Elektrownie opalane paliwami organicznymi (węglem, gazem ziemnym i olejem opałowym) dostarczają około 70% energii zużywanej na całym świecie. Konieczność zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń kieruje uwagę projektantów i inwestorów na wykorzystanie coraz sprawniejszych kotłów węglowych o nadkrytycznych parametrach pary, których zwiększanie okazało się skutecznym sposobem poprawy ekonomiki bloków energetycznych.

Ogromny postęp inżynierii materiałowej, dokonany na początku lat 80., doprowadził do coraz powszechniejszego wdrażania technologii bloków o parametrach nadkrytycznych. W rezultacie większość nowych mocy w elektrowniach węglowych uprzemysłowionych krajów świata jest instalowana we wspomnianych blokach energetycznych. Obecnie w USA pracuje już ponad 170 takich bloków, w Japonii i Europie - po około 60. Jednak największą liczbą tych układów mogą poszczycić się kraje byłego ZSRR (ponad 230). Nowe perspektywy uzyskania znaczących efektów technicznych i ekonomicznych otwiera następna generacja tej technologii określana nazwą ultranadkrytycznej. Zastosowane w niej jeszcze wyższe temperatury i ciśnienia pary postawią nowe, zwiększone wymagania dla materiałów i rozwiązań projektowych kotłów i turbin, zwłaszcza na blokach przewidzianych do częstych odstawień i zmian obciążenia.
Wymuszane przez postępującą liberalizację rynków energii zmienne reżimy pracy turbin parowych prowadzą do nadmiernych naprężeń materiałowych skracających żywotność urządzeń. Jest to główna przeszkoda dla wdrożenia technologii nowej generacji: materiały przewidziane do wykorzystania w układach ultranadkrytycznych są mało odporne na zmiany naprężeń, są natomiast podatne na uszkodzenia wywołane zmęczeniem, a także erozją. Dlatego planuje się użycie doskonalszych materiałów dla wirników i korpusów turbin, rurociągów i zaworów. Stale węglowe zostaną zastąpione przez stopy na bazie niklu. Dla ochrony krytycznych elementów konieczne będzie zastosowanie doskonalszych rozwiązań układów chłodzenia wirników turbin, ich układów obejściowych i zrzutowych oraz systemów automatyki i monitoringu on-line. Natomiast osiągnięcie wyższej sprawności wytwarzania energii będzie wymagało optymalizacji cyklu termodynamicznego z modernizacją niektórych urządzeń jak układy przepływowe pary, skraplacze i podgrzewacze wody. Rozwiązanie tych problemów rozstrzygnie o przyszłych obszarach wykorzystania bloków ultranadkrytycznych: pokrywania obciążenia podstawowego lub obciążeń szczytowych systemu elektroenergetycznego.
Prekursorem badań nad technologią bloków na ultranadkrytyczne parametry była Japonia, jeden z liderów wdrażania układów o parametrach nadkrytycznych. W połowie lat 80. XX wieku dołączyły do niej Stany Zjednoczone. Instytut EPRI przy pomocy finansowej Departamentu Energetyki planuje na początku przyszłej dekady przeprowadzenie kompleksowych prób prototypu bloku przyszłej generacji o parametrach 760 st. C/36.4 MPa zainstalowanego w jednej z amerykańskich elektrowni (dla porównania: parametry pary świeżej w obecnych typowych blokach 200 MW w energetyce polskiej wynoszą 540 st. C/13 MPa, zaś w większości europejskich bloków na parametry nadkrytyczne odpowiednio 560 st. C/25 MPa). W razie korzystnych wyników próbnej eksploatacji bloki na parametry ultranadkrytyczne miałyby zostać wdrażane w energetyce tego kraju około 2017 r.
Duże wykorzystanie technologii bloków o parametrach nadkrytycznych w b. ZSRR, gdzie zbudowano 232 takie jednostki (40% mocy systemu elektroenergetycznego) o mocach 300-1200 MW wzbudza od pewnego czasu uzasadnione zainteresowanie projektantów i naukowców innych krajów. Przez 70 lat energetyka radziecka rozwijała się niezależnie od rozwiniętych krajów zachodnich i dlatego oferuje szereg oryginalnych rozwiązań technicznych. Po nawiązaniu kontaktów między specjalistami EPRI i energetykami rosyjskimi w roku 1989, niektóre pomysły dotyczące m.in. przystosowania kotłów do spalania niskokalorycznych węgli o wysokiej zawartości popiołu, adaptacji turbin o parametrach nadkrytycznych do produkcji ciepła w skojarzeniu i uzdatniania wody zostały z powodzeniem przeniesione na grunt amerykański. Szczególną uwagę badaczy USA przyciągają również takie unikalne rozwiązania rosyjskich układów nadkrytycznych jak:
tytanowe łopatki ostatnich stopni wirników niskiego ciśnienia turbin 1200 MW
podgrzewacze wody zasilającej o bezpośredniej wymianie ciepła
stopnie Baumanna z rozdzielonym przepływem pary
podgrzewanie kołnierzy korpusów części WP i SP turbin w celu skrócenia czasów rozruchu.
Doskonalenie bloków o parametrach nadkrytycznych jest przedmiotem uwagi także w krajach Unii Europejskiej. W ramach projektu THERMIE w 1998 r. grupa czterdziestu europejskich firm rozpoczęła prace przygotowawcze dla opracowania dokumentacji i realizacji bloku ultranadkrytycznego o niespotykanych dotychczas parametrach pary świeżej 720 st. C/35 MPa i sprawności 55%. Przewiduje się wykorzystanie takich jednostek wielkiej mocy początkowo do ciągłej pracy (pokrywanie obciążenia podstawowego systemu), co ograniczy potrzebę zastosowania specjalnych rozwiązań technicznych wymaganych przy zmiennych reżimach roboczych. Najprawdopodobniej jednak technologia ultranadkrytyczna zostanie z czasem wykorzystana także do pracy bloków w zmiennych reżimach dla osiągnięcia zysków wynikających ze zmieniających się cen energii. Dlatego w dalszych etapach projekt THERMIE zakłada możliwość przebadania takich innowacyjnych rozwiązań jak spawana konstrukcja wirnika turbiny (obejmująca niewielkie, zespawane ze sobą odkuwki) dla zmniejszenia masy i redukcji naprężeń cieplnych. Pilotowa instalacja tego programu zostanie uruchomiona w 2012 r.
Wdrożenie niezawodnych w działaniu turbin parowych na parametry ultranadkrytyczne w nowych elektrowniach stało się ogólnoświatowym wyzwaniem dla środowisk energetyki. Realizacja tego celu będzie wymagać ścisłej międzynarodowej współpracy naukowców w pierwszych dekadach tego stulecia.


na podstawie: T. Armor - „Ultrasupercritical steam turbines: next-generation design and materials”, EPRI Journal.