碳捕集技术应用对燃煤机组调峰能力的影响
Effect of Carbon Capture Technology Application on Peak Shaving Capacity of Coal-Fired Units
收稿日期: 2023-07-20 修回日期: 2023-10-11
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Received: 2023-07-20 Revised: 2023-10-11
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目的 分析碳捕集技术对燃煤电厂调峰能力的影响机制,量化碳捕集技术对燃煤电厂发电效率的影响。 方法 以国内某典型燃煤电厂为例,选取燃烧后碳捕集方案,通过EBSILON软件构建常规燃煤火电机组和碳捕集电厂的模拟模型,得出碳捕集电厂的运行区间,对比分析了碳捕集电厂与常规燃煤电厂的运行结果,对机组的调峰性能的变化展开了研究。 结果 与常规燃煤电厂相比,碳捕集电厂等效输出功率下降了1%~2%,净输出功率下降了20%~30%,全场净效率下降了8%~10%。 结论 碳捕集系统的加入会使电厂在效率降低的同时获得更大的下调峰深度和更快的调峰响应速度。
关键词:
Objectives The mechanism of the impact of carbon capture technology on the peaking capacity of coal-fired power plants was analyzed, and the impact on the carbon capture technology on the power generation efficiency of coal-fired power plants was quantified. Methods A typical coal-fired power plant was used as an example, and a post-combustion carbon capture scheme was selected. The simulation model of the conventional coal-fired thermal power unit and the carbon capture power plant was constructed by EBSILON software. The operation interval of the carbon capture power plant was derived. A comparative analysis of the operation of the carbon capture power plant and the conventional coal-fired power plant was conducted, and the variation in peaking performance was investigated. Results The equivalent output power of the carbon capture power plant decreased by 1%-2%, the net output power decreased by 20%-30%, and the net efficiency of the whole field decreased by 8%-10% compared with the conventional coal-fired power plant. Conclusions The addition of a carbon capture system allows the plant to gain greater downward peaking depth and faster peaking response, although it reduces efficiency.
Keywords:
本文引用格式
袁鑫, 刘骏, 陈衡, 潘佩媛, 徐钢, 王修彦.
YUAN Xin, LIU Jun, CHEN Heng, PAN Peiyuan, XU Gang, WANG Xiuyan.
0 引言
