Сверхкритические и суперсверхкритические параметры в

мир арматуры
4 (79) 2012
От редакции.
Энергосистема США занимает первое место в мире по производству электроэнергии. Эффективность американской
энергетики непосредственно связана с развитием современных технологий для электростанций, работающих на угле,
ведь именно на таких станциях вырабатывается более 60% американской электроэнергии. В России этот показатель –
около 25% (а примерно половина электроэнергии у нас сегодня производится ТЭС, работающими на газе).
В то же время, перспектива развития классической энергетики РФ, по мнению многих специалистов, связана с переходом
на парогазовые установки с заменой топливной составляющей с газа на уголь.
Поэтому освоение технологий и материалов, позволяющих угольным энергоблокам работать на сверхкритических и
суперсверхкритических параметрах, о которых идет речь в статье, весьма актуально для России.
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ
И СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ
параметры в электроэнергетике
Интервью Rana Bose журналу Velan View
Rana Bose, инженер, ранее работал в компании Velan
в должности исполнительного вице-президента, в отделах
проектирования, разработки и конструирования,
обеспечения качества и независимой экспертизы.
В настоящее время он стратегический консультант
по производству в области аэрокосмической,
автомобильной промышленности, сосудов, работающих
под давлением, специальных процессов, стали и других
механических и химических процессов. Кроме того, Rana –
писатель и драматург, и это не помеха проведению
серьезных аналитических исследований производственных
процессов и экспертиз микроэкономики производства.
Он имеет степень бакалавра университета Washington
University, St. Louis, в области химической технологии
и диплом управляющего университета McGill University,
Монреаль.
— VV 1: Для начала давайте уточним, что такое
«сверхкритический»?
— Чтобы разобраться в этом понятии, нужно выяснить, что значит «критическая точка». В термодинамике и в физике конденсированных сред ее еще называют «критическим состоянием», в котором при
определенных условиях (температура, давление и химические свойства) стирается фазовая граница между газом и жидкостью. То есть, рабочая среда в критическом
состоянии – это как бы и не газ, и не жидкость, а некая
гомогенная смесь.
Любое вещество при температуре и давлении выше
своей критической точки будет находиться в сверхкритическом состоянии, когда, строго говоря, уже не суще1
36
Velan View (журнал компании Velan, Канада)
ствует ни жидкой, ни газообразной фазы. Вода переходит в это состояние при давлении свыше 22.1 МПа при
374 °C. При таких параметрах теплота парообразования
обращается в ноль (то есть, для перехода из жидкого
состояния в пар не требуется энергии). Вещество, так
сказать, находится в свободном парении, его молекулы перемещаются с высокими скоростями и с высокой
энергией. Вот и H2O в сверхкритическом состоянии ведет себя весьма «напористо», что способствует более эффективной передаче энергии.
— VV: А суперсверхкритические параметры электростанций? В чем их отличие от сверхкритичеких?
— Вообще-то в термодинамике нет таких понятий
как «суперсверхкритические» или «продвинутые сверхкритические» параметры. Это некий профессиональный
4 (79) 2012
мир арматуры
сленг, используемый техническими специалистами для
того, чтобы обозначить расчетные (проектные) режимы
с параметрами еще выше тех, которые принято называть
«сверхкритическими».
Типичный диапазон сверхкритических параметров –
от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 580 °C. Тут,
можно считать, все технологии уже отработаны, подобных станций великое множество – и действует, и строится. Конструкционные материалы, подходящие для таких
условий, вполне доступны.
А суперсверхкритическими считаются станции, где
рабочая среда циркулирует под давлением 280 бар при
температуре 600 °C, а посему используются специальные
жаропрочные материалы с высоким сопротивлением ползучести. Более того, продолжается разработка технологических систем с давлением более 380 бар при температуре
свыше 700 °C с применением в них никелевых сплавов.
Американский Исследовательский Институт Электроэнергетики (ERPI) называет суперсверхкритическими такие паровые циклы, где пар прогревается до температуры более 593 °C.
— VV: В чем преимущества таких станций?
— Всем очевидно, что эффективность – это ключевое
понятие, это движущая сила развития энергетики. А ведь
чем выше давление и температура, тем больше мегаватт
электроэнергии вы сможете выработать из одного килограмма угля. Плотность сверхкритической «воды» ниже,
значит, она более подвижна и способна более эффективно передавать тепло. Тепловая мощность энергоблоков со
сверхкритическими и суперсверхкритическими циклами
может возрасти на 6-7% – это очень существенно! Еще
более существенно, что каменный уголь издавна считался
«грязным» сырьем. И это действительно так! Но с учетом
последних достижений в технологиях каталитической
нейтрализации выбросов, сжигания топлива (NOX, SOX)
и удаления дымовых газов, вкупе с ужесточением нормативов по СО2, сверхкритические энергоблоки выглядят
привлекательным вариантом развития энергетики, тем
более атомная отрасль после аварии на Фукусиме получила ощутимый щелчок по носу. Если к тому же сопоставить
заявления о снижении на 15% удельных выбросов СО2
в атмосферу на единицу выработанной электроэнергии
с типичными показателями обычных электростанций...
