Исследований технологической платформы «экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» Инициаторы

СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ «ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА ВЫСОКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ» Инициаторы: Министерство энергетики Российской Федерации, ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС» Координатор: ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» Москва 2012 ГЛОССАРИЙ ТП – Технологическая платформа «Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» ГТУ – газотурбинная установка ПГУ – парогазовая установка ТЭС – тепловые электрические станции ССКП – сверхсуперкритические параметры пара ЦКС – циркулирующий кипящий слой ТОТЭ – твердооксидный топливный элемент ФГОС ВПО – Федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования ООП - основные образовательные программы НОЦ – научно-образовательный центр СОДЕРЖАНИЕ Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы. Прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы. Направления исследований и разработок, наиболее перспективные для развития в рамках платформы. Тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований и разработок. Мероприятия в области создания результатов интеллектуальной деятельности и управления их распределением. Меры в области подготовки и развития научных и инженерно-технических кадров. Раздел 1. Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы. Электроэнергетика является одной из основ национальной экономики. Она во многом определяет жизнедеятельность страны. В настоящее время в Российской Федерации (РФ), как и в мире электричество производится в основном (70%) на тепловых электростанциях (ТЭС) с использованием органических топлив: природного газа и угля. Их оборудование рассчитано на длительную работу. На наших ТЭС его работоспособность с помощью различных мероприятий многократно продлевалась так, что в настоящее время наработка их паровых энергоустановок в 23 раза превышает расчетную и составляет 200300 тыс.ч. Технический уровень этого оборудования по тепловой экономичности, автоматизации и численности персонала, выбросам в окружающую среду не соответствует современным требованиям. Вследствие сложившейся в стране экономической и правовой конъюнктуры сроки окупаемости инвестиций в техническое перевооружение ТЭС неоправданно велики и их эксплуатация несмотря на низкие показатели продолжается до полного физического износа, а рынок энергетического оборудования в стране ограничивается. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» основой российской энергетики являются тепловые станции, которые будут вырабатывать на протяжении запланированного периода до 2030 г. до 70% электроэнергии от выработки всех электростанций страны. В настоящее время отечественная теплоэнергетика физически изношена почти на 70% и заметно отстаёт от мирового уровня развития современных энергоэффективных экологически чистых технологий. Это не только расточительно, но и создаёт серьёзную угрозу энергобезопасности страны. Коэффициент полезного действия (далее КПД) энергоблоков, эксплуатируемых на отечественных тепловых электростанциях, сегодня составляет 28-38% (исключение составляют новые парогазовые установки с КПД до 55%), в то время как на Западе строятся и надёжно работают угольные энергоблоки с КПД 45-46% и парогазовые установки (далее ПГУ) с КПД 55-58%. Для коренного повышения эффективности тепловых электростанций важнейшее значение имеет вывод из эксплуатации старого низкоэкономичного оборудования и замена его перспективным, обеспечивающим радикальное снижение затрат на производство электроэнергии и тепла, снижение расхода топлива и штатного коэффициента, уменьшение выбросов в окружающую среду и ремонтных затрат. Для этого России требуется создание промышленного производства энергооборудования нового поколения, работающего на природном газе, угле, биомассе, различных отходах производства, что даст возможность развивать данную отрасль электроэнергетики на основе отечественных разработок в области материаловедения, энергомашиностроения и энергетики, не ориентируясь только на импорт иностранного оборудования и технологий. Это даст возможность развивать научно-технологический потенциал энергомашиностроительного комплекса промышленности Российской Федерации в интересах диверсификации и роста конкурентоспособности российской экономики и