NTPC, найбільший енергетичний конгломерат Індії та найбільший виробник вугілля, у березні ввела в експлуатацію першу в країні надкритичну вугільну електростанцію, оснащену конденсатором з повітряним охолодженням (КВО, ACC). Це стало відповіддю на узгоджені зусилля компанії та індійського уряду, якому належить 51,1% акцій компанії щодо створення нових шляхів розвитку вугільної енергетики, які зможуть вирішити проблеми стійкості водних ресурсів.
Електростанція NTPC North Kanapura, що нещодавно відкрилася в районі міста Тандва в штаті Джаркханд оснащена трьома вугільними енергоблоками загальною потужністю 1 980 МВт. Це перший проект в Індії на надкритичному паливі, в якому використовується конденсатор із повітряним охолодженням.
Новаторський КВО був встановлений у штаті Джаркханд на станції NTPC North Kanapura потужністю 2 ГВт, що складається з трьох надкритичних блоків по 660 МВт кожен (рис. 1). Коли в 1990 році індійський уряд задумав створити теплоелектростанцію поряд з кар'єром (в основному через достатню кількість вугілля з прилеглих вугільних родовищ блоку Тандва), початковий проект станції передбачав використання традиційного конденсатора із замкнутим циклом, який мав щорічно споживати 55 мільйонів кубічних куб. . Початкові плани передбачали будівництво греблі заввишки 22,5 метра (м) через прилеглу річку Гархі, притоку річки Дамодар, щоб забезпечити постійне джерело води для задоволення потреб у воді протягом усього терміну експлуатації станції.
Однак для будівництва греблі також знадобилося придбати близько 5 000 акрів землі, а також затопити родючі землі, які обробляють жителі 10 сіл. У 2014 році індійський уряд переглянув свої плани та розглянув можливість будівництва КВО, що потенційно могло б знизити річну потребу у воді майже на третину – до 20 млн. м3.
Зрештою NTPC розробила схему комплексного управління водними ресурсами, яка включала КВО, дрібнішу греблю в межах річки, резервуар сирої води в межах станції і скорочення витрат вдвічі. 1 березня, через дев'ять років після початку будівництва, проект "Північна Канапура" був введений в експлуатацію, що є "справжнім прикладом сталого розвитку".
Перший проект серед вугільних ТЕС Індії.
Однак ця подія примітна тим, що хоча використання технології КВО досить поширене в усьому світі, для індійської вугільної генерації це нова парадигма.
КВО є теплообмінником, в якому пара конденсується всередині оребрених труб з повітряним охолодженням. Це система прямого сухого охолодження. "Потік холодного навколишнього повітря зовні оребрених труб відводить тепло та визначає функціональність КВО", - пояснює компанія SPG Dry Cooling. "На теплових електростанціях пара від вихлопу турбіни надходить у КВО, де відбувається конденсація. Потім конденсат повертається в котел по замкнутому контуру. Так як пара, що виходить з турбіни, знаходиться під низьким тиском, КВО працює при тиску, близькому до вакууму, а гази, що не конденсуються. безперервно видаляються повітровідсмоктувачем".
За даними американської Групи користувачів КВО, першу генеруючу станцію з прямим КВО в Північній Америці, 21,7-МВт вугільну станцію Нілу Сімпсона в Джиллетті, штат Вайомінг, було введено в експлуатацію в 1969 році. До 2008 року сухе охолодження стало стандартною практикою на багатьох теплових електростанціях у США, Європі та Китаї, навіть у тих місцях, де немає дефіциту води.
Але, незважаючи на те, що станом на січень 2023 року Індія покладалася на 179 вугільних електростанцій загальною потужністю 204 ГВт, що забезпечують майже 50% загального обсягу виробництва електроенергії, вона досі не використовувала КВО через високі капітальні витрати, допоміжну енергію. і щодо низького скорочення водного сліду проти водяним охолодженням.
"КВО використовуються для економії води на електростанціях, але негативний вплив таких пристроїв на теплову ефективність електростанцій викликає занепокоєння", - сказав Раві Пракаш, професор машинобудування у Національному технологічному інституті імені Мотилала Неру в Уттар-Прадеш. Ще одна причина, через яку Індія уникає установки КВО, полягає в тому, що КВО та складові компоненти КВО – включаючи трубні пучки, редуктори та вакуумні насоси – зазвичай доводиться імпортувати, що знижує їх конкурентоспроможність за вартістю.