И я говорю это не как зашоренный инженер. Для
социально-экономических перспектив в самом широ-
ком смысле очень важно, чтобы из идеологии развития
угольной энергетики не выхолащивались долгосрочные
принципы экологической ответственности. Если вы
сжигаете каменный уголь — вы должны отвечать за чистоту атмосферы перед всем миром, и Канаде следует показать в этом пример другим странам! В газете NY Times
была опубликована любопытная статья о безжалостной
выработке угля в Китае, но в этой статье подчеркивается
также, что Китай впереди планеты всей, включая Соединенные Штаты и Европу, как по части эффективности
угольных станций, так и в плане контроля их выбросов
в атмосферу. Так что развитые страны должны не только
применять продвинутые технологии, но и принципиально занимать продвинутую позицию в вопросах вредных
выбросов. Соединенные Штаты и некоторые другие
страны склоняются к газификации угля перед тем, как
применять его для производства пара, что, конечно же,
куда лучше, чем пылеугольное топливо.
Инфо
Velan — крупнейшая транснациональная компания с центральным офисом в Канаде, мировой
лидер в конструировании и производстве широчайшего ассортимента литой и штампо-сварной
арматуры. Производимые компанией задвижки,
включая шиберные, шаровые краны, запорные и
регулирующие клапаны, трехэксцентриковые
дисковые затворы, специальная арматура, конденсатоотводчики – успешно применяются во всех основных отраслях
промышленности. Velan – ведущий мировой производитель клапанов с самоуплотнением для энергетики.
37
мир арматуры
2
Бенсон запатентовал свою конструкцию в 1922 г. (прим. ред.).
Индия – на четвертом месте в мире по общим запасам угля,
а по каменному углю – на втором после США (прим. ред.).
3
38
принимает активные усилия по обеспечению своей
экономики энергией через контролируемые государством организации. Индия намерена привлекать зарубежные инвестиции, позволяя частным компаниям
внедрять новые технологии, но под государственным
контролем.
Что такое сверхкритические параметры?
221 бар при 374 °С
Температура
— VV: Какова история создания сверхкритических
энергоблоков?
— На этот вопрос не так легко ответить. Сверхкритические параметры тесно связаны с разработкой жаропрочных и стойких к ползучести материалов, а также
с развитием теплотехники. В Англии и в Европе еще в
1930-х годах было предпринято несколько попыток создать котлы с такими параметрами, причем результаты
части экспериментов были преданы забвению, так что
теперь непросто установить, где и когда был на самом
деле впервые изготовлен сверхкритический энергоблок.
Станция Philo мощностью 1300 МВт в Огайо была
сдана в эксплуатацию в 1957 г. с рабочими параметрами
310 бар и 621 °C, она считается первой станцией со сверхкритическими параметрами. Philo была закрыта в 1979 г.
Но в Соединенных Штатах и в Европе и ныне работает
много электростанций на газе и угле со сверхкритическими циклами. В Канаде такая станция была построена
в Genesee, провинция Альберта, она запущена в эксплуатацию в 2005 г. Арматуру для этой станции поставляла
компания Velan. Мощность ее сравнительно невелика –
450 МВт.
Однако вернемся к истории. Чешский инженер по
имени Марк Бенсон разработал конструкцию прямоточных котлов, способных работать на грани критических параметров2. В Рагби, графство Уорикшир, Англия,
была построена электростанция с такими котлами, затем
еще одна в Бельгии. Но из-за поломок трубопроводов
проект был свернут. Патент на прямоточный котел выкупила компания Babcock, и до середины пятидесятых
годов толком ничего не происходило. А сегодня в Европе, Японии и Китае эксплуатируются десятки станций
на сверхкритических параметрах. Впрочем, они существенно отличаются от тех давних проектов в разрезе
требований к нагрузкам и рабочим давлениям, так что и
конструкции теперь несколько иные.
— VV: Сверхкритические и суперсверхкритические
энергоблоки стали особенно популярными в таких странах
как Индия и Китай. Почему?
