Секторные экономические инструменты и варианты обязательств по ограничению выбросов парниковых газов (стр. 10 )

В США модернизация действующих угольных станций значительно повысила срок их службы, а в некоторых случаях даже привела к заметному росту КПД.

Китай планирует провести модернизацию путем внедрения паровых котлов с циркулирующим кипящим слоем и перехода к сверхкритическим параметрам пара на пылеугольных котлах.

На срок службы электростанций влияет также природоохранное законодательство. Меры, направленные на снижение выбросов загрязняющих веществ и совместное сжигание разных видов топлива, требуют тщательной экономической оценки, особенно в случае наиболее старых станций, где изменение условий эксплуатации может отрицательно повлиять на срок службы котла. Либерализация рынка электроэнергии привела к увеличению количества пусков и остановов по сравнению с проектной документацией, что также значительно сократило срок службы котлов.

Проекты, направленные на увеличение срока службы станций, более актуальны для тех стран, где много станций с большим сроком службы.

В Германии срок службы примерно трети основных фондов составляет менее 15 лет. С учетом срока службы от 40 до 60 лет, для них можно рекомендовать модернизацию.

В Великобритании большинство действующих станций были пущены 30 лет назад. В данном случае более уместно продление срока службы. Новые станции в странах Европы обычно оборудованы средствами для очистки сточных вод от соединений серы и контроля за выбросами NOX, так что на данном этапе модернизация для них неактуальна.

Строительство угольных электростанций в США достигло своего пика около 1970 г. С учетом срока службы в 40-60 лет, многие из них подлежат замене в период 2010-2030 гг. Тем самым модернизация, скорее всего, не является оптимальным вариантом, однако она может быть оправдана для более крупных установок с более высокой температурой пара.

В Японии и Китае основная часть угольных электростанций была пущена менее 15 лет назад, что делает модернизацию более целесообразной.

Средний срок службы станций в Индии составляет 20 лет, что также позволяет осуществлять модернизацию.

Обзор технологий выработки энергии и тепла

На пылеугольные станции (PCC) приходится примерно 97% мировых мощностей всех угольных электростанций. В отрасли прилагались большие усилия по повышению их КПД, так как это нужно для сохранения конкурентоспособности и обеспечения более высоких экологических стандартов. Станции PCC паросилового цикла с докритическими параметрами пара (давлением около 180 бар и температурой пара перед турбиной 540°C), с мощностью котла до 1000 МВт коммерчески доступны и применяются по всему миру[26]. Более старые из этих станций, менее мощные, использующие низкокачественный уголь, могут иметь КПД ниже 30%. Средний КПД нетто (с учетом собственных нужд) более крупных станций, работающих на угле более высокого качества, составляет 35-36%. КПД новых установок с обычным оборудованием для защиты окружающей среды достигает примерно 39%.

Многие страны перешли на промышленную эксплуатацию новых угольных станций паросилового цикла с более высокими, сверхкритическими параметрами пара – давлением 240-260 бар, температурой пара перед турбиной  570°C (станции с суперсверхкритическими параметрами работают при сверхкритическом давлении и температуре пара от 580°C и выше). Первые установки с сверхкритическими параметрами, которые стали внедряться в Европе и США в 1970-е годы, не обладали достаточной эксплуатационной гибкостью и надежностью. Надо было решить многие проблемы эксплуатационного характера, и эти трудности были преодолены. В Европе и Японии такие станции функционируют надежно и экономно с КПД (тепл.) нетто в диапазоне 42-45%, а в некоторых случаях и выше.

Станции комбинированного цикла с внутрицикловой газификацией (IGCC) представляют собой фундаментально новую угольную технологию, в настоящее время коммерчески доступную. Тем не менее сейчас работает лишь небольшое число электростанций IGCC, построенных в демонстрационных целях на государственные средства. Их максимальный КПД (эл.) составляет 42%. Ожидается, что в ближайшие десять лет КПД новых углесжигающих станций паросилового цикла и IGCC-станций превысит 50%.

PCC-технология не всегда подходит для угля с высоким содержанием золы и серы. Более эффективно в этом случае сжигание в кипящем слое (FBC) при атмосферном давлении. Существуют два основных варианта данной технологии: сжигание в пузырьковом кипящем слое (BFBC – bubbling FBC) и в циркулирующем кипящем слое (CFBC – circulating FBC), причем последний вариант используется в энергетике более широко. КПД производства электроэнергии на крупных CFBC установках мощностью 200-300 МВтэл обычно сопоставим с КПД PCC станций, поскольку на тех и других используются сходные паротурбинные циклы.

Ожидается, что во многих странах будет расти доля бурого угля (лигнита) для производства электроэнергии. Лигнит отличается от каменного угля более высоким содержанием воды, более низкой теплотворной способностью и иными требованиями к котельному агрегату. Выбор оптимальной технологии для них также может отличаться, поскольку он зависит от доступности и цены топлива.

