Телефоны +7(495)974-47-81, +7(495)968-06-44, +7(495)988-15-02 факс +7(499)348-11-36

О видах отопления

http://expert.ru/expert/2010/50/defitsit-prodavtsov-buduschego/

 

Дефицит продавцов будущего  «Эксперт» №50 (734) 20 дек 2010

В тепловой энергетике, где производится свыше 70 процентов мировой электроэнергии, остается мало резервов для повышения эффективности


 Юрий Петреня

Александр Крупнов

Почти трюизм: электроэнергетика — одна из самых высокотехнологичных сфер деятельности человечества, что, впрочем, не мешает ей при этом оставаться одной из самых консервативных. Что бы ни говорили сторонники радикальной смены технологического уклада в отрасли, рано или поздно им придется смириться с мыслью, что выплавку алюминия не обеспечить никакими ветряками или солнечными батареями, даже если максимально нарастить их КПД до возможного максимума за счет тех же нанотехнологий. Никакие нанотехнологии, при всей их полезности для той же энергетики, и никакие заботы о природе не приведут к снижению потребления электричества. Почти наверняка на круг выйдет, что оно даже вырастет.

Достаточно почитать специальную литературу или более или менее серьезные форсайтные обзоры, чтобы увидеть почти полное единомыслие специалистов, не отвлекающихся на фантазии и политическую конъюнктуру, связанную с тем же Киотским протоколом. Судя по всему, нам еще долго придется жить при старом электроэнергетическом укладе, и первую скрипку по-прежнему будут играть традиционные технологические платформы — те же, что и сегодня: тепловая, атомная и большая гидравлическая энергетика (подробнее см. «Шаг за шагом к намеченной цели» в «Эксперте» № 37 за 2009 г.). Мало того, роль органики еще больше возрастет — прежде всего за счет увеличения объемов использования угля.

Споры о месте старого и нового, то есть тех же возобновляемых источников и «интеллектуальных» сетей, по сути дела паллиативов, заменяют собой обсуждение главной проблемы, а именно взрывного роста энергопотребления. Остается малозаметной и другая важная тема глобального значения. У тепловой энергетики, в которой производится больше 70% мировой электроэнергии, уже очень мало резервов для повышения эффективности, и дальнейшее ее развитие сопряжено с такими проблемами научно-фундаментального, технико-экономического и ресурсного характера, что впору говорить о скором технологическом тупике, который ждет эту отрасль. Прежде всего речь идет о парогазовых установках и угольных блоках на суперсверхкритические параметры пара (ССКП). Отметим, что с теми же проблемами все чаще придется сталкиваться и в ядерной энергетике, но это отдельная тема.

Примеры роста КПД газовых турбин (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ) за последние двадцать лет приводит в одном из обзоров компания Siemens. Так, в 1992 году лучший отраслевой показатель эффективности среди ПГУ (речь идет, конечно, о пилотных, единичных тогда блоках) составлял около 52%, или около 50% от теоретического. В 1996 году КПД подрос до 56%. В новое тысячелетие мы вступили с эффективностью ПГУ 58%, в то время как следующих двух процентов пришлось ждать еще целое десятилетие. Компании-лидеры (та же Siemens, General Electric, Alstom) достигли КПД 40% на турбинах мощностью свыше 250 МВт (Siemens SGT5-8000H мощностью 375 МВт, GE 9001H мощностью свыше 300 МВт и Mitsubishi Heavy Industries серии J мощностью 320 МВт). Это означает КПД 60% в комбинированном цикле с паровой турбиной, то есть в ПГУ, или уже 84% от теоретического. Постепенно можно было бы набрать (и скорее всего наберут) еще 2–3%. Но дальнейшего значительного скачка за счет роста начальных температур ГТУ (в SGT5-8000H, к примеру, температура на входе в турбину уже достигает 1500 градусов!), а значит, и сколько-нибудь значительного роста КПД ожидать не приходится. Реалисты говорят, что теоретически температуру перед входом в турбину повысить возможно, но стоимость разработки, создания и тиражирования систем охлаждения, материалов для жаропрочных деталей турбины (лопаток, проточной части) и совокупная цена владения таким устройством для эксплуатационных организаций будут настолько велики, что «съедят» любые возможные выгоды от полученного повышения эффективности.