энергетики, восстановить потенциал и конкурентоспособность отечественного энергомашиностроения, заместить импорт современного энергооборудования и создать основу для его экспорта; развить науку и технику, обеспечивающие выпуск наукоемкой продукции. В настоящее время ежегодный ввод мощностей для электростанций не превышает 2 ГВт/год, но он должен расти и составить в 2015–2020 гг. 10–12 ГВт в год. Для этого производственные мощности отечественных предприятий, выпускающих основное энергетическое оборудование, должны достичь 14–15 ГВт. Для решения указанных выше проблем в теплоэнергетике будет использована ТП – инструмент, направленный на активизацию усилий по созданию перспективных коммерческих технологий, новых продуктов (услуг), на привлечение дополнительных ресурсов для проведения исследований и разработок на основе участия всех заинтересованных сторон (бизнеса, науки, государства, гражданского общества), совершенствование нормативно-правовой базы в области научно-технологического, инновационного развития. Основной целью создания ТП является сохранение и развитие компетенций, которыми обладают отечественные энергетическая и энерго- электромашиностроительная отрасли и ликвидация наметившегося в течение последних 20 лет отставания этих отраслей в разработке и освоении высокоэффективных технологий и оборудования для производства электроэнергии и тепла из органических топлив, а также организация и координация усилий по исследованию, разработке, созданию и широкому тиражированию Участниками ТП перспективных энергетических технологий, новых продуктов (услуг) с привлечением дополнительных ресурсов, необходимых для реализации проектов. Реализация данной платформы направлена на решение и достижение следующих задач и основных целей: - реализацию приоритетных направлений научно-технического прогресса в энергетике и машиностроении, определенных в Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2030 года; - создание новых высокоэффективных экологически чистых технологий для производства электрической и тепловой энергии; - замену технологий производства электроэнергии и тепла, используемых в России до сих пор, на наиболее передовые, соответствующие мировому уровню; - разработку новых технологий, в первую очередь, для ближайшего будущего, но также и «прорывных»; - разработку унифицированного оборудования и типовых проектов для уменьшения сроков модернизации электроэнергетики и финансовых средств на ее осуществление; - подготовку и реализацию проектов для демонстрации новых технологий; - создание эффективной системы управления инновационными разработками при выполнении технологической платформы, обеспечивающей успешное решение поставленных задач в требуемые сроки на основе эффективного применения механизмов государственно-частного партнерства, обеспечения инновационного развития электроэнергетики и использования научно-технического потенциала отечественного энергетического машиностроения; - повышение квалификации кадров. Конкретными результатами платформы будут: - освоение производства оборудования и применение типоразмерного ряда газотурбинных и парогазовых установок для замещения паровых энергоблоков на газомазутных ТЭС, обеспечивающих экономию 25-30 % потребляемого ими природного газа и эффективно работающих в переменной части графиков нагрузки, - создание к 2020 г. отечественной ГТУ мощностью 350–400 МВт, конкурентоспособной с зарубежными аналогами, - освоение производства оборудования и применение экологически чистых угольных энергоблоков большой (600–800 МВт) мощности с суперсверхкритическими параметрами пара и паровых энергоустановок мощностью 100–200 МВт для угольных ТЭЦ следующего поколения, оснащенных пылеугольными котлами и котлами с циркулирующим кипящим слоем. Будут обеспечены экономия 10–15 % топлива и резкое сокращение выбросов в окружающую среду, - создание и освоение в эксплуатации ПГУ с газификацией угля, обеспечивающих экономию 10–15 % топлива и резкое сокращение выбросов в окружающую среду; - создание материалов для производства энергетического оборудования нового поколения, актуализация нормативно-технической документации по конструкционным сталям, подготовка комплексных технологических регламентов, инструкций по технологическим переделу и контролю качества, освоение новых технологических процессов, включая комплексные технологии металлургического цикла и изготовление полуфабрикатов и элементов энергетического