Проте нещодавні події, що свідчать про регіональну вразливість до дефіциту води, а також ініціативи щодо сталого розвитку спонукали енергетичні конгломерати, такі як NTPC, переглянути доцільність та обмеження, пов'язані з КВО. Ці зусилля вписуються в стратегію NTPC з охорони навколишнього середовища, соціального забезпечення та управління (ESG), яка передбачає стійкіший результат для 70-гігабайтного парку компанії, що включає 26 вугільних електростанцій загальною потужністю 51 ГВт.
Наприклад, в рамках ініціативи NTPC ESG компанія робить масштабні зусилля щодо диверсифікації палива шляхом збільшення портфеля відновлюваних джерел енергії з 10 ГВт до 60 ГВт до 2032 року. Поряд із планами щодо виведення з експлуатації 1,4 ГВт вугільних потужностей, компанія планує змішувати до 10% біомаси на існуючих вугільних станціях; вивчити можливість уловлювання, утилізації та зберігання вуглецю на двох вугільних станціях; та скоротити викиди забруднюючих речовин в атмосферу від усього обладнання. Компанія бере активну участь у проектах зі збереження водних ресурсів. Поряд з оснащенням нових станцій КВО, зусилля включають впровадження більш високих циклів концентрації в системах оборотного водопостачання, скидання нульової рідини, видалення шламу високої концентрації та опріснення морської води, у тому числі із систем на основі димових газів.
Дефіцит води – зростаюча проблема для вугільних електростанцій Індії.
Тепер, коли проект North Karanpura запущений, NTPC зосередиться на завершенні другої установки КВО на супертермальному енергопроекті Patratu, що будується в Джаркханді потужністю 2,4 ГВт. Індійський виробник обладнання BHEL уклав контракт на проектування, закупівлю та будівництво для цього проекту.
Однак, за словами Пракаша, Індії буде потрібно набагато більше зусиль для скорочення водозабору та споживання теплової енергії. Приблизно 40% теплових електростанцій Індії розташовані у регіонах з високим рівнем дефіциту води, зазначають Пракаш та п'ять інших авторів у статті "Взаємодія енергії та води для теплової енергетики в Індії: проблеми та можливості". Вони вважають, що "якщо нинішній рівень використання води тепловими електростанціями збережеться, а існуючі нормативні акти щодо водних ресурсів залишаться незмінними, водозабір до 2050 року може зрости у 4,3 раза, а споживання – у 3,2 раза".
Автори вивчили кілька підходів до застосування КВО. Один із варіантів передбачає застосування КВО, що знижують температуру повітря перед надходженням у конденсатор, з використанням парових абсорбційних охолоджувачів. Автори проілюстрували свій аналіз на прикладі гіпотетичного використання технології на 300-МВт енергоблоці JSW Vijayanagar Power Station. JSW – це теплова електростанція, розташована у селі Торанагаллу у штаті Карнатака на півдні Індії. "Температура та відносна вологість навколишнього повітря мають значний вплив на споживання допоміжної енергії КВО. Однак використання КВО було б недоцільним через високе навантаження на охолодження теплових електростанцій. На даний момент кращою альтернативою для їх охолодження може бути використання морської води", - наголошується в статті.
Один з підходів, описаних дослідниками, передбачає забір глибоководної морської води температурою близько 6°C, а потім перекачування її (під тиском 3 бар) приміщення станції. "Спочатку холодна морська вода використовується для охолодження в системі кондиціонування повітря, проходячи через теплообмінник, де вона охолоджує охолоджену воду, що подається, до 10°C. Температура холодної морської води підвищується з 6°C до 14°C; і забезпечує охолодний ефект в 2 515 кВт (майже 716 тонн холоду)". Охолоджувальна вода в конденсаторі, що є при нижчій температурі, ніж на наземних установках, може призвести до зниження тиску конденсації, припускають дослідники. "Таким чином тиск на виході з турбіни можна знизити до 0,05 бар, і може бути отримана вища вихідна потужність порівняно з наземною установкою". За їх словами, після проходження через конденсатор температура охолоджувальної води в конденсаторі знижується приблизно до 26°C, що дозволяє використовувати її для опріснення, щоб отримати прісну воду і сіль як побічний продукт.
Незважаючи на те, що цей підхід обмежений за місцем розташування (тільки установки у прибережних районах), він підходить для Індії, оскільки ця країна має велику прибережну межу. "Порівняно зі звичайними внутрішніми станціями, електрична еквівалентна ефективність пропонованої системи з охолодженням глибоководної морської води вище на 27,7%, що наочно демонструє численні переваги запропонованої системи", - вважають дослідники.