То же с ССКП. В современных угольных паросиловых блоках, работающих на суперсверхкритических параметрах, уже достигнут КПД 47–48%. Можно было бы со временем довести этот показатель до 53–55%. Еще большего увеличения давления и температуры пара в блоках можно достичь только за счет многомиллиардных затрат на НИОКР. Но дальнейшее развитие именно массовых эффективных технологий упирается в ресурсное обеспечение.

О технологических и ресурсных тупиках мы поговорили с очень авторитетным человеком в тепловой энергетике — Юрием Петреней. Он долгие годы проработал генеральным директором легендарного в отрасли Центрального котлотурбинного института, а теперь занимает должность технического директора в ведущей энергомашиностроительной компании страны «Силовые машины».

 Юрий Кириллович, все твердят об отставании России вэлектроэнергетике от передовых мировых технологий.

— У нас любят, чтобы мы от кого-то отставали, особенно когда разговор идет не в профессиональной среде. Но это же не совсем так. А где-то совсем не так. Когда вы говорите об отставании, нужно сначала определиться, по каким параметрам и критериям идет сопоставление. К примеру: есть ли у нас оборудование для различных видов топлива? Есть. Достаточна ли линейка этого оборудования, например по мощности? Достаточна. И в паротурбинном, и в атомном оборудовании существуют востребованные потребителями диапазоны мощностей. По крайней мере, наши производственные мощности загружены заказами на годы вперед. Мы — мировые лидеры в области быстроходных технологий для оборудования машинного зала АЭС. У нас в России есть определенные проблемы с мощными газовыми турбинами. Но мы понемногу расширяем линейку мощностей. В будущем году пройдут, по крайней мере я на это надеюсь, промышленные испытания турбины средней мощности ГТ-65 нашей собственной разработки. Мы уже изготовили и эксплуатируем около тридцати турбин класса 160 мегаватт. В ближайшее время в «Силовых машинах» пойдет в производство проект 170 мегаватт, ведется работа над проектом газовой турбины F-класса. Если же мы сравниваем оборудование по определенным характеристикам, то, к примеру, российское гидрооборудование по параметрам эффективности, коэффициенту быстроходности находится на мировом уровне, а по новому поколению систем диагностики и мониторинга состояния существенно его превосходит. То же с турбогенераторами.

 Зато и цены на эту технику на мировом уровне.

— Это не так. Я как-то в Академии наук делал доклад и говорил там о многомерном характере понятия «конкурентоспособность». Оно включает в себя уровень технических характеристик, сервис, логистику, цену, лоббирование, господдержку и так далее. И поэтому если мы говорим об отдельных ценовых или прочих параметрах, то это лишь одна оторванная составляющая из всего этого огромного поля, определяемого словом «конкурентоспособность». Пусть какой-нибудь сбытовик попробует продать турбину только по одному параметру, забывая о комплексе других параметров, например только по цене, — не получится.

Вопрос об отставании, мне кажется, следует переформулировать в несколько иной плоскости. Как долго будет востребовано оборудование, которое существует сегодня у нас, или у Siemens, или у Alstom? Любой исторический период, связанный с определенными технологиями, рано или поздно заканчивается. На смену ему приходит другой. Видны стратегические ориентиры, куда надо стремиться, но есть ли стратегические программы под них? Вот с этим у нас в стране, особенно с точки зрения наличия национальных программ развития продукции отечественного энергомашиностроения, курируемых государством, дела обстоят неважно. А ведь, как говорил Наполеон, лидер — это продавец будущего.

 О каких стратегических ориентирах идет речь, если говорить о развитииэнерготехнологий?

— Вы и сами об этом пишете. Они связаны с несколькими достаточно известными положениями. Первое — есть сильный рост потребности в генерации. Прежде всего просто потому, что растет численность населения: если в шестидесятые годы было два миллиарда, то сейчас нас уже шесть миллиардов. Потом, у нас есть один «золотой миллиард», но он грозит в не таком уж далеком будущем прирасти еще двумя, энергопотребление которых пока в разы, а иногда и на порядки ниже, чем у «золотого». Представляете потенциал роста энергопотребления, если уровень их жизни хотя бы только начнет приближаться к нашему? Таким образом, у нас есть потребность в растущем энергообеспечении, и это глобальная задача, всем очевидная, и никуда мы от нее не уйдем.

