NTPC, крупнейший энергетический конгломерат Индии и крупнейший производитель угля, в марте ввела в эксплуатацию первую в стране сверхкритическую угольную электростанцию, оснащенную конденсатором с воздушным охлаждением (КВО, ACC). Это стало ответом на согласованные усилия компании и индийского правительства, которому принадлежит 51,1% акций компании, по созданию новых путей развития угольной энергетики, которые смогут решить проблемы устойчивости водных ресурсов.
Недавно открывшаяся электростанция NTPC North Kanapura в районе города Тандва в штате Джаркханд оснащена тремя угольными энергоблоками общей мощностью 1 980 МВт. Это первый проект в Индии на сверхкритическом топливе, в котором используется конденсатор с воздушным охлаждением.
Новаторский КВО был установлен в штате Джаркханд на станции NTPC North Kanapura мощностью 2 ГВт, состоящей из трех сверхкритических блоков по 660 МВт каждый (рис. 1). Когда в 1990 году индийское правительство задумало создать теплоэлектростанцию рядом с карьером (в основном из-за достаточного количества угля с близлежащих угольных месторождений блока Тандва), первоначальный проект станции предусматривал использование традиционного конденсатора с замкнутым циклом, который должен был ежегодно потреблять 55 миллионов кубических метров воды. Первоначальные планы предполагали строительство плотины высотой 22,5 метра (м) через близлежащую реку Гархи, приток реки Дамодар, чтобы обеспечить постоянный источник воды для удовлетворения потребностей в воде в течение всего срока эксплуатации станции.
Однако для строительства плотины также потребовалось бы приобрести около 5 000 акров земли, а также затопить плодородные земли, которые обрабатывают жители 10 деревень. В 2014 году индийское правительство пересмотрело свои планы и рассмотрело возможность строительства КВО, что потенциально могло бы снизить годовую потребность в воде почти на треть - до 20 млн. м3.
В конечном итоге NTPC разработала схему комплексного управления водными ресурсами, которая включала в себя КВО, более мелкую плотину в пределах реки, резервуар сырой воды в границах станции и сокращение затрат вдвое. 1 марта, через девять лет после начала строительства, проект "Северная Канапура" был введен в эксплуатацию, что представляет собой "истинный пример устойчивого развития".
Первый проект среди угольных ТЭС Индии.
Однако это событие примечательно тем, что, хотя использование технологии КВО довольно распространено во всем мире, для индийской угольной генерации это новая парадигма.
КВО представляет собой теплообменник, в котором пар конденсируется внутри оребренных труб с воздушным охлаждением. Это система прямого сухого охлаждения. "Поток холодного окружающего воздуха снаружи оребренных труб отводит тепло и определяет функциональность КВО", - объясняет компания SPG Dry Cooling. "На тепловых электростанциях пар от выхлопа турбины поступает в КВО, где происходит конденсация. Затем конденсат возвращается в котел по замкнутому контуру. Так как пар, выходящий из турбины, находится под низким давлением, КВО работает при давлении, близком к вакууму, а неконденсирующиеся газы непрерывно удаляются воздухоотсосом".
По данным американской Группы пользователей КВО, первая генерирующая станция с прямым КВО в Северной Америке, 21,7-МВт угольная станция Нила Симпсона в Джиллетте, штат Вайоминг, была введена в эксплуатацию в 1969 году. К 2008 году сухое охлаждение стало стандартной практикой на многих тепловых электростанциях в США, Европе и Китае, даже в тех местах, где нет дефицита воды.
Но, несмотря на то, что по состоянию на январь 2023 года Индия полагалась на 179 угольных электростанций общей мощностью 204 ГВт, обеспечивающих почти 50% от общего объема производства электроэнергии, она до сих пор не использовала КВО из-за высоких капитальных затрат, вспомогательной энергии и относительно низкого сокращения водного следа по сравнению с водяным охлаждением.
"КВО используются для экономии воды на электростанциях, но негативное влияние таких устройств на тепловую эффективность электростанций вызывает беспокойство", - сказал Рави Пракаш, профессор машиностроения в Национальном технологическом институте имени Мотилала Неру в Уттар-Прадеше. Еще одна причина, по которой Индия избегает установки КВО, заключается в том, что КВО и составные компоненты КВО - включая трубные пучки, редукторы и вакуумные насосы - обычно приходится импортировать, что снижает их конкурентоспособность по стоимости.
