Opis projektu

Awarie orurowania kotła są główną przyczyną przymusowych przestojów kotła i stanowią dużą część kosztów urządzeń do produkcji energii elektrycznej. W samych Stanach Zjednoczonych straty związane z korozją wynoszą 6,9 miliarda dolarów rocznie. Wraz z rosnącym zainteresowaniem wdrażaniem stopniowego spalania, mającym na celu zmniejszenie emisji NOx, problem wyraźniejszych stref redukcyjnych staje się coraz poważniejszy. W strefach redukcyjnych korozja zachodzi szybciej, zaś osady, charakteryzujące się niższą temperaturą topienia w porównaniu do odpowiednich osadów powstających w warunkach nad-stechiometrycznych, wpływają na stopień wymiany ciepła i żywotność płaszcza wodnego kotła, która, w pewnych przypadkach, może zostać skrócona nawet do jednego roku. Aspekt współspalania różnych mieszanek węgla (mającego na celu obniżenie kosztów paliwa) czy węgla wraz z innymi paliwami takimi jak biomasa i paliwa alternatywne RDF - Refuse Derived Fuels (w celu zmniejszenia emisji CO2), wpływa na procesy korozji i zużlowania w kotle. Znane są przypadki, w których nieprawidłowy wybór mieszanki paliwowej dla danego kotła powodował poważne uszkodzenia kotła nawet w przeciągu kilku tygodni.

Innowacyjnością w projekcie CERUBIS jest połączenie istniejących czujników używanych w różnych gałęziach przemysłu, rozwinięcie nowych czujników i ich adaptacja w celu stworzenia zintegrowanego systemu monitorowania korozji on-line w kotłach, opalanych węglem kamiennym i brunatnym, spełniających wymogi niskiej emisji NOx. Celem projektu CERUBIS jest uzyskanie jednego połączonego systemu do monitorowania korozji - Zintegrowanej Inteligentnej Platformy Operacyjnej Kotła (Common Intelligent Boiler Operation Platform – CIBOP), a także integracja koncepcyjna systemu CIBOP z systemem kontrolnym kotła. Umożliwiłoby to lepsze zautomatyzowanie obsługi kotła i utrzymywało ryzyko zaistnienia korozji i żużlowania na poziomie minimalnym, a jednocześnie zapewniało odpowiedni poziom emisji NOx. Wspomaganie przestrzegania norm środowiskowych i obniżenie kosztów remontów, lepsza kontrola procesów korozji i żużlowania ma również bezpośredni wpływ na ogólną sprawność kotła, a tym samym opłacalność procesu wytwarzania energii. To z kolei skutkuje lepszą konkurencyjnością kotłów (współ)spalających węgiel. W związku z tym, projekt CERUBIS ma na celu zwiększenie elastyczności, funkcjonalności i ekologiczności elektrowni węglowych, jednocześnie unikając zwiększenia wydatków związanych z niespodziewanymi przestojami kotła.

Główne innowacje oferowane przez projekt CERUBIS to:

  • Wytworzenie, optymalizacja i walidacja różnych narzędzi do monitorowania online procesów korozji i żużlowania.
  • Wprowadzenie narzędzi monitorujących korozję i żużlowanie do Zintegrowanej Inteligentnej Platformy Operacyjnej Kotła (Common Intelligent Boiler Operation Platform – CIBOP)
  • Zbadanie i walidacja różnych dostępnych i nowo-wyprodukowanych czujników służących do kontroli korozji w surowym środowisku spalania węgla.
  • Rozwój i implementacja inteligentnego oprogramowania (CIBOP) w dwóch kotłach z różnymi systemami de-NOx.
  • Rozwój i badanie dedykowanych modeli CFD służących symulacji numerycznej warunków w pobliżu ścian kotła.
  • Ocena wyników w odniesieniu do potencjału działania w elektrowni.

Projekt podzielony jest na cztery merytoryczne zestawy zadań (Work Packages - WP):

WP1 Zdefiniowanie warunków brzegowych zjawisk korozji i żużlowania dla różnych wymogów dotyczących emisji.