Второе — за счет каких энерготехнологий решать эту задачу. Здесь очевидно, что выбор типа генерации и развитие технологий прежде всего зависят от прогнозируемого топливного баланса. Причем от топливного баланса в части возможности его обеспечения на уровне государства или региона, такого, например, как Европейский союз. США пытаются максимально уменьшить зависимость от нефти: в течение ближайших десяти лет на 30 процентов уменьшить объем мазута в топливном балансе, на котором у них вырабатывается 10 процентов электричества, — за счет угля. Европа прежде всего пытается избавиться от газовой зависимости, делает ставку на возобновляемые источники энергии. В то же время у них есть потребность в приросте электроэнергии, которую нельзя покрыть ветряками, но есть бурые угли, и, конечно, они будут строить угольные блоки — и уже строят. Япония, не имея собственных источников сырья, развивает все направления, Китаю и Индии тоже некуда уйти от угля.

Серьезным специалистам очевидно, что в недалеком будущем уголь в глобальном масштабе все-таки будет основным источником генерации. В балансе мировой электроэнергетики он занимает сейчас более 40 процентов, через двадцать лет, несмотря на давление все ужесточающихся экологических нормативов, его доля все равно вырастет еще на четыре-пять процентов — из-за повсеместной доступности и относительной дешевизны этого вида топлива. Его хватит на сто — сто пятьдесят лет. Но в стандартных установках уголь сжигается сейчас с эффективностью в лучшем случае 35 процентов, а средний эффективный КПД станций, построенных более четверти века назад (а таких почти две трети от всех угольных ТЭС), и вовсе равен 29 процентам. Заметьте: не у нас — в мире. По крайней мере, такие данные приводило Международное энергетическое агентство какое-то время назад. Сейчас, скорее всего, средний КПД выше из-за масштабного ввода Китаем современных угольных станций.

 Понятно, что надо сжигать уголь с высоким КПД.

— Да, и проблема высокоэффективного сжигания угля в последнее время постоянно выходит на передний план, в том числе из-за проблемы парниковых газов, как бы к ним ни относиться. С использованием газа с технологической точки зрения все ясно — его надо сжигать в газовых турбинах парогазовых установок, по-другому его использовать совершенно неразумно и расточительно. Как развивать газотурбинные технологии, тоже понятно — повышать температуру газа перед входом в турбину, тогда по циклу Карно выше КПД турбины и, как следствие, ПГУ. Надо увеличивать единичную мощность турбины — тогда ниже удельная себестоимость, капзатраты. Mitsubishi, в частности, уже заявила о работе над энергетической турбиной с 1700 градусами на входе и мощностью свыше 300 мегаватт. Siemens работает над H-серией со сходными параметрами. Правда, им все чаще приходится сталкиваться с нюансами фундаментального толка. Как только вы «прыгаете» выше 1500 градусов, при сжигании начинают резко расти выбросы оксидов азота, и вам нужно отработать процесс сжигания очень серьезным образом, чтобы снизить себестоимость затрат. К тому же чем выше температура, тем сложнее обеспечить металлургические ресурсы. И с углем так же.

Что касается этого топлива, я сейчас оставляю за кадром вопросы, связанные с его газификацией и последующим сжиганием синтез-газа в тех же парогазовых установках, так как думаю, что котельные технологии сжигания останутся основными. А с ними в целом тоже все понятно: для повышения эффективности энергоблоков надо повышать параметры температуры и давления пара. Другой вопрос — как этого добиться и какой ценой.

 

Юрий Петреня

Александр Крупнов

 Не секрет, что речь идет о повышении параметровблоков до суперсверхкритических.