电力行业碳排放是全球主要碳排放源之一,热力发电厂的CO2排放量占全球CO2排放量的40%以上,其中约70%由燃煤电厂产生。在可用的碳减排方法中,碳捕获、利用和封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS)是目前唯一被允许在现有电厂继续运行的可显著减少碳排放的技术。通过建设碳捕集电厂,在传统电厂中加入碳捕集装置捕捉燃烧过程中排放的CO2,并对其进行分离、提纯,然后投入新的生产过程进行利用,可以有效减少燃煤电站的碳排放量。
早在2010年之前,研究人员就注意到CCUS技术在电力行业减排方面的优势,并开始研究CCUS在燃煤发电方面的成本效益等问题[10-11]。这些研究证明,CCUS项目改造需要较高的初始投资,改造后发电厂的额外能耗将显著增加,发电效率显著降低[12-14]。随着技术的进步,越来越多的研究开始关注现有电厂的减排,强调存量排放问题。多项研究[15-18]结果表明,如果相关政策和条件合适,CCUS技术将比其他减排方法更具成本效益。目前有关电厂CCUS应用的经济性方面已经进行了大量的研究,然而,这些研究大多使用单一的假设案例,仅关注捕获的成本,而没有考虑加装CCUS后火电机组的整体运行机制以及其对电网运行调峰能力的影响,仅有的少数相关案例研究也多为定性探讨,火电机组应用CCUS后的整体运行区间、运行状态和对电网调峰能力影响的相关研究还不够深入。目前大量的可再生电源并入电网,电网运行的安全性和不确定性问题进一步加剧,深入研究碳捕集电厂的相关运行及调峰特性具有重要意义。本文通过构建仿真模型,分析了碳捕集技术对燃煤电厂调峰能力的影响机制,量化碳捕集技术对燃煤电厂发电效率的影响。
1 碳捕集技术
碳捕集技术根据不同的捕集位置可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。
1.1 燃烧后捕集
燃烧后捕集就是指对锅炉尾部出口烟气进行处理,分离和回收CO2。燃烧后捕集技术的优势在于,它可以作为一种应用于“管道末端”的解决方案,对现有电厂直接进行改造。燃烧后的捕获需要温度在120 ℃以上的热量,这部分热量来源通常为发电厂的蒸汽循环抽汽。与传统的烟气系列装置不同,燃烧后CO2捕集装置必须与发电厂的蒸汽循环相结合,以限制捕集过程造成的效率损失。现代化石燃料发电厂通常需要考虑到季节性、日常需求的变化以及燃料成分的变化,并为电网提供支持服务,包括负荷跟踪和监管等。电力系统中可再生间歇性能源容量的增加也对基础负荷发电厂提供调节功率提出了更高的要求。因此,燃煤发电厂必须能够迅速应对电网需求的变化。为了使碳捕获技术的实施在经济上可行,捕获单元还必须能够在不影响发电厂性能的情况下响应负荷变化。有学者[19-20]提出一种性能更优的新型燃烧后碳捕集技术,即在传统燃烧后碳捕集装置的基础上添加贫富液存储单元,以调节电厂供能与外部需求的关系,相关技术流程如图1所示。
图1
燃烧后碳捕集技术主要包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等。化学吸收法是指利用碱性化学试剂作为吸收剂和CO2发生化学反应,吸收CO2,生成不稳定盐类,然后在一定的压力和温度下将盐类分解,实现吸收剂的再生。常用的吸收剂有单乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、热甲碱溶液等。化学吸收法技术成熟、吸收效率较高,但能耗大、溶剂损耗较大。物理吸附法主要是利用混合气体和固体吸附剂的相互作用来实现CO2吸附,然后通过升温或降压实现解析。常用吸附材料主要包括沸石、活性炭、多孔材料、金属氧化物等。物理吸附法工艺流程简单、能耗低、稳定性好、污染小,但CO2吸附容量小、吸附速率慢、吸附解析过程频繁。膜分离法是利用CO2与其他气体在膜内溶解、扩散速率不同,在膜两侧分压差的作用下,实现CO2分离。其研究重点是膜材料改性和分离工艺优化设计,膜材料有聚合物膜、固定载体膜、无机膜、复合膜等,目前膜分离技术发展尚不成熟,制备成本较高。
1.2 燃烧前捕集
