % pro černé uhlí resp. 42,5 % pro uhlí hnědé, což je téměř o 10 procentních bodů více, než dosahují naše současné uhelné elektrárny. Přibližně je možné říci, že každé procento získané na účinnosti sníží emise skleníkových plynů o dvě až tři procenta, což je další důvod k tomuto řešení.

Projekt AD700.

V lednu 1998 byl započat projekt: Pokročilá elektrárna 700^oC spalující práškové uhlí. Je financován ze 40% EU a vládami Švýcarska a UK. Sdružuje 40 společností od provozovatelů a výrobců po výzkumné organizace a laboratoře.

První fáze probíhala mezi roky 1998 - 2003 a je uzavřena. Druhá fáze probíhá od 2002 do 2005. Zahrnuje 35 společností, je z 50% financována EU a švýcarskou vládou. Projekt se nyní označuje AD700.

Celkovým technickým cílem projektu je postupný vývoj a předvedení ekonomicky přijatelné technologie pro spalování práškového uhlí s čistou účinností vyšší než 50%.

Potenciál pro to byl potvrzen v první fázi projektu. Pokročilý superkritický parní oběh zvýší maximální teploty páry ze současných 540^oC do oblasti 700 až 720^oC a tlak ostré páry z 25 na 35-37,5MPa. Výsledkem bude dosažení čistých účinností:

50-51%       pro elektrárnu s jednoduchým přehřátím, chlazenou mokrou chladící věží a

53-54%       pro oběh s dvojitým přehřátím a chlazením mořskou vodou.

 Byly studovány dva jednotkové výkony 400 a 900 MW.

Technologie AD700 tak nabízí výrazné zlepšení čisté účinnosti o více než 15 procentních bodů ze současných 35% (průměr v evropských uhelných elektrárnách) na více než 50%. I srovnání se současnými nadkritickými elektrárnami s parametry páry 25MPa a 540/560 ^oC a čistou účinností 44% ukazuje, že technologie AD700 má účinnost lepší o víc než 6 procentních bodů.

Program vývoje materiálů, výzkumu jejich vlastností a výrobních postupů pro technologii AD700 je uveden v následujícím přehledu:

• Nové superslitiny na bázi niklu pro dlouhodobý provoz s parametry páry mezi 700-720^oC. Superslitiny budou vyvinuty pro tenkostěnné trubky přehříváků a mezipřehříváků, tlustostěnné výstupní komory a parní potrubí a odlitky a výkovky pro turbíny.

• Metody výroby dílů ze superslitin.

• Nové austenity pro kotlové trubky pracující v rozsahu teplot 600 až 700^oC. Určené pro minimalizaci použití drahých superslitin.

• Metody pro svařování podobných materiálů a svařování rozdílných materiálů.

• Výzkum korozní odolnosti nových ocelí, pracujících při 700-750^oC ve stávajících kotlích pro spalování uhlí nebo pro kombinované spalování uhlí s biomasou.

V současnosti jsou evropští výrobci kotlů a turbín na čele celosvětového snažení a technologie AD700 rychle směřuje ke zlepšení konkurenceschopnosti evropských elektrárenských technologií po úspěšné stavbě demonstrační jednotky někde v Evropě krátce po roce 2010. Proto projekt zahrnuje i studie konstrukcí, aby se zároveň zkoumaly možnosti pro redukci použití drahých superslitin a koncept se stal ekonomicky zajímavějším:

• parní turbíny budou přepracovány a upraveny nebo budou pro úsporu superslitin vyvinuty nové metody spojování,

• bude vyvinuta nová konstrukce kotle, což umožní podstatné zkrácení parních potrubí mezi kotlem a turbínou a tím sníží investiční náklady,

• hlavní prvky mimo kotel a turbínu (jako bypassy a pojišťovací ventily) budou nově navrženy, aby vyhověly novým parametrům páry.

Studie konstrukcí z fáze 1 ukazují, že to vše bude dosažitelné bez ohrožení jednoduchosti, hospodárnosti elektrárny a vysoké spolehlivosti příznačné pro prvky v klasických elektrárnách.

Související

Související témata Kotle vysoko a středotlaké Konstrukce, výpočty, projekce