Реконструкция и новые котлы отечественных ТЭС


A. H. Алехнович





                РЕКОНСТРУКЦИЯ И НОВЫЕ котлы ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТЭС




Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.181
ББК 31.361
     А49

Рецензенты:
к. т. н. Богомолов В. В. - главный инженер Уральской теплотехнической лаборатории;
к. т. н. Васильев В. В. - заслуженный энергетик РФ


     Алехнович, А. Н.
А49       Реконструкция и новые котлы отечественных ТЭС : монография /
     А. Н. Алехнович. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 320 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1082-3

     Обобщен опыт по состоянию котельного оборудования на отечественных электростанциях и даны предложения по улучшению его работы в условиях кризиса в энергетике и энергомашиностроении.
     Для специалистов, занимающихся вопросами конструирования, наладки и эксплуатации энергетических котлов. Может быть полезно студентам электроэнергетических направлений подготовки.

УДК 621.181
ББК 31.361
















ISBN 978-5-9729-1082-3

     © Алехнович А. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        Предисловие


     В отечественной технической литературе много книг, посвящённых теплоэнергетическому оборудованию ТЭС. Среди них учебники и пособия с систематическим изложением информации и монографии с детальным на высоком профессиональном уровне рассмотрением узких тем. Достаточно обширные сведения в настоящее время можно найти в Интернете (например, сайты Энергоконсультант и типа «познайка») однако на последних информация приведена «пиратским образом»: без ссылок и без анализа.
     Эта монография отражает опыт работы автора в институте повышения квалификации и ориентирована на профессионалов, уже имеющих представление и опыт по рассматриваемому вопросу, но не нацеленных на его рассмотрение в академическом плане.
     В ней обобщены публикации по состоянию котельного оборудования на отечественных электростанциях и предложения по улучшению его работы в условиях кризиса в энергетике и энергомашиностроении. Автор согласен с мнением, что никакая реконструкция созданного много лет назад оборудования не может вывести его на достигнутый в мире за последние десятилетия мировой уровень. Однако при стагнации промышленного развития и отсутствии планов коренного обновления оборудования ТЭС в краткосрочной перспективе оправдано проведение мероприятий, сколь-либо улучшающих ситуацию, особенно в вопросах экологии.
     Очевидно, что приводимая информация не включает многие результаты и не во всех случаях полностью достоверна, что связано с отсутствием публикаций и сложностями её проверки на местах из-за замалчивания неудач по карьерным, конъюнктурным соображениям.
     Автор будет благодарен за замечания и предложения, направленные по e-mail: alekhnovich@rambler.ru.

3

        Введение


     Россия входит в число лидеров по установленной в электроэнергетике мощности (5-е место в мире вслед за Китаем, США, Индией и Японией). На начало 2017 г. общая установленная мощность электростанций с учетом технологически изолированных энергосистем (энергосистемы удаленных регионов) составила 244,1 ГВт, в том числе ЕЭС России - 236,34 ГВт. В электроэнергетический комплекс ЕЭС России входит около 700 электростанций мощностью свыше 5 МВт [1]. Структура электроэнергетики по типу станций: ТЭС - 67,8 %, ГЭС - 20,34 %, АЭС - 11,82 %, нетрадиционная возобновляемая энергетика, НВЭ - 0,04 %.
     Основные генерирующие мощности электроэнергетики создавались в 60-80-е годы прошлого столетия. После 1991 года динамичное развитие электроэнергетики прекратилось. Ввод до 2010 года составлял в среднем 1,25 ГВт/год при незначительном выводе; накапливался большой износ основных фондов, который в настоящее время составляет порядка 50 %, при моральном устаревании оборудования.
     Низкий спрос и практическое отсутствие ввода новых мощностей привели к стагнации энергетического машиностроения, существенному сокращению научно-исследовательских и наладочных работ при практически полной ликвидации экспериментальной базы и технологическому отставанию. Ввод мощностей на отечественных ТЭС, соответственно, характеризуется чрезмерным использованием импортного оборудования. Стимулирование ввода новых генерирующих мощностей в последние годы при отсутствии развития промышленного производства и недостаточном выводе устаревшего оборудования привело в настоящее время к образованию избытка установленной мощности [2].
     Энергоемкость российского ВВП вдвое выше, чем у ведущих стран Европы и в 1,5 раза выше среднемировой из-за неоптимальной структуры и плохой организации экономики при заметном технологическом отставании, а также холодного климата и больших расстояний [3]. Несмотря на высокую энергоемкость российского ВВП, из-за низких темпов промышленного развития в перспективе до 2040 года в электроэнергетике изменения ситуации не прогнозируется. Так, превышение ввода установленной мощности над выводимой из эксплуатации Д^ст на электростанциях разных типов до 2035 года не превысит 1,9-2,3 ГВт/год с ростом доли атомных станций и в небольшой мере станций с традиционными и новыми возобновляемыми источниками.

