Thermodynamic Analysis of Semi-Closed Cycles with Oxy-Fuel Combustion and Carbon Dioxide-Steam Working Fluid

V. O. Kindra; Киндра В. О.; I. I. Komarov; Комаров И. И.; S. K. Osipov; Осипов С. К.; O. V. Zlyvko; Злывко О. В.; V. Yu. Naumov; Наумов В. Ю.

doi:10.31857/S0002331023030056

Термодинамический анализ полузакрытых циклов с кислородным сжиганием топлива и углекислотно-паровым теплоносителем

Авторы: Киндра В.О.¹, Комаров И.И.¹, Осипов С.К.¹, Злывко О.В.¹, Наумов В.Ю.¹
Учреждения:
1. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет “МЭИ”
Выпуск: № 3 (2023)
Страницы: 18-33
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0002-3310/article/view/136949
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002331023030056
EDN: https://elibrary.ru/TAMVRV
ID: 136949

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Снижение выбросов вредных веществ при производстве электроэнергии на тепловых электрических станциях возможно за счет перехода на полузакрытые газотурбинные циклы с кислородно-топливным сжиганием и углекислотно-паровым рабочим телом. Их основными преимуществами по сравнению с закрытыми циклами Ренкина на водяном паре и открытыми циклами Брайтона на продуктах сгорания топливно-воздушной смеси являются отсутствие опасности образования токсичных веществ и эффективная, основанная на термодинамическом принципе сепарация компонентов теплоносителя, позволяющая впоследствии утилизировать диоксид углерода высокой чистоты. В настоящей работе представлены результаты термодинамического анализа энергетических показателей наиболее известных кислородно-топливных циклов с углекислотно-паровым рабочим телом. Подробно описана методика моделирования тепловых схем перспективных энергетических комплексов, учитывающая потери на охлаждение высокотемпературных углекислотных турбин, затраты энергии на производство и сжатие кислорода, а также сжатие углекислого газа перед захоронением. По результатам математического моделирования установлено, что электрический КПД нетто для полузакрытого комбинированного цикла с кислородным сжиганием топлива может достигать значения 44.5% при температуре на входе в газовую турбину 1400°С, а для цикла Аллама – 43.2% при 1100°С.

Ключевые слова

выбросы, диоксид углерода, эффективность, рециркуляция, воздухоразделительная установка, энергетический баланс, моделирование

Список литературы

Pata U.K. Linking renewable energy, globalization, agriculture, CO2 emissions and ecological footprint in BRIC countries: A sustainability perspective // Renewable Energy. 2021. V. 173. P. 197–208.
Emissions from public electricity and heat production-explanatory indicators (ENER 009) – European Environment Agency [Electronic resource]: Indicator Specification. URL: https://www. eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/emissions-co2-so2-nox-from-1 (accessed: 17.06.2022).
US EPA OAR. Sources of Greenhouse Gas Emissions [Electronic resource]: Overviews and Factsheets. 2015. URL: https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-greenhouse-gas-emissions (accessed: 17.06.2022).
Jacobson M.Z. The health and climate impacts of carbon capture and direct air capture // Energy Environ. Sci. 2019. V. 12. № 12. P. 3567–3574.
Rogalev A. et al. Research and Development of the Oxy-Fuel Combustion Power Cycles with CO2 Recirculation // Energies. 2021. V. 14. № 10. P. 2927.
Allam R. et al. Demonstration of the Allam Cycle: An Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture // Energy Procedia. 2017. V. 114. P. 5948–5966.
Allam R.J. et al. High Efficiency and Low Cost of Electricity Generation from Fossil Fuels While Eliminating Atmospheric Emissions, Including Carbon Dioxide // Energy Procedia. 2013. V. 37. P. 1135–1149.
Aspen Technology Inc. Aspen Plus [Electronic resource]: USA. 2013. URL: https://www.aspentech.com/en/products/engineering/aspen-plus (accessed: 19.07.2021).
Рогалев А. и др. Исследование экологически безопасных энергетических комплексов с кислородным сжиганием топлива // Новое в российской электроэнергетике. 2019. № 8. P. 6–25.
Yang H. et al. Evaluation of design performance of the semi-closed oxy-fuel combustion combined cycle // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2012. V. 134. № 11.
Kindra V.O. et al. Parametric optimization of the semi-closed oxy-fuel combustion combined cycle // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1683. № 5. P. 052028.
Rogalev A. et al. Thermodynamic optimization and equipment development for a high efficient fossil fuel power plant with zero emissions // Journal of Cleaner Production. 2019. V. 236. P. 117592.
Трухний А.Д. Парогазовые установки электростанций: учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2017. P. 675.
Choi B.S. Influence of a recuperator on the performance of the semi-closed oxy-fuel combustion combined cycle // Applied Thermal Engineering. 2017. P. 11.
Mitchell C. et al. An initial assessment of the value of Allam Cycle power plants with liquid oxygen storage in future GB electricity system // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2019. V. 87. P. 1–18.
Scaccabarozzi R., Gatti M., Martelli E. Thermodynamic analysis and numerical optimization of the NET Power oxy-combustion cycle // Applied Energy. 2016. V. 178. P. 505–526.
Zhao Y. et al. Parametric study of a direct-fired supercritical carbon dioxide power cycle coupled to coal gasification process // Energy Conversion and Management. 2018. V. 156. P. 733–745.
Lemmon E.W. et al. NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 10.0, National Institute of Standards and Technology. 2018.
Bertini M. et al. Evaluation of the property methods for pure and mixture of CO2 for power cycles analysis // Energy Conversion and Management. 2021. V. 245. P. 114568.
White C.W., Weiland N.T. Evaluation of Property Methods for Modeling Direct-Supercritical CO2 Power Cycles // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2018. V. 140. № 1. P. 011701.
Ануров С.А. Криогенные технологии разделения газов. ООО “АР-Консалт”. М.: Общество с ограниченной ответственностью АР-Консалт, 2017. С. 233.
Кортиков А., Тарасова Е., Агекян Г. Современные типы воздухоразделительных установок ОАО Криогенмаш для получения технического кислорода // Технические газы. 2010. № 2. С. 31–38.
Dokhaee E. et al. Simulation of the Allam cycle with carbon dioxide working fluid and comparison with Brayton cycle // Int J Energy Environ Eng. 2021. V. 12. № 3. P. 543–550.