Analyse und Anwendung der Hoch- und Niedertemperaturtechnologie für Dampferzeuger

1, Kerndefinition und thermodynamische Basis von Hoch- und Tieftemperaturparametern

Die Unterteilung von Dampferzeugern in Hoch- und Niedertemperaturen ist kein absoluter Wert, sondern ein Branchenkonsens, der auf thermodynamischen Prinzipien und technischer Praxis basiert. Seine Kernbasis ist die Carnot-Zyklus-Theorie - Der höchste Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird durch den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle bestimmt. Je größer der Temperaturunterschied, desto höher ist die Effizienz der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie.

(1) Definition und Eigenschaften von Hochtemperaturparametern

Im industriellen Bereich wird die Hauptdampftemperatur von Hochtemperatur-Dampferzeugern üblicherweise auf 500 Grad oder mehr festgelegt, und der Stützdruck liegt meist im Bereich von 10 MPa-30 MPa. Einige ultraüberkritische Einheiten können sogar über 600 Grad oder 25 MPa erreichen. Das Hauptziel dieses Parameterbereichs besteht darin, den Temperaturunterschied zu maximieren und den thermischen Wirkungsgrad auf über 40 % oder sogar über 45 % zu steigern. Die Umsetzung von Hochtemperaturparametern beruht auf der Verbrennung hochwertiger Energiequellen (wie Kohle und Erdgas) oder Kernreaktionen. Wasser wird durch Kessel oder Reaktoren auf Hochtemperatur- und Hochdruckdampf erhitzt und dann mit hoher Geschwindigkeit rotieren lassen, um Strom zu erzeugen.

(2) Definition und Eigenschaften von Tieftemperaturparametern

Die Hauptdampftemperatur von Niedertemperatur-Dampferzeugern liegt normalerweise unter 300 Grad, und einige Abwärmerückgewinnungssysteme können sie sogar auf 80 Grad -250 Grad senken, wobei der Druck häufig unter 2,5 MPa liegt. Die Kernlogik solcher Systeme besteht nicht darin, höchste Effizienz anzustreben, sondern in der Nutzung minderwertiger Wärmeenergie (z. B. industrieller Abwärme, Solarenergie, Geothermie) zu erreichen, „Abfälle in Schätze zu verwandeln“. Obwohl ihr thermischer Wirkungsgrad im Allgemeinen zwischen 10 % und 25 % liegt, können sie die ursprünglich verschwendete Wärme in elektrische Energie umwandeln, was sowohl energiesparend als auch für die Umwelt von Nutzen ist. Die Umsetzung von Niedrigtemperaturparametern beruht nicht auf einem hochintensiven Energieverbrauch, sondern passt sich durch spezielle Arbeitsflüssigkeiten oder Zirkulationstechnologien den Temperatureigenschaften minderwertiger Wärmequellen an.

2, Unterschiede in den technischen Wegen von Hoch- und Niedertemperatur-Dampferzeugern

Der Unterschied in den Temperaturparametern führt direkt zu erheblichen Unterschieden in den Kernkomponenten, Zyklusmodi und Systemdesign von Dampferzeugern und bildet so zwei völlig unterschiedliche technische Wege.

(1) Hochtemperatur-Dampferzeuger: technologisches Streben nach höchster Effizienz

Hochtemperaturdampferzeuger, vertreten durch traditionelle Wärme- und Kernkraftwerke, verfügen über den technischen Kern einer „hohen Temperaturbeständigkeit und hohen Druckbeständigkeit“ und erreichen eine effiziente Stromerzeugung durch Materialverbesserungen und Systemoptimierung. Bei den Kernkomponenten, Schlüsselausrüstungen wie Turbinenschaufeln und Kesselrohrleitungen müssen spezielle Materialien wie Legierungen auf Nickelbasis und hitzebeständiger Stahl verwendet werden, um Oxidation, Korrosion und Ermüdung in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck zu widerstehen. Im Hinblick auf die Zirkulation wird üblicherweise der Rankine-Zyklus verwendet, der durch einen Kessel Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt. Nachdem die Dampfturbine ihre Arbeit geleistet hat, wird der Abgasdampf durch einen Kondensator zu Wasser abgekühlt, dann durch eine Speisepumpe unter Druck gesetzt und zum Kessel zurückgeleitet, um einen geschlossenen Kreislauf zu bilden; Beim Systemdesign sind komplexe Geräte zur Temperaturregelung und Druckreduzierung erforderlich, um stabile Dampfparameter sicherzustellen und Geräteschäden aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden.