— Да, на станциях с ультрасуперкритическим паровым циклом (USC — такой термин принят на Западе). Принято считать, что это параметры свыше 300 атмосфер при температуре около 600 градусов по Цельсию и выше (с КПД до 45–47 процентов). Сейчас занимаются разработкой технологий и так называемой продвинутой суперсверхкритики (Аdvanced — A-USC) с параметрами свыше 350 атмосфер и 700 градусов и КПД свыше 50 процентов. Но производители стараются называть суперсверхкритическим любое оборудование, которое работает при параметрах более 566 градусов. Я считаю, что привязывать параметры ССКП надо к 593 градусам. Дело в том, что 566 — это уже пройденный этап, то, что было нами освоено уже в шестидесятые-семидесятые годы, а начато и того раньше. Тогда уже ЛМЗ изготавливал турбины, а машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» — котлы, работающие с такими параметрами. В 1969-м на Каширской ГРЭС была даже установлена экспериментальная стомегаваттная турбина с параметрами пара 300 атмосфер и 650 градусов.

 Мы говорим о ССКП как о перспективной технологии, а вы заявляете,что в шестидесятые годы уже выпускалось оборудование под такиепараметры работы...

— Так и есть. Эта история напрямую выводит на проблемы, связанные с перспективными разработками в этой области. В шестидесятые годы были спроектированы серийные блоки на 580 градусов. Заметьте, серийные. Более того, эти блоки были построены. Правда, затем из-за проблем с трубами поверхностей нагрева и паропроводов температуру снизили сначала до 565 градусов, а потом и вовсе ушли на 545.

 Считается, что главная проблема создания угольных блоков ССКП —материаловедческая, между тем многие сплавы разработаны ужепятьдесят лет назад.

— Действительно, что касается ССКП, то многие металлы на эти параметры разработаны давно, их можно выпускать промышленно. Конечно, ряд материалов разрабатывался и позже. Шла работа над теплоустойчивыми сталями мартенситного класса взамен ранее применявшихся сталей аустенитного класса, которые повышали металлоемкость и стоимость оборудования и в придачу не могли обеспечить надежную работу оборудования при переменных режимах эксплуатации. На первое место здесь уже выходят соображения технико-экономического порядка. Как в нашей истории: сделали трубы толще из-за перегрева паропроводов — и получили в масштабах энергоблока, а уж тем более в рамках всей энергетики, существенное повышение себестоимости. Именно поэтому, когда мы говорим, в частности, о суперсверхкритических параметрах в угольных блоках, то, казалось бы, логика развития понятна: было оборудование на 560 градусов, а через двадцать лет будет на 750. Но на деле никто не может сегодня сказать с полной уверенностью, будет ли такое оборудование основным через двадцать или через сорок лет и будет ли оно вообще сколько-нибудь распространенной технологией.

 Странное заявление. Мы же имеем дело с оборудованием с длиннымипроизводственными циклами — от его разработки до снятия сэксплуатации проходят десятилетия. Если мы сейчас работаем ивколачиваем миллионы, миллиарды в разработку этих новых станций,неужели мы не можем предсказать, что будет с ними через сорок лет?

— Знаете, есть некие тенденции: вот прошлое, по которому мы можем сказать, что происходило. По этому прошлому мы видим, например, как повышались параметры последние пятьдесят-шестьдесят лет. Оборудование с параметрами 510–540 градусов составляло основную долю энергооборудования с пятидесятых до начала семидесятых годов, а затем, с семидесятых до настоящего времени, было построено большое количество блоков с параметрами 560–580 градусов, с середины девяностых началось строительство блоков класса параметров 600 градусов. Можно было бы, используя ту же самую лесенку роста параметров, продолжать экстраполировать это знание на будущее. Сейчас мы наблюдаем рост числа блоков на USC-параметры, и если вышеупомянутые тенденции сохранятся, то это оборудование может стать основным в ближайшие двадцать-тридцать лет. Следующая ступенька — это уже advanced-технологии на 700–750 градусов, от которых ожидают КПД свыше 50 процентов, но станут ли они сколько-нибудь массовыми, можно будет сказать в лучшем случае лет через двадцать.

 Поясните, такой пессимизм обусловлен материаловедческимипроблемами?

— Повторю: не столько материаловедческими, сколько технико-экономическими. Смотрите, для распространенных сейчас сверхкритических блоков используется большое количество достаточно простых с точки зрения металлургии классических теплоустойчивых сталей, которые можно выплавлять в больших объемах, их обработка несложна и технологична. В результате вся эта производственная цепочка, в том числе за счет серийности, массовости, по стоимости является приемлемой.