оборудования из наноструктурированных сталей. Достижение планируемых результатов обеспечит мировой уровень отечественной тепловой энергетики и конкурентоспособность российского энерго- и электромашиностроения на мировом рынке. В технологическую платформу «Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» включены следующие технологии: Отечественные ГТУ и ПГУ на их основе мощностью до 1000 МВт с КПД до 60% и перспективные технологии с использованием топливных элементов, обеспечивающие КПД до 70%. Угольные энергоблоки на суперсверхкритические параметры пара единичной мощностью 330–660–800 МВт с КПД 44–46%, перспективные технологии на ультрасверхкритические параметры пара (35 МПа, 700/720 °С), обеспечивающие КПД 51–53% и угольные ТЭЦ нового поколения единичной мощностью 100–200–300 МВт с использованием различных технологий сжигания топлива. Производство электроэнергии и тепла с использованием ПГУ с внутрицикловой газификацией твердого топлива единичной мощностью 200–400 МВт с КПД до 50% и перспективные технологии с использованием топливных элементов, обеспечивающие КПД до 60%. Технологии экологически чистого использования твердого топлива и газоочистки, обеспечивающие минимальные выбросы SО2, NOx, золовых частиц и др. ингредиентов, включая улавливание из цикла, компримирование и последующее захоронение СО2. Высокоэффективные модульные теплофикационные парогазовые установки единичной мощностью 100 и 170 МВт для строительства новых и реконструкции действующих ТЭЦ и перспективные технологические комплексы на их основе с применением теплонасосных установок, обеспечивающие коэффициент использования тепла топлива, близкий к 95–98 % с учётом использования источников низкопотенциального тепла. Турбогенераторы мощностью 60–1000 МВт на базе современных электроизоляционных материалов и технологий, позволяющих увеличить сроки эксплуатации до 50 лет и обеспечить межремонтный срок до 7 лет. Все перечисленные выше технологии соответствуют мировому уровню развития науки и техники, а некоторые из них: угольный блок на ультракритические параметры пара, гибридные энергоустановки с топливными элементами, ПГУ с тепловыми насосами и использованием низкопотенциального тепла, комбинированный золоуловитель, установка очистки дымовых газов от NOx – являются «прорывными». Ключевые технологии, развиваемые в рамках Технологической платформы, состоят из нескольких проектов, реализация которых позволит обеспечить мировой уровень отечественной тепловой энергетики и конкурентоспособность российского энерго- и электромашиностроения на мировом рынке. Технология 1 Отечественные ГТУ и ПГУ на их основе единичной мощностью до 1000 МВт с КПД до 60% и перспективные технологии с использованием топливных элементов, обеспечивающие КПД до 70% Наибольший эффект для национальной экономики возможен при замене старых паровых энергоблоков существенно более эффективными парогазовыми (удельный расход топлива на 3035 % ниже, полная автоматизация, экологическая чистота). Газотурбинные и парогазовые установки играют все возрастающую роль в структуре мировых энергетических мощностей вследствие их высокого КПД, хорошей маневренности и умеренной удельной стоимости при выполнении характерных для стационарной энергетики требований по надежности, готовности и ремонтопригодности и незначительном воздействии на окружающую среду. Развитие и совершенствование газотурбинных двигателей в послевоенные годы было связано с их широким применением в авиации. В электроэнергетике они заняли прочное место после примерно 1980г. с появлением агрегатов единичной мощности более 100 МВт и повышением начальной температуры газов до уровня, при котором КПД комбинированных парогазовых установок (ПГУ) с утилизацией тепла отработавших в ГТУ газов в паровом контуре стал значительно выше, чем у лучших паровых энергоблоков. В настоящее время ГТУ являются одной из вершин технического прогресса в электроэнергетике. За рубежом ведущими изготовителями мощных энергетических ГТУ являются «Альстом», «Дженерал Электрик», «Сименс» и «Мицубиси». Начиная с 90х годов они серийно выпускают газовые турбины электрической мощностью 280-330 МВт с КПД ль 38 до 39,6%. При использовании эти ГТУ в схеме с парогазовой установкой (ПГУ) обеспечивается мощность от 424 до 498 МВт с общим КПД 58,3-59,5%. Наряду с моделями па 3000 об/мин фирмы выпускают геометрически подобные ГТУ на 3600 об/мин, а Сименс и Дженерал Электрик также и