- Nie ciśnieniem lecz temperaturą

Rosnące zainteresowanie energetyką węglową w Ameryce Północnej, a także w wielu innych wysokorozwiniętych krajach ponownie kieruje uwagę inwestorów na wykorzystanie kotłów nadkrytycznych.
Pierwsze na świecie kotły parowe na parametry nadkrytyczne zaczęto budować w Stanach Zjednoczonych w końcu lat 50. XX wieku.

Przy wyższej sprawności posiadały one jednak również wyższą awaryjność, spowodowaną nieadekwatną jakością ówczesnych materiałów w stosunku do zwiększonych parametrów technologicznych. Zniechęceni ciągłymi problemami eksploatacyjnymi tych układów, przy jednoczesnym spadku cen gazu ziemnego względem węgla, energetycy amerykańscy wkrótce postawili na większe wykorzystanie tego nośnika w coraz powszechniej stosowanych blokach gazowo-parowych. Tymczasem w Europie i Azji, bardziej uzależnionych od węgla, trwał nieustanny rozwój nowej technologii, który doprowadził z czasem do jej zupełnej dominacji w energetyce. W latach 1995-2000 ponad 85% czyli 20.000 MW nowych mocy w elektrowniach węglowych krajów OECD zostało zainstalowanych w blokach z kotłami o parametrach nadkrytycznych. Najnowsze bloki parowe tego typu odznaczają się nie tylko wysoką sprawnością w granicach 44%, lecz także dyspozycyjnością sięgającą 90%.
Pozytywne doświadczenia z eksploatacji kotłów o parametrach nadkrytycznych za granicą przywróciły zainteresowanie tymi urządzeniami w USA, zaś inwestorzy i projektanci z powrotem wnikliwie analizują zalety tej technologii. Koszt inwestycyjny kotłów o parametrach nadkrytycznych jest nieco wyższy niż kotłów o parametrach podkrytycznych, jednak oszczędności paliwa i względy ekologiczne z nawiązką kompensują tę stratę.
Aktualnie na świecie pracuje kilkaset kotłów o parametrach nadkrytycznych. Ciśnienia pary tych jednostek przekroczyły 300 bar, natomiast temperatury osiągnęły poziom 615 stopni C, co zapewniło sprawność bloków około 44%.
W niedalekiej przyszłości przewiduje się podniesienie temperatury do wartości co najmniej 640 st. C, dzięki czemu sprawność bloku przekroczy imponujący poziom 50%. Należy zauważyć, że podnoszenie ciśnienia pary w tych kotłach nieznacznie poprawia sprawność, natomiast wskaźnik ten wyraźnie wzrasta w miarę podwyższania temperatury.
Oczywiście wzrost sprawności kotła (i bloku) nie tylko zmniejsza ilość (a zatem i koszt) paliwa, lecz także przyczynia się do obniżenia emisji CO2, SO2, NOx i innych zanieczyszczeń. Inną cechą charakterystyczną kotłów o parametrach nadkrytycznych jest stosunkowo niewielka zależność ich sprawności od obciążenia, zwłaszcza na blokach pracujących z ciśnieniem poślizgowym. Sprawność większości kotłów o parametrach nadkrytycznych przy mocy 50% znamionowej wynosi co najmniej 95% tego wskaźnika w warunkach znamionowych. Wszystkie kotły tego typu posiadają konstrukcję przepływową, co oznacza, że woda i para przepływają przezeń tylko jeden raz (brak walczaka).
W dziedzinie konstrukcji kotłów o parametrach nadkrytycznych od początku przodownictwo objęła firma Babcock & Wilcox (B&W), która w 1957 r. wybudowała pierwszą w świecie jednostkę tego typu o mocy 125 MW w amerykańskiej elektrowni Philo. Dominującą pozycję B&W utrzymuje do dnia dzisiejszego, a jej kotły (9) o mocy 1300 MW są największymi urządzeniami tego typu w chwili obecnej na świecie. Firma prowadzi kosztowne prace badawczo-rozwojowe nowych konstrukcji tych kotłów. Z udziałem Departamentu Energetyki USA Babcock & Wilcox realizuje m.in. badania odporności różnych materiałów przegrzewaczy na wpływ węgla o wysokiej zawartości siarki i popiołu. W ramach testów przebadano w warunkach eksploatacyjnych przydatność dwunastu stopów do zastosowania w różnych temperaturach przyszłych kotłów o parametrach nadkrytycznych.
Stany Zjednoczone w szybkim tempie nadrabiają opóźnienia w rozwoju technologii kotłów o parametrach nadkrytycznych. Na tym polu imponujące osiągnięcia odnotowały zwłaszcza kraje azjatyckie jak Japonia i Korea Płd. Dla przykładu koreańska korporacja elektroenergetyczna KEPCO eksploatuje obecnie 20 kotłów tego typu o mocy jednostkowej 500 MW. Bloki węglowe z tymi kotłami stały się standardowymi jednostkami szybko rozwijającej się energetyki koreańskiej. W oparciu o pozytywne, wieloletnie doświadczenia eksploatacji tych urządzeń KEPCO przystąpiła do wprowadzania podobnych kotłów o wyższej mocy, tym razem 800 MW. Z kolei wysokie wskaźniki technologiczne i ekologiczne osiągnęły dwa największe japońskie bloki z kotłami o parametrach nadkrytycznych o mocy 1000 MW w elektrowni Haramachi. Europejskie osiągnięcia w zakresie konstrukcji kotłów o parametrach nadkrytycznych najlepiej reprezentuje niemiecka elektrownia opalana węglem brunatnym Schwarze Pumpe 2 x 800 MW. Mimo bardzo zróżnicowanej i najczęściej niskiej jakości paliwa (wilgotność 20-60%, zawartość popiołu 4-50%) bloki z kotłami produkcji GEC Alstom uzyskały bardzo korzystne wyniki, które sprawiły, że z uciążliwego dla otoczenia zakładu, elektrownia - po modernizacji - awansowała do grona producentów „zielonej energii”. Natomiast w Stanach Zjednoczonych odnotowano godne uwagi osiągnięcie elektrowni Ameren UE’s Sioux pod względem długości czasu pracy kotła o parametrach nadkrytycznych. W kwietniu br. po 246 dniach nieprzerwanej pracy odstawiono do planowego remontu blok nr 2 o mocy 500 MW. Kotły tej elektrowni wyposażone są w 10 palników cyklonowych o średnicy ok. 3 m, w których odbywa się spalanie rozdrobnionego węgla z dodatkiem innych paliw jak koks naftowy, rozdrobnione opony itd. Ten rekordowy wynik przekonywująco dowodzi, że dawne problemy z awaryjnością kotłów o parametrach nadkrytycznych energetyka ma już definitywnie za sobą.

Na podstawie: R. Swanekamp: „Return of the supercritical boiler”, Power Magazine - przygotował Piotr Olszowiec