Арматура в альтернативных источниках энергии. Опыт США

 Разработка альтерна­тивных источников энергии стала основ­ной национальной задачей США. В ее ре­шении принимают учас­тие как правительственные организации, так и деловые круги. Инвестиции в эту сферу стремительно растут. 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 использования нефти и газа.

Трубопроводная арматураМинистерство 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 температурой и давлением, а также атомной энергетики, которую никак нельзя отнести к безопасным технологиям.

Спрос на арматуру высоких параметров и приво­ды будет возрастать по мере развития производства электроэнергии с помощью альтернативных источ­ников. Это приведет к тому, что многим производи­телям арматуры придется увеличить 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 рабочие 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 отвечать 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 угрозы 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). Специалисты сейчас за­нимаются проектированием этих станций, хотя их строительство начнется не раньше 2030 года. Сегодня даже не существует конструкций арматуры, которые смогли бы функционировать в высокотемпера­турных условиях АЭС нового поколения.

Уже разработаны около дюжины технологий 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 усло­вий эксплуатации, американские арматуростроители могут приме­нять свои изделия на этих станциях. Причиной являются как стоимость, так и эксплуатационные характеристики. 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 большинство 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 технологию 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 температуре 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 уплотнений 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 интеллектуальные систе­мы управления арматурой, как цифровые по­зиционеры, найдут более широкое применение на технологических производствах благодаря потреб­ности в упреждающем регулировании и возмож­ности отслеживания условий эксплуатации. Они должны также надежно функционировать при суро­вых условиях эксплуатации. Электронные компонен­ты должны быть устойчивы к радиации. Поставщикам следует включить 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 течение следующих 20 лет — 116. Так как США является признанным лиде­ром в производстве арматуры для тяжелых условий эксплуатации, производители также получат хороший 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 арматуры и труб, чем на обычных АЭС. Несмотря на это, на каждой станции применяется от 10 000 до 18 000 штук арматуры, включая 2500 в реакторном 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 инжиниринговые требования приведут к тому, что большинство покупа­телей арматуры обернутся к североамериканским про­изводителям арматуры и приводов, которые обладают большим опытом разработки конструкций арматуры для химических производств, подводной нефтедобычи (бурении), нефтепереработки 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 покупают 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.