脫碳對燃煤機組性能的影響研究

鞠付棟，朱大宏，馮靜，聶會建，孫永斌

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京100120)

脫碳對燃煤機組性能的影響研究

鞠付棟，朱大宏，馮靜，聶會建，孫永斌

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京100120)

燃煤機組燃燒后脫碳所面臨的最大問題是脫碳帶來的效率損失。主要對全脫碳、不同脫碳容量以及脫碳再生能耗對機組性能的影響進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)全容量脫碳條件下，機組供電效率下降約11.2%。隨著脫碳容量的增加，機組發(fā)電量、發(fā)電效率、供電量、供電效率等主要性能指標也均逐漸降低，脫碳容量每提高10%，機組供電效率平均降低約1.24%。脫碳再生能耗的降低依賴于節(jié)能型吸收劑的開發(fā)和更合理的系統(tǒng)集成優(yōu)化，當單位脫碳再生能耗降低時，脫碳帶來的機組性能降低也逐漸減少。

燃煤機組;燃燒后脫碳;機組性能

0 引言

電站鍋爐是常規(guī)燃煤火力發(fā)電產(chǎn)生CO2的主要設備。燃煤電站實現(xiàn)碳減排的途徑主要有兩條，其一是通過技術進步提高能源效率，降低單位電力生產(chǎn)過程中的碳排放;其二是通過主動減排，包括富氧燃燒、燃燒后碳捕集等方法，捕集電力生產(chǎn)過程中排放的CO2。近年來，超臨界機組、超超臨界機組等技術的應用，有效地降低了燃煤電站的碳排放水平，CO2排放量從亞臨界機組的約900g/(kW·h)降低到超超臨界機組的約750g/(kW·h)，碳排放強度大約降低15%～20%。未來隨著更為先進的700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術的開發(fā)和應用，供電效率將提高至50%，碳排放強度將繼續(xù)下降至約680g/ (kW·h)。燃燒后碳捕集方法適用于現(xiàn)有常規(guī)燃煤電廠的改造或者新建常規(guī)燃煤電廠，應用范圍較廣。根據(jù)目前的技術水平，燃燒后碳捕集技術可將燃煤發(fā)電碳排放減少90%。相比來說，燃燒后碳捕集技術的減排潛力更大。

燃燒后碳捕集技術主要包括化學吸收法、膜法和生物固碳法等。目前已經(jīng)建立的大規(guī)模燃煤電站燃燒后碳捕集示范裝置的應用的主要技術為化學吸收法技術，膜法分離和生物固碳法大規(guī)模應用目前還沒有先例。以MEA為主要吸收劑的化學吸收法已經(jīng)在國內(nèi)建立了10萬t級規(guī)模的示范裝置，MEA為代表的醇胺類化學吸收法是目前大規(guī)模燃燒后CO2捕集的主要技術選擇。醇胺類化學吸收法應用于燃煤機組的最大問題是脫碳帶來的效率損失，其中對于燃煤機組煙氣全容量脫碳來說，脫碳再生過程中大量低壓蒸汽消耗和脫碳系統(tǒng)輔機能耗增加使得機組電力輸出降低約20%，機組發(fā)電效率降低8%～13%［1］。從當前的CCS發(fā)展趨勢以及燃燒后脫碳技術本身的技術特點來看，全容量脫碳是較難在短時間內(nèi)進行大范圍的推廣，燃煤機組部分碳捕集則是實現(xiàn)碳捕集和減少碳捕集對燃煤發(fā)電能效降低的影響的折衷方案。

本文主要考慮了不同脫碳容量對燃煤機組性能的影響。其次，考慮到化學吸收劑技術的進步，脫碳能耗有望逐步降低，脫碳對機組性能的影響也將逐漸減小，因此本文也對不同脫碳能耗對機組性能的影響進行了計算和分析。