Усовершенствованные паросиловые циклы: пылеугольные станции с сверхкритическими (SC) и суперсверхкритическими (USC) параметрами пара

Станции на SC работают при температуре пара 540°C и выше, а на USC – при температуре 580°C и выше. Технология паросилового цикла с SC параметрами пара используется в странах-членах МЭА уже несколько десятилетий. В настоящее время она также применяется в развивающихся странах. В Китае совокупная мощность установок на сверхкритические параметры пара, заказанных за последние два года, превысила 60 ГВт. В Японии функционируют пять станций на USC параметры пара с температурой пара 593°C. В Дании и Германии также действуют станции на USC параметры. Установки на USC параметры, работающие при температуре 700°C и выше, пока находятся на стадиях НИОКР и демонстрации.

Капитальные затраты на станции с USC параметрами пара могут быть на 12-15% выше, чем при докритических параметрах, но при этом такая станция остается конкурентоспособной, так как общий уровень издержек на ней ниже на 13-16% благодаря экономии топлива и уменьшению объемов отработанных газов. Стоимость котла и паровой турбины для станции с USC параметрами может быть на 40-50% выше. В ближайшем будущем более высокие капитальные затраты будут уравновешены экономией топлива, что превратит данный вид станций в наиболее экономичный вариант в данной категории энергоустановок. Проводимые в США исследования в области угольных электростанций на SC параметры пара показали сравнительно низкую степень затрат на освоение – 5% капитальных затрат.

Ожидается, что технология паросилового цикла c USC параметрами станет коммерческой к 2010 г. Как правило, переход со SC на USC параметры пара повышает КПД еще на 4%. В целом, к 2020 г. КПД установок с USC параметрами пара может достигнуть 50-55%.

Проблемы на пути совершенствования паросиловых циклов с SC и USC параметрами пара связаны с материалами и регулированием. Ожидается, что благодаря разработке новых сталей для водяных и паровых труб и высоколегированных сталей, позволяющих свести к минимуму коррозию, в течение нескольких ближайших лет произойдет резкое увеличение количества таких станций. Той же цели послужит внедрение нового оборудования и более гибких методов регулирования развития угольной энергетики.

Сжигание в кипящем слое при докритических и сверхкритических параметрах пара

При сжигании в кипящем слое (FBC) процесс происходит в камере сгорания, где сжигаемый уголь, зола и иногда инертные материалы поддерживаются во взвешенном состоянии восходящим потоком предварительно нагретого воздуха. Большая часть двуокиси серы (SO2), которая образуется в результате окисления содержащейся в угле серы, связывается сорбентом (известняком или доломитом), также подаваемым в камеру сгорания. Получающиеся при этом твердые отходы состоят из сульфатированного сорбента и золы. Они могут использоваться в сельском хозяйстве и строительстве; в настоящее время их применяют для рекультивации почв. При температуре кипящего слоя в 760-870°C смешивание угля и сорбента стимулирует как горение, так и улавливание серы. Температура кипящего слоя значительно ниже, чем в топках пылеугольных котлов. Тепло используется для выработки пара в паросиловом цикле, таком же, как в пылеугольных котлах.

Технология FBC реализуется в двух вариантах – сжигание в пузырьковом (BFB) и циркулирующем кипящем слое (CFB). В первом варианте используется плотный слой и низкая скорость ожижения, благодаря чему уменьшается эрозия поверхности теплообменников, находящихся в кипящем слое. В варианте CFB скорость ожижения больше, в результате чего происходит унос смеси из камеры сгорания. Твердые фракции отделяются от дымовых газов в горячем циклоне и возвращаются в кипящий слой. Другой перспективный вариант CFB, особенно эффективный в целях улавливания CO2, связан с заменой воздуха кислородом. В этом варианте твердые фракции охлаждаются перед возвращением в кипящий слой, в результате улучшается регулирование температуры в камере сгорания, может быть значительно уменьшена рециркуляции топочных газов, что, в свою очередь, приводит к снижению капитальных и эксплуатационных затрат.

Сейчас по всему миру используются сотни установок CFBC при атмосферном давлении, причем мощность некоторых из них составляет 250-300 МВтэл. Технология кипящего слоя особенно подходит для сжигания низкокачественных углей, и большинство действующих CFBC-установок работают на таких топливах.

Разные производители предлагают несколько различных схем установок с кипящим слоем; в некоторых из них используются выносные теплообменники. КПД крупных CFBC-установок находится примерно на том же уровне, что и у пылеугольных (PCC) станций, при сопоставимой мощности и одинаковом топливе.

Переход на цикл с SC параметрами пара является логичным шагом для самых крупных CFBC-установок. В Лагише, Польша, строится установка с SC параметрами пара мощностью 460 МВтэл. Пуск ее в эксплуатацию запланирован на начало 2009 г. Ожидается, что КПД (тепл.) данной установки составит 43%. Разрабатываются проекты еще более крупных установок CFBC с SC параметрами пара мощностью 600 МВт.