— Китай занимает третье место после Соединенных
Штатов и России по запасам угля. Запасы Индии оцениваются в 202 млрд тонн3. Некоторые ученые считают, что
Китай и Индия могут обеспечить свои растущие потребности в угле до конца столетия.
И Китай, и Индия нуждаются в огромном количестве электроэнергии для поддержания своего экономического роста. А уголь наиболее доступен, к тому же
не содержит серы. Если не использовать современные
технологии интегрированной газификации в комбинированном цикле, а сжигать пылевидный уголь, не
волнуясь по поводу выбросов в атмосферу, то можно
быстро получить много недорогой электроэнергии.
Что весьма притягательно с учетом изобилия угля и
дороговизны энергии атомных станций. Китай пред-
4 (79) 2012
100 °С
Вода в жидком
состоянии
Сухой пар
(перегретый)
1
2
Вода и пар
(кипение)
Энтропия
Типичный термодинамический цикл в координатах энтропия – температура.
Разработан в 1859 г. Уильямом Ренкином, используется для оценки
работы тепловых электростанций.
— VV: Что за арматура необходима для столь специфических условий?
— В основном следует говорить об арматуре высокого
давления – это задвижки, запорные и обратные клапаны
и, возможно также, поворотные дисковые затворы. Наверно, где-то найдут применение и шаровые краны с металлическим уплотнением в затворе. Арматура понадобится в следующих системах: питательной воды паровых
котлов высокого давления, подачи и отвода пара турбин
высокого давления, подачи пара турбин среднего и низкого давлений, конденсатоочистки – более того, каждая
из этих систем имеет свои подсистемы, для которых также
необходима арматура. Таким образом, по моим оценкам,
для станции средней мощности потребуется арматуры
на сумму около $3 млн. Это арматура условных диаметров
от 3" до 28" на классы давления от 900 и, возможно, до 3000
из углеродистой, хром-молибденовой и нержавеющей
сталей марок: от A105 и WCB до F22/WC9, F91 и F92.
Только в Индии и Китае в течение 20 ближайших
лет предполагается построить порядка 900 станций. Вот
и посчитайте! Столь масштабная программа требует
понимания далекой перспективы, стратегических исследований и качественных расчетов. Производителям,
работающим на данном рынке, следует ориентироваться
в разработке конструкций и характеристик энергетической арматуры на сверхкритические параметры. Velan
в этом убежден.
мир арматуры
4 (79) 2012
Схема пиковой электростанции
Регулирование мощности
по частоте
Промперегрев
Котел
СД
НД
ВД – высокое давление
СД – среднее давление
НД – низкое давление
НД
К2
К1
Инфо
ВД
Главный
регулирующий
клапан
конденсата
Бак запаса
питательной
воды
Отопительные
элементы
низкого давления
Гибкость технологических параметров – основное требование рентабельности (экономической эффективности) работы электростанции.
На рисунке показана типовая схема дросселирования конденсата, при которой в котлах со скользящим давлением (на пиковой электростанции) используется быстродействующая арматура для удержания пара в котле и в турбине, и для поддержания температуры в энергосистеме. На таких станциях главные
трубопроводы изготовлены из P92, а трубопроводы подачи питательной воды – из WB36.
— VV: Как такие условия эксплуатации регулируются
стандартами, например, B16.34 или ASME?
— В последние несколько лет в стандарты ASME
введен целый ряд новых материалов в части их применимости и прочностных характеристик. И, скажем, мартенситные стали с высоким сопротивлением ползучести
с содержанием хрома от 9% до 12% (такие как P91, P92
(NF616) и P122 (HCM12A)), применяемые для толстостенных деталей котлов и паропроводов, вполне могли
бы удовлетворить требования сверхкритических циклов
с температурой свыше 565 °C. И все же доказать возможность применения материала для изготовления сосудов
и трубопроводов – это одно, и совсем другое – включение этого материал в ASME B16.34, позволяющее широко использовать его при проектировании и изготовлении арматуры. Лишь недавно в стандарт B16.34 была
включена сталь F92, хотя имеются ограничения по размерам. Есть отдельные генподрядчики, которые готовы
признавать материалы, не входящие в B16.34, если такие
материалы изучены и испытаны в Европе или в Японии.
Они, тем самым, могут приобрести и арматуру, в паспорте которой не упомянут стандарт B16.34.
— VV: Какие перспективы развития станций на сверхкритические параметры в мире?