1 全脫碳對機組性能的影響

本文以我國北方地區(qū)帶燃燒后脫碳的660MW級純凝燃煤機組為模擬對象，利用通用流程模擬軟件Thermoflex建立帶燃燒后脫碳燃煤發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，計算全系統(tǒng)的能量平衡和質量平衡。

模擬的660MW級燃煤發(fā)電機組為超臨界一次再熱機組，主蒸汽參數(shù)為24.2MPa/566℃，再熱蒸汽參數(shù)為4.837MPa/566℃。機組回熱系統(tǒng)采用3低加+3高加(3號高加設置外置式蒸汽冷卻器)+ 1除氧的給水加熱方案。鍋爐采用三級過熱和二級再熱的方案。三級過熱分別為低過、屏過及高過。二級再熱分別為低再及高再。其中給水泵和引風機均采用汽驅拖動方案。

無脫碳的660MW級超臨界燃煤機組的性能計算結果如表1所示。無脫碳時機組輔機電耗主要為泵、風機、磨煤制粉等的電耗。其中，送風機、一次風機、脫硫輔機、磨煤、循環(huán)水泵、凝結水泵電耗占據(jù)機組電耗的大部分。

表1 無脫碳模型主要性能計算結果

在PC機組模型中加入脫碳模塊，并增加相應的蒸汽、水等物流的連接，建立了全容量脫碳系統(tǒng)的燃煤機組計算模型。脫碳單元的蒸汽消耗抽自中低壓缸聯(lián)通管，脫碳單元的冷卻水取自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。脫碳單元中包含了CO2壓縮單元。脫碳單元的CO2壓縮出口壓力設定為110bar。

全容量脫碳660MW級超臨界燃煤機組的性能計算結果如表2所示，計算得到的機組發(fā)電效率為35.14%，供電效率為29.29%(LHV)，較未脫碳時分別減少7.11%和11.2%。從機組性能計算結果分析，機組效率的降低一方面是由于脫碳再生的抽汽使得機組低壓缸蒸汽流通量減少導致發(fā)電量降低;另一方面新增脫碳單元輔機電耗，也使得機組的供電量降低。全脫碳時輔機電耗增加63.80MW，其中新增脫碳單元輔機電耗總量59.94MW，包括增壓風機、CO2壓縮機及溶液循環(huán)泵等電耗，占新增電耗的90%以上。

表2 全容量脫碳模型主要計算結果

2 不同脫碳容量對機組性能的影響

不同脫碳容量對機組性能的影響應考慮不同脫碳率下所采用的不同技術方案本身的特點。主要涉及到流程配置和組織等問題。在某一確定的部分脫碳容量下，可以采用兩種典型的技術方案，即分流法及完全通過法。分流法是根據(jù)脫碳容量確定所需進行全容量脫碳煙氣占總煙氣的比例，進而進行分流脫碳。完全通過法則是利用脫碳系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)性能對脫碳容量進行完全控制。一般來說，采用完全通過法時，單位脫碳能耗隨著碳捕集率的升高而降低。因此，在部分脫碳時，完全通過法的能耗要比分流法要高。從當前的CCS發(fā)展趨勢以及燃燒后脫碳技術本身的技術特點來看，全容量脫碳較難在短時間內(nèi)進行大范圍的推廣，采用分流法的部分脫碳可結合脫碳需要的同時降低對機組性能的影響，因此本文對分流法條件下不同脫碳容量對機組性能的影響進行了分析。采用分流法時，不同脫碳容量條件下機組性能計算結果如表3所示。

表3 分流法時不同脫碳容量下機組性能計算結果

從機組性能計算結果來看，采用分流法時，隨著脫碳容量的增加，機組發(fā)電量、發(fā)電效率、供電量、供電效率也均逐漸降低，脫碳容量每提高10%，機組供電效率平均降低約1.24%。這主要是隨著脫碳率的增加使得脫碳再生系統(tǒng)用抽汽量的增加及輔機電耗(主要為CO2壓縮機和貧液循環(huán)泵)增加所致，單位脫碳引起的供電減少值雖然隨著脫碳率的降低而增加，但增加值很小，可認為幾乎保持不變。