Но блоки ССКП — это уже другой уровень по внутренней себестоимости: теплоустойчивые стали мартенситного класса пришли взамен аустенитным сталям, из-за этого на всех этапах производства существенно возрастают требования к технологии, к качеству, поэтому в части металлургического производства трудно производить большие объемы, а в части машиностроения трудно эти металлы обрабатывать. Как раз из-за отсутствия соответствующих марок сталей и технологий их получения и обработки развитие очень долго задерживалось (почти на пятьдесят лет!), и только в последние несколько лет строительство суперсверхкритических блоков активизировалось.

 Пять лет назад мне говорили, что в Дании, Японии и Германии действует 16 угольных энергоблоков ССКП мощностью 380–1050 мегаватт.

— За последние годы построено станций ССКП общей установленной мощностью около 70 тысяч мегаватт. В Дании три блока по 440 мегаватт, на 600 градусов. Вводит суперсверхкритику Япония. Там в 2008 году принята национальная программа «Холодная земля», ее цель — разработка оборудования на 700–720 градусов. Несколько блоков японцы строят сейчас в Европе. Hitachi в 2010–2011 годах введет два блока в Германии — Boxberg R и Datteln 4 — и два в Голландии вблизи Северного моря — Walsum10 and Convoy мощностью от 670 до 1100 мегаватт и с КПД около 45 процентов. Сейчас и в Евросоюзе в рамках программы Termiproject идет разработка (предполагается завершить ее к 2015 году) угольного энергоблока с температурой пара выше 700 градусов и давлением 375 атмосфер. КПД энергоблока по плану должен составить свыше 50 процентов и может достичь 53–54 процентов, а еще через пятнадцать лет и вовсе 55 процентов при температурах пара до 800 градусов. В Америке департамент энергетики поддерживает несколько программ по развитию USC, в том числе на параметры 760 градусов, выделяя на это приличные деньги.

Китайцы за десять лет сделали 22 блока. Шестнадцать из них, если не ошибаюсь, по 660 мегаватт, шесть — по 1000 мегаватт. Это уже серия. Более того, у них в пятилетнем плане строительство демонстрационного блока на 700–720 градусов, что с точки зрения экономики, казалось бы, не лезет ни в какие ворота, но они мне сказали, что сделают. Мы участвуем с несколькими партнерами в проекте «Ультрасуперкритические параметры пара». Начался другой проект, его ведет «Роснано», — создание металлов со свойствами, необходимыми для блоков ССКП. И в этом проекте мы вместе с «Интер РАО», «ЭМ-Альянсом». Цель проекта — создание коммерческого блока мощностью 660 мегаватт класса параметров 600 градусов. Объем его применения будет, конечно, зависеть от ряда условий. Но понятно, что об отработке технологии массового производства таких блоков речи пока и близко не идет.

 Почему?

— Почему бы не снести все старое и не поставить везде суперсверхритику? Мы, конечно, получили бы при этом выигрыш в КПД в четыре процента на блок и даже больше, что, конечно, очень существенно. Но с другой стороны, мы получим и прибавку себестоимости, потому что мы должны использовать другие материалы, другие технологии их изготовления, более широко применять сварку и так далее. При переходе от 560 к температурам выше 600 градусов и более высоким нужен новый класс материалов. При температурах 540 и даже 560 градусов мы можем использовать низко- и среднелегированные теплоустойчивые стали, в которых примерно один процент хрома и один процент молибдена. Если вы эти все проценты сложите, то выяснится, что там, условно говоря, 97 процентов железа и только три процента других легирующих элементов. А для создания материалов после 600 градусов добавляется 11–12 процентов хрома и много других компонентов. Выплавка другая. И в результате у нас уже будет 15 процентов дорогостоящих компонентов и 85 процентов железа. Усложняется обработка такого металла. Мы переходим на качественный скачок и по трудоемкости, и по обеспеченности ресурсами. Представьте, что раньше вы складывали дом из песка, потом начали подмешивать цемент. А теперь вы должны пилить гранит и складывать здание уже из него. И сейчас все НИР в этой области посвящены поиску: можно ли из гранита сделать что-то более или менее массовое, есть ли хотя бы какой-то шанс на это? За счет чего? Например, попытаться уменьшить долю никеля в никелевых сплавах, применяя более дешевые составляющие. То есть идут попытки добавить если не песок, то хотя бы цемент, чтобы как-то удешевить строительство. И тогда возникает другая проблема — надо научиться сцеплять гранит с цементом (например, получить технологии сварки композитных материалов наборных роторов паровых турбин), и неизвестно, будет ли вообще эта смесь держаться сколько-нибудь приемлемое время.