燃烧前捕集主要运用于带煤气化的发电系统中,如整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle,IGCC)发电系统。燃烧前碳捕集是指在高压富氧的环境下将煤气化成煤气,再经过一系列变换反应后生成CO2和H2,对反应后的产物可直接进行碳捕集,这是因为反应后气体压力很高,且产物中CO2浓度高,捕集后剩余的气体中主要成分为H2,其热值较高,可作为燃料使用,与直接燃用煤的燃烧方式相比,这种工业应用技术燃烧过程中所产生的污染物较少,捕集系统规模较小,且捕集CO2所需能耗较低。但从整体系统来看,IGCC发电技术本身系统复杂、可靠性较低且投资成本较高,这些因素都限制了燃烧前碳捕集技术的发展。燃烧前碳捕集流程如图2所示。
图2
1.3 富氧燃烧捕集
图3
2 案例介绍
2.1 机组概况
表1 案例机组基本参数
Tab. 1
参数 | 数值 |
---|---|
主蒸汽额定流量/(kg/s) | 260.4 |
主蒸汽压力/MPa | 16.7 |
主蒸汽温度/℃ | 538 |
再热蒸汽流量/(kg/s) | 217.7 |
额定给水温度/℃ | 272 |
额定背压/kPa | 14.0 |
转速/(r/min) | 3 000 |
额定功率/MW | 300 |
净热耗/[kJ/(kW⋅h)] | 8 182.4 |
图4
2.2 碳捕集装置
基于对现有电厂改造的前提,采用单乙醇胺(monoethanolamine,MEA)吸附CO2的燃烧后碳捕集方法。烟气先经过静电除尘器和脱硫脱硝装置,后经过冷却装置,在冷却器中预先冷却至40~60 ℃,再进入填料吸收塔,在吸收塔内上升的过程中与从塔顶喷淋出的MEA溶液接触并发生化学反应。烟气中的CO2被吸收后从塔顶离开,吸收塔中的MEA溶液由于吸收了烟气中的CO2,成为CO2高负载的富液,富液由吸收塔底部流出,被泵送到富-稀溶液换热器中,与从解吸塔底部流出的稀溶液进行热量交换。在换热器中,热量从贫液传递到富液,加热后的富液进入解吸塔,通过塔底再沸器提供热量,将富液中的CO2解析出后成为贫液,从解吸塔底部流出的贫液在富-稀溶液换热器中降温后进入混合器,与补充水、MEA混合后重新进入吸收塔吸收CO2;而解吸塔顶部的产品(主要是CO2和H2O)流出后经过冷凝器,在冷凝器中大部分水蒸气被冷凝成液态水,剩下的富含CO2的气流被输送至压缩机进行压缩。进入脱碳装置的烟气组分见表2,额定工况下碳捕集装置的运行参数见表3,碳捕集系统流程如图5所示。
表2 进入脱碳装置的烟气成分
Tab. 2
组分 | 数值 |
---|---|
N2质量分数/% | 0.639 1 |
O2质量分数/% | 0.032 6 |
Ar质量分数/% | 0.010 9 |
H2O质量分数/% | 0.105 0 |
CO2质量分数/% | 0.209 4 |
图5
表3 额定工况下碳捕集装置参数
Tab. 3
参数 | 数值 |
---|---|
捕集效率/% | 90 |
捕集能耗/MW | 50.46 |
水耗/(kg/s) | 48.68 |
2.3 碳捕集电厂模型
图6
图6
耦合碳捕集装置的燃煤机组示意图
Fig. 6
Schematic diagram of a coal-fired unit coupled with a carbon capture unit
3 算例分析
3.1 分析方法和基本假设
为了便于进行模拟计算及结果分析,对系统的一些参数进行了设定:案例燃煤机组和碳捕集电厂在各工况下的燃料消耗量相同;碳捕集系统的碳捕集率在各工况下保持不变且为90%;给水温度保持不变且为272℃;忽略辅助系统及周围环境对系统造成的影响。
为了分析碳捕集技术应用对燃煤机组本身的运行情况和电网调峰能力的影响,通过EBSILION Professional软件仿真,得到不同工况下案例机组和碳捕集电厂的出力运行情况,并进行对比分析。
3.2 计算结果
本文分别计算了5种不同热耗率验收(turbine heat acceptance,THA)工况下案例燃煤机组和碳捕集电厂的运行结果,见表4。
表4 案例燃煤机组和碳捕集电厂的运行结果
Tab. 4
参数 | 工况 | 案例燃煤机组 | 碳捕集电厂 | 差值 |
---|---|---|---|---|
等效输出功率/MW | THA | 299.051 | 295.580 | 3.471 |
75%THA | 226.537 | 223.804 | 2.733 | |
50%THA | 155.030 | 152.817 | 2.213 | |
40%THA | 123.319 | 121.328 | 1.991 | |
30%THA | 93.899 | 92.398 | 1.501 | |
净输出功率/MW | THA | 299.051 | 228.470 | 70.581 |