3 再生能耗對全容量脫碳機組性能的影響

脫碳再生能耗是采用全容量脫碳系統(tǒng)后燃煤機組性能下降的主要原因。針對脫碳再生能耗，國內(nèi)外的相關研究機構逐漸加大了對低再生能耗的脫碳溶劑的研究，主要方法是采用混合溶劑或者新型的吸收劑［2－4］。從目前國內(nèi)外的相關報道來看，采用胺法的燃燒后脫碳系統(tǒng)的再生能耗可有望降低到2500kJ/kg CO2的水平。本節(jié)主要考慮脫碳再生能耗對機組性能的影響(見表4)。

從表4可知，隨著再生能耗的增加，再生所需的抽汽量也逐漸增加，機組發(fā)電量特別是低壓缸軸功率大幅降低，使得整體的供電效率逐漸降低，當再生熱耗從2500kJ/kg CO2增加到3489kJ/kg CO2時，機組供電效率下降約2.04%。

表4 不同單位再生能耗下機組性能計算結果

4 結語

(1)全容量脫碳條件下，燃煤機組供電效率下降11.2%，其中汽輪機抽汽供脫碳再生引起的低壓缸做功能力降低以及新增脫碳輔機等電耗是引起機組供電效率降低的主要原因。

(2)隨著脫碳容量的增加，機組發(fā)電量、發(fā)電效率、供電量、供電效率等主要性能指標也均逐漸降低，脫碳容量每提高10%，機組供電效率平均降低約1.24%。這主要是隨著脫碳率的增加使得脫碳再生系統(tǒng)用抽汽量的增加及輔機電耗(主要為CO2壓縮機和貧液循環(huán)泵)增加所致。

(3)脫碳再生能耗的降低依賴于節(jié)能型吸收劑的開發(fā)和更合理的系統(tǒng)集成優(yōu)化，當單位脫碳再生能耗降低時，脫碳帶來的機組性能降低也逐漸減少。

［1］氣候組織.CCS在中國:現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和機遇［EB/OL］.http:// www.docin.com/p－705709005.html，2010－07－22.

［2］呂忠.化學吸收法分離CO2的新型吸收劑的實驗研究［D］.杭州:浙江大學，2011.

［3］王金蓮.吸收CO2的新型化學吸收劑和工藝研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

［4］方夢祥，晏水平，王金蓮，等.煙氣中CO2化學吸收法脫除技術分析與進展［A］.二氧化碳減排控制技術與資源化利用研討會論文集［C］.中華環(huán)保聯(lián)合會能源環(huán)境專業(yè)委員會，2009.

Influence of carbon capture on coal fired power generating performance

The efficiency loss is the principal difficulties to coal fired power generation unit with carbon capture facility.In order to quantitative analysis the relationship with the efficiency loss and the carbon capture，a model was developed to simulate the whole coal fired power generating system with carbon capture module and the impaction of complete carbon capture，different capture capacity and the regeneration energy consumption on the unit performance was studied.The study found that full carbon capture for a 660MW power unit made a sharp drop of nearly 11.2%in net power efficiency and the increase of capture capacity cause the decrease of the main power unit performance index，and about every 10%increase in capacity decrease the net power efficiency 1.24%on average.The carbon capture energy consumption could be reduced to bring down the influence of post carbon capture on power unit performance via the energy conservation absorption solution development and process optimization.

coal－fired power generation unit;post combustion capture;unit performance

X701.7

B

1674－8069(2016)05－019－03

2016-05-20

鞠付棟(1981-)，男，山東德州人，高級工程師，主要從事清潔高效火力發(fā)電系統(tǒng)設計咨詢。E－mail:Jufd@ncpe.com.cn

國家國際科技合作計劃項目“中美二氧化碳捕集與封存技術的聯(lián)合研究”(2013DFB60140)