Однако недавние события, свидетельствующие о региональной уязвимости к дефициту воды, а также инициативы по устойчивому развитию побудили энергетические конгломераты, такие как NTPC, пересмотреть целесообразность и ограничения, связанные с КВО. Эти усилия вписываются в стратегию NTPC по охране окружающей среды, социальному обеспечению и управлению (ESG), которая предусматривает более устойчивый результат для 70-гигабайтного парка компании, включающего 26 угольных электростанций общей мощностью 51 ГВт.
Например, в рамках инициативы NTPC ESG компания предпринимает масштабные усилия по диверсификации топлива путем увеличения портфеля возобновляемых источников энергии с 10 ГВт до 60 ГВт к 2032 году. Наряду с планами по выводу из эксплуатации 1,4 ГВт угольных мощностей, компания планирует смешивать до 10% биомассы на существующих угольных станциях; изучить возможность улавливания, утилизации и хранения углерода на двух угольных станциях; и сократить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от всего оборудования. Компания активно участвует в проектах по сохранению водных ресурсов. Наряду с оснащением новых станций КВО, усилия включают внедрение более высоких циклов концентрации в системах оборотного водоснабжения, сброс нулевой жидкости, удаление шлама высокой концентрации и опреснение морской воды, в том числе из систем на основе дымовых газов.
Дефицит воды - растущая проблема для угольных электростанций Индии.
Теперь, когда проект North Karanpura запущен, NTPC сосредоточится на завершении второй установки КВО на строящемся в Джаркханде супертермальном энергопроекте Patratu мощностью 2,4 ГВт. Индийский производитель оборудования BHEL заключил контракт на проектирование, закупку и строительство для этого проекта.
Однако, по словам Пракаша, Индии потребуется гораздо больше усилий для сокращения водозабора и потребления тепловой энергии. Примерно 40% тепловых электростанций Индии расположены в регионах с высоким уровнем дефицита воды, отмечают Пракаш и пять других авторов в статье "Взаимодействие энергии и воды для тепловой энергетики в Индии: проблемы и возможности". Они считают, что "если нынешний уровень использования воды тепловыми электростанциями сохранится, а существующие нормативные акты, касающиеся водных ресурсов, останутся неизменными, водозабор к 2050 году может вырасти в 4,3 раза, а потребление – в 3,2 раза".
Авторы изучили несколько подходов к применению КВО. Один из вариантов предусматривает применение КВО, снижающих температуру воздуха перед поступлением в конденсатор, с использованием паровых абсорбционных охладителей. Авторы проиллюстрировали свой анализ на примере гипотетического использования технологии на 300-МВт энергоблоке JSW Vijayanagar Power Station. JSW - это тепловая электростанция, расположенная в деревне Торанагаллу в штате Карнатака на юге Индии. "Температура и относительная влажность окружающего воздуха оказывают значительное влияние на потребление вспомогательной энергии КВО. Однако использование КВО было бы нецелесообразным из-за высокой нагрузки на охлаждение тепловых электростанций. На данный момент лучшей альтернативой для их охлаждения может быть использование морской воды", - отмечается в статье.
Один из подходов, описанных исследователями, предполагает забор глубоководной морской воды температурой около 6°C, а затем перекачку ее (под давлением 3 бар) в помещения станции. "Сначала холодная морская вода используется для охлаждения в системе кондиционирования воздуха, проходя через теплообменник, где она охлаждает подаваемую охлажденную воду до 10°C. Температура холодной морской воды повышается с 6°C до 14°C; и обеспечивает охлаждающий эффект в 2 515 кВт (почти 716 тонн холода)". Охлаждающая вода в конденсаторе, имеющаяся при более низкой температуре, чем на наземных установках, может привести к снижению давления конденсации, предполагают исследователи. "Таким образом, давление на выходе из турбины можно снизить до 0,05 бар, и может быть получена более высокая выходная мощность по сравнению с наземной установкой". По их словам, после прохождения через конденсатор температура охлаждающей воды в конденсаторе снижается примерно до 26°C, что позволяет использовать ее для опреснения, чтобы получить пресную воду и соль в качестве побочного продукта.
Несмотря на то, что данный подход ограничен по месту расположения (только установки в прибрежных районах), он подходит для Индии, так как эта страна имеет обширную прибрежную границу. "По сравнению с обычными внутренними станциями, электрическая эквивалентная эффективность предлагаемой системы с охлаждением глубоководной морской водой выше на 27,7%, что наглядно демонстрирует многочисленные преимущества предлагаемой системы", - считают исследователи.