Analisi e applicazione della tecnologia ad alta e bassa temperatura per generatori di vapore
1, Definizione del nucleo e basi termodinamiche dei parametri di alta e bassa temperatura
La divisione ad alta e bassa temperatura dei generatori di vapore non è un valore assoluto, ma un consenso del settore formato sulla base di principi termodinamici e pratica ingegneristica. La sua base principale è la teoria del ciclo di Carnot - la massima efficienza di un motore termico è determinata dalla differenza di temperatura tra la fonte di calore e la fonte di freddo. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è l’efficienza di conversione dell’energia termica in energia elettrica.
(1) Definizione e caratteristiche dei parametri ad alta temperatura
Nel campo industriale, la temperatura principale del vapore dei generatori di vapore ad alta-temperatura è solitamente definita come 500 gradi o superiore e la pressione di supporto è per lo più compresa tra 10 MPa-30 MPa. Alcune unità ultra supercritiche possono raggiungere anche temperature superiori a 600 gradi o 25 MPa. L'obiettivo principale di questo intervallo di parametri è massimizzare la differenza di temperatura e promuovere l'efficienza termica fino a superare il 40% o addirittura raggiungere oltre il 45%. L'implementazione dei parametri di alta-temperatura si basa sulla combustione di fonti energetiche di alto-grado (come carbone e gas naturale) o su reazioni nucleari. L'acqua viene riscaldata ad alta-temperatura e vapore ad alta pressione attraverso caldaie o reattori, quindi fatta ruotare ad alta velocità per generare elettricità.
(2) Definizione e caratteristiche dei parametri di bassa temperatura
La temperatura principale del vapore dei generatori di vapore a bassa-temperatura è solitamente inferiore a 300 gradi e alcuni sistemi di recupero del calore di scarto possono addirittura abbassarla a 80 gradi -250 gradi, con pressioni spesso inferiori a 2,5 MPa. La logica fondamentale di tali sistemi non è quella di perseguire la massima efficienza, ma di utilizzare energia termica di bassa-gradazione (come il calore di scarto industriale, l'energia solare, l'energia geotermica) per riuscire a "trasformare i rifiuti in tesori". Sebbene la loro efficienza termica sia generalmente compresa tra il 10% e il -25%, possono convertire il calore originariamente sprecato in energia elettrica, che ha sia un risparmio energetico-che un valore ambientale. L'implementazione dei parametri di bassa-temperatura non si basa sul consumo energetico ad alta intensità, ma piuttosto si adatta alle caratteristiche di temperatura delle fonti di calore di bassa qualità attraverso speciali fluidi di lavoro o tecnologie di circolazione.
2, Differenze nei percorsi tecnici dei generatori di vapore ad alta e bassa temperatura
La differenza nei parametri di temperatura porta direttamente a differenze significative nei componenti principali, nelle modalità di ciclo e nella progettazione del sistema dei generatori di vapore, formando due percorsi tecnici completamente diversi.
(1) Generatore di vapore ad alta temperatura: ricerca tecnologica della massima efficienza
I generatori di vapore ad alta temperatura, rappresentati dalle tradizionali centrali termiche e nucleari, hanno il nucleo tecnico della "resistenza alle alte temperature e alla resistenza alle alte pressioni" e raggiungono una generazione efficiente di energia attraverso aggiornamenti dei materiali e ottimizzazione del sistema. Nei componenti principali, le apparecchiature chiave come le pale delle turbine e le tubazioni delle caldaie devono utilizzare materiali speciali come leghe a base di nichel e acciaio resistente al calore-per resistere all'ossidazione, alla corrosione e alla fatica in ambienti ad alta temperatura e alta pressione; In termini di circolazione, viene comunemente utilizzato il ciclo Rankine, che genera vapore ad alta-temperatura e alta-pressione attraverso una caldaia. Dopo che la turbina a vapore ha funzionato, il vapore di scarico viene raffreddato in acqua da un condensatore, quindi pressurizzato da una pompa di alimentazione e rimandato alla caldaia per formare un ciclo chiuso; Nella progettazione del sistema sono necessari complessi dispositivi di controllo della temperatura e di riduzione della pressione per garantire parametri del vapore stabili ed evitare danni alle apparecchiature dovuti alle fluttuazioni di temperatura.
