Арматура в альтернативных источниках энергии. Опыт США

Стадия развития альтернативных источников энергии является длительной. Существует множество мнений, как быстро это произойдет. Большинство экспертов считает, что пройдут десятилетия, прежде чем технологии будут достаточно совершенны и эффективны, чтобы отказаться от испольования нефти и газа.
Министерство энергетики в своем ежегодном прогнозе «Annual Outlook 2007» утверждает, что нефть, уголь и природный газ будут занимать ту же долю рынка энергетического сырья США в 2030 году, что и в 2005, а именно 86 %.
Это не означает неудачу использования альтернативных источников энергии. Это является следствием их медленного проникновения на энергетический рынок. Другой причиной является продолжающийся рост спроса на электрическую энергию в ближайшие 25 лет. Однако производства и распределительные станции, которые были построены на первой волне развития этих технологий, нуждаются в большом количестве трубопроводной арматуры и приводов. Особенно это касается технологических процессов с высокими рабочими темературой и давлением, а также атомной энергетики, которую никак нельзя отнести к безопасным технологиям.
Спрос на арматуру высоких параметов и приводы будет возрастать по мере развития производства электроэнергии с помощью альтернативных источников. Это приведет к тому, что многим производителям арматуры придется увелить инвестиции в научно–исследовательские и конструкторские разработки. Эксперты, работающие в сфере таких технологий, как газификация угля, атомная энергетика и применение водорода в качестве топлива, считают, что рабое условия этих производств требуют создания специальной арматуры с заданными свойствами — обычная арматура или изделия со склада не подойдут. Так, уже сегодня, производителям арматуры для атомных станций необходимо получить маркировку «N» (nuclear), что указывает на то, что они должны ответь строжайшим требованиям к качеству и предоставлению необходимой документации на свои изделия.
АЭС имеют самые жесткие технические стандарты на арматуру и приводы, которые продолжают совершенствоваться из–за угозы катастрофического сбоя в работе. Первую из энергетических станций нового поколения, которая будет называться Gen III, планируется построить в США в 2010 г. (это будет первая американская атомная станция, построенная с 1996 года).
Атомные станции нового поколения будут работать совсем не так как старые. Следовательно, требования к арматуре для защитных оболочек атомного реактора будут сильно отличаться. Следующей ступенькой в проектировании атомных станций будет Gen IV (АЭС четвертого поколения). Специсты сейчас занимаются проектированием этих станций, хотя их строительство начнется не раньше 2030 года. Сегодня даже не существует конструкций арматуры, которые смогли бы функционировать в высокотемературных условиях АЭС нового поколения.
Уже разработаны около дюжины техноогий чистых, возобновляемых источников топлива и энергии. Это:
• энергия ветра, солнца и геотермальных вод (наиболее чистые и удобные виды энергии);
• применение водорода в качестве топлива (в 2–3 раза эффективнее и экономичнее традиционных двигателей внутреннего сгорания);
• биологические массы (этанол и октан, получаемые из зерна, тростникового сахара и крахмала);
• газификация угля — проект разрабатывается при поддержке Министерства энергетики США. В ноябре 2006 года 9 фирмам на разработку этой технологии был выделен 1 миллиард долларов.
Большинство альтернативных энергостанций используют традиционные арматуру и приводы. За исключением критических усовий эксплуатации, американские арматуостроители могут применять свои изделия на этих станциях. Причиной являются как стоимость, так и эксплуатационные характестики. Поставщики (подрядчики) стремятся использовать недорогую арматуру для критических применений. Они не хотят использовать отбросы со вторичного рынка, но и не собираются платить дважды, если арматура предназначена для обычных условий эксплуатации. Самое большое требование к конструкции арматуры — это работа при повышенном давлении, так как больнство станций работает при значительных показателях давления и температуры.
Сегодня на нефтеперерабатывающих и химических производствах не производят этанол. Он производится исключительно на Среднем Западе отдельными фирмами, которые получают его из зерна. В течение следующих 20 лет такие фирмы, как Chevron, будут заниматься исследованием вопроса, как преобразовать биомассу в биотопливо, которое можно использовать на существующих перерабатывающих заводах. Неизвестно, повлияет ли это на конструкции арматуры и насосов, но следует тщательно рассмотреть все аспекты переработки биомасс. Это поможет создать лучшую техноогию и инфраструктуру для ее обеспечения, в том числе необходимую арматуру.