75%THA | 226.537 | 174.734 | 51.803 | |
50%THA | 155.030 | 120.003 | 35.027 | |
40%THA | 123.319 | 94.639 | 28.680 | |
30%THA | 93.899 | 70.668 | 23.231 | |
全厂净效率/% | THA | 40.6 | 31.4 | 9.2 |
75%THA | 40.6 | 31.3 | 9.3 | |
50%THA | 39.7 | 30.7 | 9.0 | |
40%THA | 38.2 | 29.3 | 8.9 | |
30%THA | 37.1 | 27.9 | 9.2 |
3.3 数据分析
图7对比了案例燃煤机组和碳捕集电厂的发电机端的等效输出功率,可知,即使不计入碳捕集装置的能耗,碳捕集电厂的等效输出功率也略低于常规燃煤电厂,等效输出功率下降1%~2%,这部分能量称为碳捕集装置的维持能耗,也就是说,即使碳捕集装置不投入运行,碳捕集电厂的最大输出功率也不能达到常规燃煤电厂的水平。
图7
图8
图9对比了案例燃煤机组和碳捕集电厂的全厂净效率,可知,无论是常规燃煤电厂还是碳捕集电厂,在满负荷时发电效率均最高,随着电厂所带负荷降低,发电效率相应下降,负荷越低,效率降低越多。碳捕集电厂的全场净效率相较于常规燃煤电厂下降约8%~10%,这是因为碳捕集系统的引入消耗了大量本应进入低压缸继续做功的热蒸汽以及CO2压缩过程中压气机的大量耗能。
图9
3.4 碳捕集电厂的调峰特性分析
发电机组在电力系统运行调峰中最重要的2个性能指标为调峰深度和调峰响应速度。
1)调峰深度
碳捕集电厂的调峰能力分析与常规火电厂不同,在用电高峰,碳捕集装置可以调整进入系统的烟气量,选择更低的脱碳效率或直接停止脱碳工作,仅消耗少量能量维持基本运行来保证电厂的最大出力,因此碳捕集电厂的上调峰能力以电厂等效输出功率为准;在用电低谷,碳捕集装置在保证最大脱碳效率的基础上运行,既保证了电厂的低碳运行,又能降低电厂的最小出力,因此碳捕集电厂的下调峰能力以净输出功率为准。
由以上分析可知,相较于常规燃煤电厂,碳捕集电厂的等效输出功率会轻微降低,在额定工况和最小出力30%工况下分别减小了3.471 MW和1.501 MW,即机组的上调峰能力轻微降低;机组的净输出功率显著降低,在额定工况下由299.051 MW降低到228.470 MW,在最小出力30%工况下由93.899 MW降低到70.668 MW,分别降低了23.6%和24.7%,维持机组稳定运行所能输出的最小功率降低,即机组的下调峰能力显著上升。综上,碳捕集电厂可以通过独立调整发电循环和碳捕集系统的运行状态来改变电厂出力,从而可以在较广的范围内调整电厂的净发电效率和净输出功率,获得更大的下调峰深度。
2)调峰响应速度
常规燃煤电厂的调峰响应速度一般较慢,这是因为常规燃煤机组在响应供电需求变化时,最常用的办法为通过改变锅炉状态来改变蒸汽量或蒸汽参数,进而改变电厂发电量,由于热惯性的存在,这一过程需要花费较长时间。碳捕集电厂采用抽取发电循环中的部分做功蒸汽作为碳捕集装置的能量来源,或直接利用厂用电来进行烟气脱碳,这为碳捕集电厂参与调峰提供了多种可能,在参与电网调峰时,电厂可以灵活调整CO2捕集率,通过改变进入碳捕集装置的烟气量并同步改变中压缸蒸汽的抽取速率,从而改变做功蒸汽量,快速调整机组出力。相较于常规燃煤电厂,后者调整速率更快,因而碳捕集电厂理论上可以在一定范围内快速响应电网负荷的变化,其表现出的运行特性与热电联产类似。
4 结论
将碳捕集系统与燃煤电站进行耦合,对比分析燃煤机组和碳捕集电厂的运行情况,得出以下结论:
1)碳捕集系统的引入给电厂带来了更大的下调峰深度和更快的调峰响应速度,优化了电厂的调峰性能,电网可以应用其优良的调峰性能,为电力系统的安全运行提供有价值的辅助服务,并在电力系统发生意外情况时发挥关键作用。
2)碳捕集系统的引入提高了电力系统运行的安全裕度和调度柔性,可以在更大范围内保证电力系统的安全运行。
3)在燃煤机组中应用碳捕集技术可以为未来更大规模的清洁电源并入电网提供可能,降低电力系统的整体碳排放水平。
4)引入碳捕集系统会使电厂的发电效率大幅降低,如何减少碳捕集装置的能耗、提高发电效率也是未来亟待解决的问题。
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