Влияние термодинамических параметров на мощность воздухоразделительной установки в цикле Аллама

ЦЕЛЬ работы заключается в установлении взаимосвязи термодинамических параметров цикла Аллама с мощностью воздухоразделительной установки, так как последняя является потребителем электроэнергии собственных нужд энергоблока. Для этого необходимо разработать расчетный метод и на его основе выявить функциональные зависимости влияния.

МЕТОДЫ. Представлена методика исследования, в которой обеспечивается взаимосвязанность термодинамических начальных параметров цикла Аллама с его эффективностью и расходами топлива, которые, в свою очередь, влияют на мощность воздухоразделительной установки, предназначенной для производства кислорода. В методике полагают, что обеспечение кислородного сжигания метана происходит при их стехиометрическом соотношении. Установлена взаимосвязанность термического КПД цикла и начальных параметров рабочего тела, представлены формулы по определению секундного расхода условного топлива на установку, КПД выработки электроэнергии и электрической мощности установки по подготовке кислорода. При получении конечного результата учитывают фактор влияния внутреннего относительного КПД СО2-турбины.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье показано, что при реализации цикла Аллама на основе углекислого газа при сжигании метана в кислороде, существенную роль играет установка по производству кислорода. Это энергозатратное оборудование собственных нужд. Проведены количественные оценки и показано как начальные параметры термодинамического цикла влияют на мощность воздухоразделительной установки, в которой и производят кислород. В статье показано, что ее мощность может быть обеспечена на уровне 20% от единичной мощности энергоблока.

1. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Large Combustion Plants. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU (Integrated Pollution Prevention and Control) / Thierry Lecomte and outher // EUR 28836 EN, 2017, - 940 p. - doi:10.2760/949, ISBN 978-92-79-74303-0

2. Enviva and J-Power Join Efforts to Decarbonize Power Generation in Japan /businesswire.com:https://www.businesswire.com/news/home/20211116006425/en/ Дата обращения: 26.05.2022

3. Федорова В.А. и др. Трансформация индустрии СПГ в рамках декарбонизации мирового ТЭК. - «Neftegaz.RU». - N4, Апрель 2022.- https://magazine.neftegaz.ru/articles/spg/733425 transformatsiaindustrii-spg-v- ramkakhdekarbonizatsii-mirovogo-tek/ Дата обращения: 20.05.2022

4. Филиппов С.П., Жданов О.В. Возможности использования технологий улавливания и захоронения диоксида углерода при декарбонизации мировой экономики (обзор). – Теплоэнергетика. – 2022.-N9. – C.5-21.

5. Budinis S., Krevor S., Niall Mac Dowell, Brandon N., Nawkes A. An assessment of CCS costs, barriers and potential // Energy Strategy Reviews.-2018. – vol.22, pp. 61-81. Doi: 10.1016/j.esr.2018.08.003

6. Comparative analysis of the Allam cycle and the cycle of compressorless combined cycle gas turbine unit / Mikhail Sinkevich, Anatoliy Kosoy and Oleg Popel // E3S Web of Conferences 209, 03023 (2020). – https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020903023

7. Analysis of the compressorless combined cycle gas turbine unit performance efficiency in district heating systems / Yuriy Borisov, Nikolay Fominykh, Eldar Ramazanov and Oleg Popel // E3S Web of Conferences 209, 03008 (2020). - https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020903008

8. Парогазовые установки с полным улавливанием диоксида углерода для чистой энергетики / В.В. Даценко, Ю.А. Зейгарник, Е.А. Калашникова, А.А.Косой, А.С. Косой, М.В. Синкевич // Теплофизика и аэромеханика, 2020, том 27, № 5. – С. 1-8.

9. Сравнительный анализ цикла Аллама и цикла бескомпрессорной парогазовой установки / М.В.Синкевич и др. // ENERGY-21: Sustainable Development & Smart Management / Международная конференция. Энергетика XXI века: Устойчивое развитие и интеллектуальное управление, Иркутск, ИСЭМ, 2020, 7-11 сетнтября 2020 г.