Если говорить об использовании альтернативных источников энергии, спрос на арматуру и приводы менее спекулятивный. Например, для транспортировки жидкого водорода могут потребоваться новые конструкции арматуры, что вызвано их экстремальными температурами и химическим строением. Большинство арматуры, разработанной для низких температур, имеет нижний предел до температуры жидкого азота. Температура же жидкого водорода значительно ниже. Температура кипения жидкого азота –196 °F, тогда как жидкого водорода –423 °F. Даже газообразный водород вызывает трудности для проектантов арматуры.
Предстоящий бум при строительстве атомных станций Gen III вызывает сомнения, что спецификации на арматуру для нее будут значительно отличаться от использующихся сейчас для традиционных атомных электростанций. Для защитных оболочек реактора требуется арматура, способная противостоять более суровым сейсмическим нагрузкам. Арматура должна оставаться работоспособной в течение 20 минут при температуре 370° по Фаренгейту, а при темературе 200 °F — в течение 50 дней при уровне гамма–излучения до 375 мрад (миллирад), а в случае аварии арматура должна сработать, чтобы заполнить реактор охладителем. В первую очередь это коснется спецификаций на уплотнения из эластомеров. Большинство традиционных употнений просто не смогут противостоять воздействию такой радиации. Автор убежден, что эластомеры будут заменены стойкими к радиации материалами для того, чтобы обеспечить надежную работоспособность арматуры.
Он также отметил, что такие интелектуальные системы управления арматурой, как цифровые позиционеры, найдут более широкое применение на технологических производствах благодаря потребности в упреждающем регулировании и возможности отслеживания усовий эксплуатации. Они должны также надежно функционировать при суровых условиях эксплуатации. Электронные компоненты должны быть устойчивы к радиации. Поставщикам следует вклють в комплект поставки цифровые протоколы, чтобы избежать проблем с устареванием оборудования.
Сегодня в США планируется построить 27 станций типа Gen III, а всего в мире в теение следующих 20 лет — 116. Так как США является признанным лидером в производстве арматуры для тяжелых условий эксплутации, производители также получат хооший шанс поставки такой арматуры на экспорт.
Как же влияют эти новые производства на применение арматуры? Станции нового поколения будут производить значительно больше электроэнергии, чем существующие сегодня атомные электростанции. Так Westinghouse AP 1000 будет производить 1100 мегаватт, тогда как станция GE’s ESBWR будет вырабатывать 1500 мегаватт. Станции типа the Gen III меньше по размерам и на них будут использоваться меньшее количество арматуы и труб, чем на обычных АЭС. Несмотря на это, на каждой станции применяется от 10 000 до 18 000 штук арматуры, включая 2500 в ректорном блоке. В среднем это 14 000 наименований арматуры на каждой атомной электростанции. Это создаст потенциальный спрос на арматуру в США в количестве до 378 000 штук, а во всем мире — 1 624 000, т. е. немногим менее 2 000 000 штук арматуры.
Объем рынка и экстремальные инжининговые требования приведут к тому, что большинство покупателей арматуры обернутся к североамериканским производитеям арматуры и приводов, которые обладают большим опытом разработки конструкций арматуры для химических производств, подводной нефтедобычи (бурении), нефтеереработки и смежных областей.
Возможно, будет построено и большее количество станций нового поколения Gen III, как в Северной Америке, так и во всем мире. Гормлей считает, что большинство из зарубежных 116 электростанций будут простроены в России, Индии и Китае, т. е. тех странах, где велика потребность в энергии. В Китае спрос на энергию феноменально растет. Сейчас китайцы не покупают арматуру для тяжелых условий эксплуатации у отечественных производителей. Они покуют их в Северной Америке или европейских странах».
В своем ежегодном отчете «Energy Outlook 2007» Министерство энергетики США (DOE) отмечает, что, возможно, потребуется больше электростанций типа Gen III для того, чтобы удовлетворить спрос на электроэнергию. DOE прогнозирует, что общий объем выработки электроэнергии атомными станциями возрастет до 896 млрд киловатт–часов в 2030, по сравнению с 780 млрд киловатт–часов в 2005. Рост почти на 15 %. Однако доля атомной энергетики в общей выработке электрической энергии снизится до 15 % в 2030, по сравнению с 19 % в 2005. Преимущества применения атомной энергетики для окружающей среды вместе с появлением новых, более совершенных проектов будут способствовать сооружению новых станций в США.
Фактически кривая роста атомной энергетики растет, начиная с 1970–х годов. Сегодня атомная энергия составляет 16 % от мировой выработки электричества. Это рост более чем на 400 % по сравнению с 3 % 30 лет назад.

Автор PATRICK A. TOENSMEIER, Hamden, CT.