более быстроходные модели мощностью 65-80 МВт, вращающие электрический генератор через редуктор. Приведенные выше показатели ГТУ достигнут в установках простого термодинамического цикла, выполненных одновальными с двухопорными роторами турбогруппы и расположенной вокруг кольцевой или блочно-кольцевой (с несколькими пламенными трубами) камерой сгорания, в которой сжигаются «чистые» (беззольные) виды топлива, в основном природный газ и жидкие дистилляты типа дизельного. Надежность и длительные сроки службы, характерные для традиционного энергетического оборудования, при высоких температурах газов обеспечены с помощью рационального конструирования и технологий изготовления, отработанных за длительное время на сотнях двигателей, эффективного охлаждения деталей турбины и камеры сгорания цикловым воздухом и применения жаропрочных сплавов и покрытий. Для достижения высоких технико-экономических и экологических показателей оптимизируют уровень начальной температуры газов и степень сжатия для автономной работы и работы с комбинированным производством электроэнергии и тепла, используют самые последние достижения в области аэродинамики и горения. Выпускаются отдельные типы ГТУ с усложненным циклом: GT24 и GT26 (189 и 290 МВт) с промежуточным подводом тепла при расширении (2 ступени камер сгорания) и LMS100 (100 МВт) с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии. Как правило, мощные энергетические ГТУ используются в парогазовом цикле. В настоящее время строятся исключительно бинарные ПГУ с конвективными котлами-утилизаторами, в которых отработавшие в ГТУ газы с температурой 550-650 °С охлаждаются до ~ 100 °С с выработкой пара с давлениями до 17 MПа и его перегревом до температуры 520-565 °С. Паровой контур таких ПГУ имеет свои особенности. Кроме пара высокого давления в котлах-утилизаторах вырабатывается пар низкого (около 0,5 МПа) давления, генерация которого позволяет глубоко охладить дымовые газы. В более сложных схемах с современными ГТУ подающими в котлы-утилизаторы газы с температурой 580-650 °С, вводится третий контур генерации пара при среднем давлении и промежуточный перегрев пара. КПД некоторых таких ПГУ нетто превышает уже 59% при мощности энергоблока с одной ГТУ до 500 МВт и с двумя ГТУ - до 1000 МВт. При этом примерно 2/3 общей мощности блока составляет мощность ГТУ. Сотни парогазовых установок такого типа построены в различных странах. Они освоены с характерными для традиционного энергооборудования показателями надежности и готовности. Воздействие работающих на природном газе парогазовых электростанций на окружающую среду невелико. Они также обеспечивают большую маневренность, быстрый набор нагрузки и возможность диспетчеризации при необходимости принять пиковую нагрузку. Инжиниринговые фирмы и разработчики стараются сократить продолжительность строительства ПГУ путем разработки стандартизованных модулей, использование которых снизит также стоимость ПГУ ТЭС. Несмотря на высокую эффективность крупных парогазовых установок продолжаются интенсивные исследования и работы по коммерциализации их результатов с целями всестороннего совершенствования ПГУ: повышения их экономичности, надежности и готовности, увеличения эксплуатационной гибкости (сокращения времени пусков и остановок, расширения эксплуатационного диапазона нагрузок, использования более широкого диапазона топлив), уменьшения потребления воды и вредных выбросов, сокращения удельной стоимости, повышения заводской готовности и модулеризации электростанций. Определенным недостатком ПГУ является слабая интеграция ГТУ и паровой части. Вследствие длительности прогрева котла, паропроводов и паровой турбины при пуске ПГУ, полное нагружение ПГУ задерживается на примерно час по сравнению с ее автономным пуском. Технический минимум нагрузок ПГУ целесообразно расширить до 40% от номинальной или даже ниже, а верхний уровень нагрузок увеличить путем форсирования ГТУ, сжигания перед котлом дополнительного топлива и т.