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【深度研究】碳捕集电厂电碳耦合特性建模与分析-王玮

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第42卷第11期动力工程学报Vol.42 No.112022年11月Journal of Chinese Society of Power EngineeringNog.2022文章编号:1674-7607(2022)11-1107-07D0I:10.19805/j.cnki.jcspe.2022.11.013碳捕集电厂电碳耦合特性建模与分析王玮,赵依琴,曾德良(华北电力大学工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室,北京102206)摘要:为获得碳捕集电厂发电和碳捕集的祸合特性,采用机理建模方法建立了脱碳抽汽流量对机组发电出力的静态特性模型,采用基于数据的辨识方法获得二者的动态模型,同时建立脱碳抽汽流量对再沸器负荷和碳捕集率的静态和动态模型,获得脱碳抽汽流量对发电侧和碳捕集侧的动态响应时间尺度,并给出碳捕集电厂电碳祸合特性及可调度区间的确定方法。结采表明:所研究300MW机组的碳捕集率可调范固与机组所处汽轮机负荷密切相关,负荷率越高,可调范固越大;为使机组的碳捕集率不低于80%,其汽轮机负荷率不应低于83.3%。中图分类号:X701文献标志码:A学科分类号:470.30Modeling and Analysis of Electricity-Carbon CoordinatedCharacteristics in a Carbon Capture Power PlantWANG Wei,ZHAO Yigin,ZENG Deliang(Beijing Key Laboratory of New Technology and System on Measuring and Control for IndustrialProcess,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:In order to obtain the coupled characteristics of generated power and captured carbon in a carboncapture power plant,the static characteristic model of decarburization extraction steam flowrate on unitpower output was established based on mechanism modeling method,and their dynamic model was furthermore developed based on data identification approach.The static and dynamic models for decarburizationextraction steam flowrate on reboiler duty and carbon capture rate were established.The decarburizationextraction steam flowrate responding time scales on both generated power and captured carbon were obtained.The method for determining the coupling characteristics and schedulable interval of the carbon capture power plant was given.Results show that the adjustable range of carbon capture rate is closely relatedto the unit turbine load on a 300 MW power.The higher the load rate is,the wider the adjustable range is.In order to ensure the carbon capture rate of the unit is not less than 80%,the turbine load rate should notbe less than 83.3%.Key words:carbon capture;electricity carbon;coordination;decarburization steam extraction;couplingcharacteristic收稿日期:2022-0531修订日期:20220G24基金项目:国家自然科学基金资助项目(52076073)作者简介:王玮(1986一),男,山东沂水人,副教授,博士,主要从事热力系统建模与控制方面的研究。电话(TL):010-61771722:E-mail:wwang@ncepu.edu.en.(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net·1108·动力工程学报第42卷目前,气候变化已成为全球环境问题最紧迫的度并揭示电碳耦合特性,给出了电碳可调度区间的挑战之一。因人类活动而排放的CO2和其他温室描述方法,为碳捕集电厂的优化运行及灵活调度提气体,是导致气候变化的最主要驱动因素。2020年供理论支撑。9月,我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳1碳捕集电厂技术原理中和”目标。我国的电源结构以火力发电为主,每年电厂的排放量约占到总排放量的40%~50%。因胺法脱碳碳捕集电一〔网的系统结构图如图1所此,降低我国发电厂的碳排放强度迫在眉睫。示,煤粉燃烧产生的烟气从尾部烟道排出后经过脱碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Stor硫、脱硝、除尘和降温后进入吸收塔,在吸收塔内与age,CCS)对于CO2减排具有重要意义。目前成熟来自热交换器的贫液逆向接触,充分吸收后的烟气的技术主要包括富氧燃烧技术)、燃烧前碳捕集技可直接排人大气。吸收CO2后的富液经由富液泵术)和燃烧后碳捕集技术3)等。其中燃烧后CO2加压送至热交换器,对贫液进行热量回收后从再生捕集技术(Post-combustion CO2 Capture,PCC)中塔顶部进入。再沸器由来自汽轮机中压缸与低压缸的化学吸收法具有脱碳效率高、可处理烟气量大等优之间的抽汽进行加热,富液在高温条件下解析出点,国内外学者已经开展了广泛的研究。文献[6们~CO2产品,抽汽换热完毕后返回回热系统(本系统文献[9]提出了多种CO2捕集过程工艺流程改进方中返回除氧器)。完成释放CO2后的贫液从再生塔案,优化了捕集过程中各参数对系统能耗的影响,显底部排出,送到热交换器与富液进行热量交换,之后著提升了碳捕集电厂的运行效率。文献[10]和文献由贫液泵送回吸收塔,开始下一轮的吸收循环,实现[11]利用gCCS软件对碳捕集过程进行特性验证,了化学吸收剂的重复利用。并提出了一种碳捕集电厂的灵活控制方法。上述系统中,发电系统与脱碳系统通过脱碳抽围绕碳捕集过程的建模,刘朝霞)基于Aspen汽流量(即再沸器供汽抽汽流量)发生耦合。一方面Plus对乙二胺法燃烧后碳捕集工艺的静、动态过程脱碳抽汽流量的变化会直接影响进入汽轮机低压缸进行了模拟研究,获得了进口烟气量扰动变化对碳做功的蒸汽流量,进而改变机组发电功率,另一方面捕集率及各关键参数的影响特性。高建民等)针也会直接影响碳捕集侧再沸器负荷,进而改变机组对某300MW燃煤电站建立了一种新型的氨法脱碳捕集率。碳模型,并进一步对比分析了新旧工艺的操作参数2发电侧建模与分析对脱碳效率、再生能耗等关键参数的影响。Lawal等]建立了某500MW亚临界机组CO2捕集流程发电侧建模主要考虑脱碳抽汽流量对机组发电的动态模型并进行了验证,给出了增加溶剂浓度对功率的影响特性。碳捕集性能的影响,揭示了碳捕集率和发电输出的2.1静态模型相互作用。文献[15]和文献[16]基于gPROMS仿对于图1所示的碳捕集发电机组,其发电功率真数据,分别利用神经网络和机器学习的方法建立可表示为:了碳捕集流程的数学模型,模型预测精度可达到98%,所建模型可用于CO2捕集流程的优化运行。Harun等可利用所建动力学模型,进一步研究了单乙醇胺(MEA)吸收过程对烟气流速和再沸器热负荷变化的瞬态响应。质量流量矩阵;h°为各级抽汽做功不足矩阵;g市为上述研究重点集中于胺法脱碳系统的静态模型脱碳抽汽质量流量;g,r为给水泵汽轮机抽汽质改进和动态模型的建立,对于实现碳浦集电站的优量流量;h,为第4级抽汽焓值。化运行具有重要意义。然而,胺法脱碳中再沸器负当脱碳抽汽流量发生变化时,再沸器出口疏水荷依赖电站的抽汽系统,碳捕集效率与机组发电功进入低压加热器的流量也会发生变化,进而影响回率存在较强的耦合关系,现有研究仍缺乏对电碳耦热系统的汽水分布和机组的发电功率输出。对合特性的揭示及电碳可调度区间的描述方法。因式(1)求偏导,可得抽汽流量对发电功率的影响此,笔者通过机理分析法分别建立了脱碳抽汽流量特性:与机组发电功率输出、再沸器负荷及碳捕集率的静(2)态特性模型,基于实验数据辨识给出其动态响应尺(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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