Pierwszy zestaw zadań skupia się na badaniach zjawiska korozji i żużlowania w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej. Jego główne cele to: 

  • Określenie zachowania się zjawisk korozji, żużlowania i przyrostu osadów eksploatacyjnych w zależności od stopnia ograniczeniu emisji (NOx, CO2) dla różnych typów materiału rury kotła i przy użyciu różnych paliw.
  • Uzyskanie obszernych informacji dotyczących czynników powodujących korozję, przyrost osadów
    i narastanie żużla w kotle oraz danych, które będą wykorzystane w utworzonych w innych zestawach zadań inteligentnych systemach czujników. 
  • Uzyskanie rzeczywistych danych z dwóch kotłów parowych w celu określenia zachowania się zjawisk korozji i żużlowania,  przetestowania i walidacji utworzonych systemów czujników oraz walidacji modeli CFD (obliczeniowej mechaniki płynów).

Dodatkowo, dane diagnostyczne dotyczące odpowiednich warunków pracy kotła zostaną uzyskane podczas dwóch kampanii pomiarowych, na początku i na końcu projektu. 

WP2 Rozwój, walidacja i integracja różnych czujników korozji oraz żużlowania.

Kolejny zestaw zadań koncentruje się na opracowaniu i testowaniu różnych typów sensorów, platform czujników i systemów czujników. Głównymi celami są:

  • Utworzenie listy potencjalnie dostępnych czujników korozji i żużlowania oraz mierników ilości przepływu pary, które będzie można wykorzystać w kotłach parowych obecnie oraz w przyszłości.
  • Wyznaczenie najbardziej obiecujących czujników dedykowanych do ciężkich warunków pracy w elektrowniach.
  • Wyprodukowanie lub zamówienie, a także walidacja trzech zintegrowanych „platform czujników”, które następnie zostaną poddane badaniom w skali pilotażowej oraz rzeczywistej.
WP3 Opracowanie narzędzi inteligentnego oprogramowania do wizualizacji, monitorowania, sterowania i optymalizacji oraz jego integracja z różnymi systemami czujników.

Zakres trzeciego zestawu zadań to integracja wcześniej opracowanej plaformy czujników z istniejącym systemem kotroli i diagnostyki kotłów. Głównymi celami w tym zadaniu są:

  • Integracja systemów czujników na poziomie koncepcyjnym.
  • Wykonanie projektu koncepcyjnego, jego realizacja, testy w skali pilotażowej a także walidacja zintegrowanych systemów czujników w skali pilotażowej, gotowych do produkcji, zainstalowania i przetestowania w ramach kolejnego zestawu zadań.
  • Opracowanie oprogramowania opartego na sztucznej inteligencji oraz systemów inteligentnych.
  • Wykonanie, przetestowanie oraz walidacja Zintegrowanej Inteligentnej Platformy Operacyjnej Kotła (Common Intelligent Boiler Operation Platform – CIBOP).
  • Wykonanie, przetestowanie oraz walidacja modeli CFD do symulacji warstwy przyściennej kotła. 
WP4 Testy opracowanych systemów monitorowania i optymalizacji w skali rzeczywistej w dwóch lokalizacjach.

Zadania w czwartym zestawie skupiają się na optymalizacji nowo wytworzonych systemów w warunkach skali przemysłowej. Przewidywany zakres prac obejmuje:

  • Przeprowadzenie pomiarów grubości ścian w celu walidacji i sprawdzenia systemów czujników oraz inteligentnego oprogramowania (CIBOP).
  • Testy, walidacja i badania zachowania się czujników i systemów czujników w ciężkich warunkach pracy kotła.
  • Badanie zjawisk korozji i żużlowania w warunkach skali rzeczywistej podczas spalania węgla kamiennego i brunatnego, przy zapewnieniu spełnienia wymogów niskiej emisji zanieczyszczeń.
  • Walidacja i udoskonalanie narzędzi inteligentnego oprogramowania – CIBOP i pomocniczych modeli numerycznych.

Aby pokryć szerszy zakres paliw i technologii, testowanie i walidacja zostanie przeprowadzona w dwóch osobnych kotłach opalanych różnymi węglami: kamiennym (Opole) i brunatnym (Bełchatów). Ponadto, kotły te wyposażone są w różne systemy de-NOx. Również wysoka zawarość wilgoci w spalinach ze spalania węgla brunatenego stanowić będzie wyzwanie dla odporności mechanicznej i długowieczności sensorów.