4

     При совершенствовании технологий в ближайшее время прорывных технических решений не предвидится, и несколько десятилетий структура и технологии электрогенерации будут подобными существующим. По стратегии развития электроэнергетики совершенствование оборудования ТЭС не отнесено к приоритетным технологиям на первом этапе (до 2020-2022 годов) и лишь в части ПГУ на втором этапе [4].
     По энергетическим котлам при незначительном вводе нового оборудования основные усилия будут связаны с продлением срока службы и модернизацией большой части существующего оборудования.
     В данном пособии обобщен опыт модернизации и создания отечественных котлов по материалам публикаций и конференций последних лет. Безусловно, приведённый материал охватывает лишь часть накопленного опыта и не свободен от субъективных оценок авторов публикаций.

5

        1. Характеристика мирового котлостроения
        1.1. Есть ли будущее у энергетических угольных котлов?

     К приоритетам электроэнергетики относятся:
      -       доступность (преодоление энергетической бедности, достаточное количество энергии по доступным ценам),
      -       устойчивое развитие (передовые технологии, энергоэффективность, надёжность оборудования),
      -       экологичность (мероприятия и стимул к снижению вредных выбросов),
      -       энергобезопасность (меры по снижению импортной зависимости, по отказу от источников энергии, которые рассматриваются как «небезопасные»).
     В разных странах и на разных этапах развития расстановка приоритетов изменяется, и, по мнению автора, навязывание единого стандарта, выработанного в развитых странах, ошибочно и в существенной мере не реализуемо.
     По разным сценариям до 2040 года мировое электропотребление вырастет на 40-60 %, что ставит задачу масштабного расширения генерирующих мощностей. При этом основной рост будет сконцентрирован в развивающихся странах Азии, на Ближнем Востоке и в Африке, где прогнозируется удвоение за рассматриваемый период [3].
     Ужесточение норм по выбросам вредных веществ в атмосферу и, в первую очередь, принимаемые международным сообществом обязательства по уменьшению выбросов парниковых газов снижают привлекательность электроэнергетики, использующей природные горючие ископаемые, и обуславливают противоречивые сценарии её развития, особенно, угольных ТЭС. Помимо экологических факторов снижение интереса к угольным станциям определяется тем, что в условиях относительно низких цен газа станции на газе нередко получают заметное конкурентное преимущество по сравнению с угольными ТЭС. Среди конкурентных преимуществ - более высокие маневренные характеристики газовых блоков, что позволяет им легче адаптироваться к переменности режимов работы энергосистем со значимой долей электростанций, использующих возобновляемые источники энергии, ВИЭ [5].
     Экологические и конкурентные ограничения приведут к замедлению темпов роста потребления угля в электроэнергетике, но даже при успешной реализации Парижского соглашения по климату угольная генерация, по разным прогнозам, включая [3], в обозримом будущем со-

6

хранит лидирующую роль в мире. Ожидаемый уровень угольной энергетики в мире к 2040 г. составит 31-32 % при нынешнем 40 % (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1. Производство электроэнергии по видам первичной энергии:
1 - нефть, 2 - газ, 3 - уголь, 4 - АЭС, 5 - ГЭС, 6 - ветровые, 7 - солнечные, 8 - геотермальные и другие ВИЭ, 9 - биоэнергетика, * - по сценарию, названному авторами прогноза неблагоприятным [3]

     Роль угля здесь рассматривается в контексте котлостроения, поскольку сжигание газа в современной энергетике реализуется преимущественно в паро-газовых циклах (электроэнергетика на газе останется второй крупнейшей по мощности).
     В Европейском Союзе лишь Польша и Болгария планируют ввод угольных электростанций после 2020 г. [6]. Ряд развитых стран, в том числе Великобритания, Финляндия, Австрия, Бельгия, Канада и Франция, поставили перед собой цель закрыть угольные станции до 2030 г. [7]. Угольная энергетика, прежде всего, будет характерна для развива


ющихся стран, где уголь остается основным ресурсом, поддерживающим быстрый экономический рост, невзирая на высокие темпы роста возобновляемой, атомной и газовой генерации (рис. 1.1.2).