10. Проектирование макетного образца бескомпрессорной парогазовой установки / В.В. Волков, Музылёв // Всероссийская молодежная конференция с международным участием Системные исследования в энергетике – 2021, Energy, System, Research. - Иркутск, ИСЭМ, 2021, 25-28 мая 2021 г.

11. This power plant runs on co2 / ieee spectrum. for the technology insider. - https://spectrum.ieee.org/this-power-plant-runs-on-co2 . - Чтение с экрана.

12. Steam boilers' advanced constrictive solutions for the ultra-supercritical power plants / N. Rogalev, V. Prokhorov, A. Rogalev et al. // International Journal of Applied Engineering Research. – 2016. – 11(18). – P. 9297-9306.

13. Efficiency of zero emission cycles on the basis of their configuration / P.Shchinnikov, O.Borush, A.Frantseva, 1.Sadkin // E3S Web Conf.: InternationalConference of Young Scientists "Energy Systems Research 2021". - Volume 289,2021. - Article Number 02001 (6 p.) DOI https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128902001.

14. Sadkin I.S. Influence of the initial parameters on the thermodynamic efficiency ofcarbon dioxide power cycles / P. A. Shchinnikov, I. S. Sadkin, A. P. Shchinnikov, N. F.Cheganova, N. I. Vorogushina // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – Vol. 2150. Art. 012011. DOI 10.1088/1742-6596/2150/1/012011

15. Садкин И.С. Особенности циклов с применением углекислоты в качестве рабочего тела / П. А. Щинников, И. С. Садкин, А. П. Щинников.// Развитие методов прикладной математики для решения междисциплинарных проблем энергетики: сб. тр. 1 Все-рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, Ульяновск, 6-7 окт. 2021 г. - Ульяновск :Изд-во УлГТУ, 2021. - С. 169-171.

16. R. J. Allam, J. E. Fetvedt, B. A. Forrest and D. A. Freed, "The oxy-fuel, supercritical CO2 Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric emissions," in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, 2014).

17. R. Allam, S. Martin, B. Forrest, J. Fetvedt, X. Lu, D. Freed and J. Manning, Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture, ENRGY PROCED, Letters 114, 5948-5966 (2017).

18. High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide / Allam R.J. et al. // Energy Procedia, - 2013. - T. 37. - P. 1135-1149.

19. Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J.Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С. К. Осипов, С.А. Павлычев //«Вестник ИГЭУ» Вып. 3, 2018 г. - С. 5-14.

20. Zero Emissions Power from Natural Gas. NET Power Performance Data. - https://netpower.com/wp-content/uploads/2021/05/2021-NET-Power-Performance-Data-Ipager.pdf, - Чтение с экрана.

21. NET Power's CO2 cycle: the breakthrough that CCS needs. Modern Power System. - //https://web.archive.org/web/20161130185339/http://www.modernpowersystems.com/features/featurenet-powers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ces-needs/featurenet-powers-co2-cycle-thebreakthrough-that-ces-needs-3.html.- Чтение с экрана.

22. NET Power’s First Allam Cycle 300-MW Cas-Fired Project Will Be Built in Texas.- powering.com/net-powers-first-allam-cycle-300-mw-gas-fired-project-will-be-built-in-texas/ Дата обращения: 12.02.2023. - Чтение с экрана

23. Алексеенко С.В., Щинников П.А., Садкин И.С. Влияние термодинамических параметров на энергетические характеристики СО2-циклов при кислородном сжигании метана. – Теплофизика и аэродинамика, 2023.- т.30, N1. – С.111-121.

24. Криогенные ВРУ, Криогенмаш.- www.cryogenmash.ru/catalog/kriogenye-vtu/ Дата обращения: 12.02.2023.- Чтение с экрана.