3, Scenari applicativi panoramici di generatori di vapore ad alta e bassa temperatura
Le caratteristiche dei parametri di temperatura determinano che gli scenari applicativi di due tipi di generatori di vapore hanno confini chiari, coprendo due campi principali: alimentazione elettrica centralizzata su larga scala-e recupero distribuito del calore di scarto.
(1) Generatore di vapore ad alta temperatura: la forza principale per l'alimentazione centralizzata su larga-scala
I generatori di vapore ad alta temperatura, con i loro vantaggi di elevata potenza ed efficienza, sono diventati la scelta principale per l'alimentazione elettrica centralizzata su larga-scala. In termini di scenari applicativi, le grandi centrali termoelettriche sono distribuite principalmente in aree ricche di carbone o centri di carico, soddisfacendo il fabbisogno elettrico della produzione industriale regionale e della vita residenziale attraverso la generazione di energia termica, con una capacità di una singola unità fino a un milione di kilowatt; Le centrali nucleari fanno affidamento sull’elevata densità energetica del combustibile nucleare e sono situate in aree con elevata domanda di energia e requisiti ambientali, fornendo elettricità di carico di base stabile per la regione e avvicinandosi a zero emissioni di carbonio.
Inoltre, i generatori di vapore ad alta-temperatura sono adatti anche per le grandi centrali elettriche industriali di proprietà, come le grandi imprese dei settori siderurgico, chimico e di altro tipo. Generano elettricità bruciando combustibili auto-prodotti o utilizzando il calore di scarto del processo (sezione ad alta- temperatura) per soddisfare il proprio fabbisogno di elettricità di produzione e ridurre la dipendenza dagli acquisti di energia esterna.
4, Tendenza dello sviluppo del settore: evoluzione collaborativa dei percorsi ad alta e bassa temperatura
Spinti dalla transizione energetica e dall'obiettivo del "doppio carbonio", i generatori di vapore ad alta-temperatura e a bassa-temperatura non sono reciprocamente sostituibili, ma stanno mostrando una tendenza di sviluppo coordinata di "aggiornamento di fascia alta-ed espansione di fascia bassa-".
(1) Percorso ad alta temperatura: aggiornamento verso processi ultra supercritici e puliti
I generatori di vapore ad alta temperatura continueranno a svilupparsi verso emissioni ultra supercritiche e prossime allo zero. Da un lato, attraverso innovazioni nella tecnologia dei materiali, la temperatura e la pressione del vapore principale possono essere ulteriormente aumentate, promuovendo il miglioramento continuo dell’efficienza termica e riducendo il consumo energetico e le emissioni di carbonio per unità di produzione di elettricità; D’altro canto, combinando la tecnologia di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS), è possibile ottenere emissioni prossime allo zero dall’energia termica, consentendole di svolgere ancora un ruolo stabilizzante nel carico di base dell’elettricità nella struttura energetica con una percentuale crescente di nuova energia.
(2) Percorso a bassa temperatura: espansione verso scala e alta adattabilità
I generatori di vapore a bassa temperatura introdurranno una duplice opportunità di applicazione su larga-scala e di aggiornamento tecnologico. In termini di scala applicativa, con l'inasprimento delle politiche di risparmio energetico industriale-e la crescente consapevolezza del recupero del calore di scarto, i generatori a bassa temperatura ORC-diventeranno popolari in più settori, formando un mercato di generazione di energia termica di scarto su larga-scala; In termini di aggiornamento tecnologico, ci concentreremo sulla ricerca e sullo sviluppo di fluidi di lavoro nuovi ed efficienti, sul miglioramento dell'efficienza dello scambio di calore e sul controllo intelligente dei sistemi, riducendo il costo della generazione di energia termica di scarto a bassa-temperatura, migliorando l'adattabilità alle risorse di calore di scarto di diverse temperature e scale ed espandendo il limite di utilizzo del calore di scarto a temperatura ultra-bassa (60 gradi -80 gradi).