 А что вы имеете в виду, говоря о проблемах с ресурсным обеспечением?

— Переход на температуры выше 700 градусов невозможен без никелевых сплавов и специальных защитных покрытий, систем охлаждения (там кроме никеля другие сплавы не очень-то себя оправдали на таких температурах). Казалось бы, если лопатки газовой турбины делаются на температуры выше 1000 градусов, то материалы есть, а значит, сделать из них те же трубки на 800 — нечего делать. Но это не так: на угольных станциях на порядки большая металлоемкость. Блоки могут быть очень дорогими и не очень технологичными (кстати, некоторые компоненты в таком масштабе при имеющихся технологиях даже и не сделать из этих сплавов), так что надо подумать, при каких условиях ими вообще следует заниматься — я имею в виду промышленные технологии, конечно, а не исследовательские работы.

Есть и другая сторона, связанная с ресурсами. Надумай мы, не считаясь с расходами и решив все технологические проблемы, заменить старые станции на advanced, то и тогда бы не смогли. На это просто может не хватить всех мировых ресурсов никеля — если вместо «золотого миллиарда» будет «трехкратный золотой миллиард», то в Норильске будут вырыты все шахты до основания. По крайней мере, мне неизвестно, проводилась ли оценка необходимых объемов никелевых сплавов, никеля и других легирующих элементов, если покрыть перспективную потребность в угольной электрогенерации только блоками на advanced-параметры.

 А ядерная энергетика?

— По тем же ресурсным и экономическим соображениям и при нынешней логике развития отрасли проблемы здесь возникнут довольно быстро.

 То есть вы описываете такой ресурсно-технологический тупик. Как-тогрустно все это.

— Зато мы приходим к вполне понятному видению ситуации. Первое — должны быть разработаны эффективные дешевые методы массовой модернизации действующего оборудования с целью повышения его эффективности, потому что совершенно очевидно, что провести массовую замену оборудования не получится. Ни одна страна не позволит себе снести всю энергетику и поставить новое высокоэффективное оборудование. Немцы продолжают эксплуатировать станции, которым по сорок лет. Американцы тоже эксплуатируют старые станции. Мало кто знает, что у японцев проект создания паросилового оборудования с ресурсом сто лет. Причем один из вариантов модернизации, который они разрабатывают, — применение advanced свыше 700 градусов для модернизации старых ТЭС. Если эта программа завершится успешно, то они получат принципиально новые методы реконструкции старых станций, которых не будет у конкурентов. Представьте, что у вас есть старая станция с 34 процентами, а к вам приходят и говорят: давайте мы вам за полстоимости новой станции повысим до 44 процентов, и при этом она будет у вас двадцать лет работать.

Второе — новое строительство никто не отменял, но оно, конечно, должно исходить из задач очень большой оптимизации большего числа параметров. Тем более в той же Европе. Нужно место под строительство, а это десятки гектаров. Есть требования по выбросам углекислого газа. А это сразу определяет выбор оборудования. И есть требования по возврату инвестиций. А это опять-таки нужно изыскивать возможности господдержки покрытия затрат на НИОКР и компенсации рисков освоения головных образцов. Мне кажется, проблема нового строительства в нашей стране должна рассматриваться с учетом того, что у нас нет роста населения, нет мощного развития энергоемких производств, а есть необходимость обеспечения энергетической безопасности и регулирования частоты и мощности при большом парке сильно изношенного энергооборудования и изменяющейся структуре энергомощностей. Кроме того, в стране существует гигантский ресурс — радикальное энергосбережение. Нужно без лишней шумихи заниматься модернизацией и вести, все тщательно взвесив, новое строительство.

 

График 1

Прогноз потребления энергоресурсов в базовом сценарии


График 2

Приросты энергоптребления в базовом сценарии


График 3

Глобальная электрогенерация