Рис. 1.1.2. Состояние и прогноз структуры производства электроэнергии по видам первичной энергии и регионам:
1 - нефть, 2 - газ, 3 - уголь, 4 - АЭС, 5 - ГЭС, 6 - нетрадиционные вознобновляемые источники энергии (НВИЭ) [3];
А - развивающаяся Азия, Б - Северная Америка, В - Европа

Э:ТВтч

7

     За предыдущие четверть века (1990-2015 гг.) потребление угля в мире увеличилось на 73 % преимущественно за счёт прироста в Китае, на долю которого приходится 52 % потребления. Однако здесь многолетнее развитие энергетики на базе угля достигло экологического предела, что привело к необходимости запуска мер по активному изменению энергетического баланса на основе газа, атомной и возобновляемых источников энергии [5]. Сейчас приоритетом государственной политики КНР является «борьба за голубое небо». При этом спрос на уголь в Китае будет снижаться в среднем на 1 % в год [8].
     В развивающихся странах (кроме Китая) доля угля в электроэнергетике последовательно увеличивается и не исключается рост мирового спроса на угольную энергетику. Ключевую роль здесь сыграет Индия (рис. 1.1.3), где ускоренными темпами наращивается угольная генерация, и этот вид топлива является основным дешевым и доступным энергоресурсом, способным удовлетворить быстрорастущие энергетические потребности. Соответственно, в Индии существенно расширяется кот-

лостроение.

Рис. 1.1.3. Прогноз потребления угля [9]
     Помимо Китая и Индии ряд других стран (Австралия, Индонезия, Южная Африка и Польша) в значительной степени рассматривают уголь как основу для обеспечения электроэнергетики [10].
     В силу возможности на угольных энергоблоках иметь установленную мощность в 1000 и более мегаватт, спрос на угольную электроэнергию также растет после землетрясения в Японии в качестве замены ядерной энергии [11]. Планируется, что доля производства электроэнергии на

8

угольных ТЭС в Японии должна будет составлять 26 % (на ТЭС на газе -27 %, на АЭС и станциях с возобновляемыми источниками - по 22 %) [12].
     Ожидается, что существенную роль в «сохранении» угольной энергетики будет играть освоение новых технологий с более высокой эффективностью. Влияние эффективности ТЭС, параметров пара и вида угля на выбросы CO2 показано на рис. 1.1.4, 1.1.5.

Рис. 1.1.4. Снижение эмиссии CO2 по мере роста КПД ТЭС [13]

Рис. 1.1.5. Выбросы CO2 в зависимости от теплового напряжения, типа котла и угля [14]:
L - лигнит (бурые 1Б, 2Б), SB - суббитуминозные угли (бурые 3Б, каменные Д, Г), B - битуминозные угли (каменные СС, Т);
1, 2, 3 - докритические, сверхкритические и суперсверхкритические параметры котла

9

        1.2. Повышение эффективности энергоблоков и котлов


     Повышение эффективности традиционной паросиловой технологии обеспечивается совершенствованием тепловой схемы ТЭС, турбинной и котельной установки (рис. 1.2.1).


эффективность турбины


давление в конденсаторе оптимизация процесса параметры пара
температура питательной воды совершенствование котла


Рис. 1.2.1. Составляющие повышения эффективности ТЭС Европы в 90-е годы с теплосиловым циклом [15]


     В части совершенствования тепловой схемы ТЭС, касающейся котельной техники, рост эффективности, в первую очередь, связывается с повышением параметров пара.
     Влияние температуры острого пара с учётом различий в других параметрах на эффективность блока показано на рис. 1.2.2.

Рис. 1.2.2. Рост КПД энергоблоков с повышением эффективной (с учётом различий в значениях давления и температуры промперегрева) температуры острого пара [16]

     По параметрам пара современные блоки характеризуются переходом от докритических параметров (давление ниже критического (< 22 МПа) и сверхкритических (СКД, давление > 22 МПа) к суперсвер-критическим (ССКД, USC, сверхкритическое давление и температура пара выше 593 °C). В то время как докритические блоки, которые были преобладающим типом в 1970-х годах, имели КПД около 35 %, теперь достигается КПД более 45 % (рассчитанный на нижнюю теплоту сгорания) [11], рис. 1.2.3.

10