3, Panorama-Anwendungsszenarien von Hoch- und Niedertemperatur-Dampferzeugern

Die Eigenschaften der Temperaturparameter bestimmen, dass die Anwendungsszenarien von zwei Arten von Dampferzeugern klare Grenzen haben und zwei Hauptbereiche abdecken: zentralisierte Stromversorgung im großen Maßstab und dezentrale Abwärmerückgewinnung.

(1) Hochtemperatur-Dampferzeuger: die Hauptantriebskraft für die zentrale Stromversorgung im großen Maßstab

Hochtemperatur-Dampferzeuger mit ihren Vorteilen hoher Leistung und Effizienz sind zur zentralen Wahl für die zentralisierte Stromversorgung in großem Maßstab geworden. In Bezug auf Anwendungsszenarien sind große Wärmekraftwerke hauptsächlich in kohlereichen Gebieten oder Lastzentren verteilt und decken den Strombedarf der regionalen Industrieproduktion und des Wohnlebens durch thermische Stromerzeugung mit einer Einzelleistung von bis zu einer Million Kilowatt; Kernkraftwerke sind auf die hohe Energiedichte von Kernbrennstoffen angewiesen und befinden sich in Gebieten mit hohem Energiebedarf und hohen Umweltanforderungen. Sie liefern stabilen Grundlaststrom für die Region und erreichen nahezu keine CO2-Emissionen.

Darüber hinaus eignen sich Hochtemperatur-Dampferzeuger auch für große industrielle Eigenkraftwerke, beispielsweise große Unternehmen der Stahl-, Chemie- und anderen Industrien. Sie erzeugen Strom durch die Verbrennung selbst-erzeugter Brennstoffe oder die Nutzung von Prozessabwärme (Hochtemperaturbereich), um ihren eigenen Produktionsstrombedarf zu decken und die Abhängigkeit von externen Stromeinkäufen zu verringern.

4, Branchenentwicklungstrend: Kollaborative Entwicklung von Hoch- und Niedertemperaturpfaden

Getrieben durch die Energiewende und das „Dual-Carbon“-Ziel sind Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Dampferzeuger nicht gegenseitig austauschbar, sondern weisen einen koordinierten Entwicklungstrend von „High-{2}End-Upgrade und Low-{3}End-Erweiterung“ auf.

(1) Hochtemperaturpfad: Aufrüstung hin zu ultraüberkritischen und sauberen Prozessen

Hochtemperaturdampferzeuger werden sich weiterhin in Richtung ultraüberkritischer und nahezu emissionsfreier Dampferzeuger weiterentwickeln. Einerseits können durch Durchbrüche in der Materialtechnologie die Temperatur und der Druck des Frischdampfs weiter erhöht werden, was eine kontinuierliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads fördert und den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen pro Stromerzeugungseinheit senkt; Andererseits können durch die Kombination der CCUS-Technologie (Carbon Capture, Utilization and Storage) nahezu keine Emissionen aus thermischer Energie erreicht werden, so dass diese weiterhin eine stabilisierende Rolle im Grundlaststrom im Energiegefüge spielen kann, auch bei zunehmendem Anteil neuer Energie.

(2) Niedertemperaturpfad: Erweiterung in Richtung Maßstab und hohe Anpassungsfähigkeit

Niedertemperatur-Dampferzeuger eröffnen eine doppelte Chance für groß angelegte-Anwendungen und technologische Verbesserungen. Im Hinblick auf den Anwendungsumfang werden ORC-Niedertemperaturgeneratoren mit der Verschärfung industrieller Energiesparrichtlinien und dem zunehmenden Bewusstsein für die Abwärmerückgewinnung in immer mehr Branchen populär werden und einen großen Markt für die Stromerzeugung aus Abwärme bilden. Im Hinblick auf die technologische Modernisierung werden wir uns auf die Forschung und Entwicklung neuer und effizienter Arbeitsflüssigkeiten, die Verbesserung der Wärmeaustauscheffizienz und die intelligente Steuerung von Systemen konzentrieren, die Kosten für die Stromerzeugung aus Abwärme bei niedrigen Temperaturen senken, die Anpassungsfähigkeit an Abwärmeressourcen unterschiedlicher Temperaturen und Größenordnungen verbessern und die Nutzungsgrenze von Abwärme bei extrem niedrigen Temperaturen (60 bis 80 Grad) erweitern.