太阳能辅助燃煤电站捕碳的热力系统集成及参数优化研究

Post-combustion CO2 capture (PCC) based on chemical absorbent is one of the main technologies of actualizing large scale CO2 capture for coal-fired power plants. However, the high energy consumption and thermal efficiency penalty due to absorbent regeneration greatly restrict the development of this technology. Bring the solar energy as an auxiliary thermal source into the coal-fired power plant with PCC and optimizing the allocation of each devices in the thermodynamic system are efficient ways to deal with the problem. In this project, the thermodynamic system optimization model of solar thermal aided coal-fired power plant with PCC will be established based on system engineering theory and method. The connection approaches and parameters of the integrated system containing solar thermal system, CO2 capture system, and regenerative system will be optimized. The effects of structure parameters, boundary parameters and environment parameters on the optimization model solutions will be detailed analyzed. The energy consumption distribution and energy transfer mechanism of the integrated system will also be investigated, and the thermodynamic system integration theory under multiple thermal source conditions is expected to be developed and improved. Our investigations will provide theoretical basis and data support for the optimization design of the future green-field power plant with solar thermal, coal- fired, and CO2 capture integrated.

基于化学吸收剂的燃烧后捕碳方法是燃煤电站实现大规模CO2捕集的主要方式之一。然而，吸收剂的再生能耗巨大，导致电站效率大幅下降，这已经成为制约该方法发展的瓶颈。在燃煤-捕碳机组中引入太阳能作为辅助热源，并对热力系统中各设备之间的集成方式进行优化配置是应对这一问题的有效途径。本项目应用系统工程的理论和方法，构建太阳能辅助燃煤电站捕碳的热力系统优化模型，对太阳能利用系统、CO2捕集系统与燃煤电站回热系统所组成的一体化系统进行结构集成优化和参数配置优化，分析系统结构参数、机组边界参数和外部环境参数对优化模型解析的影响，获取一体化系统的能耗分布规律和能量迁移机制，发展和完善多热源互补条件下的热力系统集成理论，以期为未来新型太阳能-燃煤-捕碳一体化系统的优化设计提供理论依据和数据支持。

本项目应用系统工程的理论和方法，构建太阳能辅助燃煤电站捕碳的热力系统优化模型，对太阳能利用系统、CO2捕集系统与燃煤电站回热系统所组成的一体化系统进行结构集成优化和参数配置优化。通过本项目的开展，以期为未来新型太阳能-燃煤-捕碳一体化系统的优化设计提供理论依据和数据支持。.针对二次再热机组，分析了给水焓升分配、给水温度、再热压力、主蒸汽参数等方面的优化潜力和外置式蒸汽冷却器的最佳布置方式。实例计算表明，主蒸汽参数对机组热经济性的影响幅度远大于其它系统接口参数；最佳给水温度主要随初压的升高而升高，主蒸汽温度和再热蒸汽温度对最佳给水温度的作用趋势相反；外置式蒸汽冷却器使给水温度提高，减少了锅炉的不可逆损失。采用双级布置时，分别位于两次再热后的第一级的串联方式效果最佳。.针对二次再热燃煤-捕碳机组，设计了一种带捕碳汽轮机的热力系统集成方式。这种系统可以有效避免二次再热机组大过热度引起的回热系统㶲损失过大的问题，以及中低压连通管与碳捕集系统参数不匹配的问题。提出了多种太阳能-燃煤-捕碳一体化二次再热机组热力系统集成方案，通过对比分析，采用捕碳汽轮机排汽为捕碳系统供热，同时太阳能加热给水的方案比仅用太阳能为捕碳系统供热的方案更为合理。.利用热力学分析、㶲分析及燃料㶲贡献度分析的矩阵模型，计算出各个系统的热经济性指标、㶲分析指标、平均化太阳能捕碳成本及外部燃料㶲贡献度。结果表明，随碳捕集率或再生能耗的提高，机组煤耗率随之增大，循环热效率和发电效率逐渐减小。随太阳能辐射强度增强，系统的平均化太阳能捕碳成本和太阳能㶲贡献度逐渐降低，而锅炉、一次再热和二次再热系统的燃煤㶲贡献度逐渐增加。