д. без или минимальным снижением экономичности и межремонтных интервалов. Параллельно с развитием ГТУ повышают давление и температуру свежего пара в паровой части ПГУ. Для этого детали горячего тракта изготавливают из более жаропрочных сталей совершенствуются конструкции горячих компонентов с тем, чтобы обеспечить их работу в циклических режимах и продлить межремонтные периоды при одновременном повышении КПД парового контура ПГУ. В ПГУ с перспективной ГТУ фирмы Сименс мощностью 375 МВт, параметры свежего пара составляют 15МПа/600°С и используется прямоточная (по системе Бенсона) часть высокого давления котла-утилизатора. Котлы с прямоточной частью ВД позволяют быстрее пускать ПГУ без сокращения сроков службы. Они более экономичны при пусках и работе с базовой нагрузкой, потребляют меньше химикатов для водоподготовки и меньше загрязняют окружающую среду. Паровой контур, в особенности в США, проектируется для работы с еженедельными или даже ежесуточными остановами. Перечисленные достоинства привели к быстрому наращиванию генерирующих мощностей с использованием ПГУ и ГТУ. В настоящее время в мире эксплуатируется более 46455 ГТУ общей мощностью >1343 ГВт. Распределение их по назначению показывает, что подавляющее большинство (62% всех установок) – это энергетические ГТУ. В России производство оборудования для мощных ПГУ осуществляется традиционными энерго- и электромашиностроительными заводами: ОАО «Силовые машины», ОАО «ЭМАльянс» и другими. Для выпуска мощных энергетических газотурбинных установок (ГТУ) совместным предприятием Сименс-Силовые машины планируется строительство вблизи Санкт-Петербурга специализированного завода. В настоящее время ГТУ мощностью 250-300 МВт, а во многих случаях и другое основное оборудование ПГУ мощностью 400-800 МВт (паровые турбины котлы-утилизаторы, электрические генераторы и т.д.), которое могло бы изготавливаться внутри страны, импортируется, главным образом вследствие более выгодных условий поставки. Российские предприятия способны самостоятельно разработать, изготавливать и поставлять все виды оборудования мощных перспективных ПГУ, кроме газовых турбин. При разработке Технологической платформы планировалось создание энергоблока ПГУ нового поколения конкурентоспособного на мировом рынке к 2020г. и всего необходимого для него оборудования. Организация «Силовыми машинами» совместного с фирмой «Сименс» единственная среди мировых лидеров уже построила, испытала и эксплуатирует на электростанции такую ПГУ с газовой турбиной мощностью 375 МВт и КПД >60%. Локализация производства этой ГТУ в России позволит на несколько лет сократить сроки создания отечественной ПГУ запланированной в технологической платформе.

Похожие:

	Отчет о разработке стратегической программы исследований технологической платформы Направления исследований и разработок, наиболее перспективных для развития в рамках платформы		Программа исследований Технологической платформы «Текстильная и легкая промышленность» Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы
	Ежегодный отчет о выполнении проекта реализации технологической платформы... Технологии мехатроники, встраиваемых систем управления, радиочастотной идентификации и роботостроение		Альтернативные источники энергии Солнечная энергетика Солнечная энергетика Солнечная энергетика используетнеисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов....
	Отчет о деятельности технологической платформы "Инновационные лазерные... Деятельность технологической платформы "Инновационные лазерные и оптоэлектронные технологии – фотоника" (далее – тп "Фотоника") в...		Солнечная энергетика Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов....
	Результаты мониторинга состояния работ и проектов, рекомендуемых... Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук		Отчет о деятельности технологической платформы «Развитие российских... Муниципальное казенное образовательное учреждение бутурлиновская средняя общеобразовательная школа №7
	Университет В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...		3 юродивые и кликуши В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...
	Дневник магини Предисловие В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...		Кириллица – основа русской азбуки В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...
	Пресс-релиз 29 ноября 2012 г. Агентство по прогнозированию балансов... Акимова, Т. А. Экология. Природа – Человек – Техника: учебник / Т. А. Акимова. – М.: Экономика, 2007. – 510с		Материалы к урокам. Х. Бидструп. Юный художник В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...
	«Риторика и культура речи: наука, образование, практика» В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...		Обзор красноярских сми за 22 июня 2011 года В целом работа по программе в 2012 г направлена на создание технологической интеграционной платформы (телекоммуникационного кластера)...