— Давайте для начала бегло оценим все имеющиеся технологии. Отношение к атомной энергетике после
Фукусимы достаточно негативное. Впрочем, существуют уже и ядерные реакторы третьего поколения, на-
пример, реактор Vogtle A1000, строительство которого
идет полным ходом. Что касается возобновляемых источников энергии, то производство фотоэлементов пока
что остается нерентабельным, хотя и были сообщения
о том, что Китай совершил серьезный прорыв в технологиях их массового производства. Несколько активнее
развивается технология солнечных коллекторов4. Гидроэнергетика испытала немало превратностей с высоконапорными плотинами из-за претензий владельцев
сельскохозяйственных земель. В условиях колоссальных
запасов каменного угля, при наличии развитой металлургии и технологий, существенно снижающих как затраты, так и выбросы в атмосферу, будущее станций на
сверхкритических и суперсверхкритических параметрах
представляется весьма заманчивым.
— VV: Есть ли инженерно-конструкторские проблемы,
которые вы хотели бы особо отметить?
— Да, есть ряд серьезных проблем. Например, в машиностроении принято подчас чисто формально полагать, что для больших скоростей потоков пара необходима арматура больших проходов. При наличии
продвинутых технологий химической очистки воды
промышленность была бы счастлива иметь чистые, как
стеклышко, трубы и арматуру при практическом отсутствии потерь среды, с минимумом отходящего пара.
4
Отличие солнечного коллектора от солнечной батареи в том,
что он не производит электроэнергии, а преобразует солнечную
энергию в тепловую (прим. ред.).
39
4 (79) 2012
40
Поэтому считается, что чем больше проходное отверстие, тем меньше шанс возникновения эрозии, шума,
кавитации и пр. Это понятно. Но конкретные значения
таких требований должны быть установлены заказчиками. А этого часто нет.
В конструкции арматуры должны быть также учтены
ограничения на выходную скорость потока. Для этого
требуются специальные расчеты, из которых можно вычислить расход и внутренний диаметр. Среди заказчиков
имеется тенденция для арматуры высокого давления
классом выше 2500 везде и всюду устанавливать условие «полный проход» или нечто подобное. Но далеко не
вся арматура обязана иметь большое проходное сечение,
нужно учитывать особенности конструкции.
С внедрением для изготовления труб более прочных
материалов (стенки при этом становятся более тонкими), внутренний диаметр трубопроводов увеличивается,
соответственно должен увеличиваться диаметр проходных сечений арматуры. При этом затрагивается и существующая сегодня толщина стенок арматуры. Казалось
бы, парадоксально: что хорошо для трубопроводов – не
всегда разумно по отношению к арматуре! Впрочем, все
эти проблемы преодолимы самыми разными путями,
ведь коли нам известен расход, мы можем точно и надежно рассчитать картину скоростей на выходе.
— VV: Какие еще проблемы Вы видите, с которыми придется столкнуться производителям арматуры на сверхкритические и суперсверхкритические параметры?
— С неизбежным расширением линейки классов давлений в ряде случаев потребуется увеличение размеров
отливок. Толщина их стенок будет такова, что существующие технологии радиографического контроля могут
оказаться неадекватными.
Хорошие
отзывы
сегодня
получают
хроммолибденовые стали с содержанием хрома 9%, но некоторые новейшие их разновидности могут вести себя
капризно в зависимости от технологии изготовления
слитков. Поэтому требуются дальнейшие исследования
в области методик испытаний и технологий термообработки сварных швов.
Инфо
мир арматуры
4 (79) 2012
Впервые опубликовано: Valve View, Spring, 2012
Перевод Т. Скляровой, ЗАО «Завод «Знамя Труда»
• новости • события • факты • новости • события • факты • новости • события • факты • новости • события • факты •
Шланговые задвижки Flowrox
для электростанций, работающих на угле
Одна из крупнейших угольных нагнетательных трубопроводах выэлектростанций Австралии при- сокого давления, на перепускных
меняет высокопроизводительные трубопроводах. Высокое давление
шланговые задвижки в системах по- (40 бар) наряду с грубодисперсной
дачи гидросмеси угля высокой плот- суспензией золы – причина высоности. Арматура устанавливается на ких требований к эксплуатацион-
ным характеристикам арматуры, с
которыми с успехом справляется
арматура фирмы Flowrox. 100% герметичность шланговых задвижек
в закрытом положении позволяет
выполнять техническое обслуживание насоса высокого давления, в
то время как остальные насосы продолжают работать. Преимущества,
отмеченные потребителями шланговых задвижек:
высокие характеристики износостойкости;
абсолютная герметичность;
полнопроходность, что уменьшает энергию накачки;
увеличенный срок службы
шланга задвижки;
возможность проведения
среды с содержанием частиц
больших размеров.
По информации из журнала
Valve World
41