1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 7, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 7, стр. 29-50

Эксергетический анализ новых термодинамических циклов с улавливанием диоксида углерода

А. С. Косой a, b, А. А. Косой a, c, О. С. Попель a, Ю. А. Зейгарник a, М. В. Синкевич a, *, С. П. Филиппов d

a Объединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАН
125412 Москва, Ижорская ул., д. 13, стр. 2, Россия

b ПАО НПО “Алмаз” им. академика А.А. Расплетина
125190 Москва, Ленинградский просп., д. 80, корп. 16, Россия

c Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

d Институт энергетических исследований РАН
117186 Москва, Нагорная ул., д. 31, корп. 2, Россия

* E-mail: smvmikl@mail.ru

Поступила в редакцию 24.08.2022
После доработки 16.12.2022
Принята к публикации 23.12.2022

Аннотация

Представлены результаты эксергетического анализа двух новых термодинамических циклов: цикла Аллама и цикла бескомпрессорной парогазовой установки (ОИВТ). Их принципиальной особенностью является возможность вывода диоксида углерода, образующегося при сжигании органического топлива, непосредственно из цикла энергетической установки. Это делает такие установки чрезвычайно привлекательными для проведения декарбонизации энергетики. Установки на основе цикла ОИВТ являются более универсальными, поскольку позволяют производить не только электрическую, но и тепловую энергию для централизованного теплоснабжения, а также обеспечивать вывод углекислого газа из цикла не в газообразном, а в жидком виде, более удобном для транспортировки к потребителю и/или захоронения. Показано, что электрический КПД установки на основе цикла Аллама составляет 58.1%, а на основе цикла ОИВТ при работе в режиме когенерации – 45.5% при общей эффективности использования топлива 92.5%. При отсутствии отпуска тепла электрический КПД цикла ОИВТ приближается к КПД цикла Аллама. Расчеты сопровождены детальным представлением рассматриваемых циклов на T, s-диаграмме. Выделены процессы, в которых происходят основные потери эксергии. Сделан вывод, что рассмотренные установки могут составить реальную конкуренцию традиционным энергоустановкам с улавливанием диоксида углерода сорбционными и мембранными методами. Для верификации методики и расчетной модели предварительно был выполнен эксергетический анализ традиционной газотурбинной установки простого цикла ГТУ-110, парогазовой установки на его основе электрической мощностью 325 МВт и микротурбины с регенерацией Capstone C30. Выделены основные научно-технические задачи, требующие решения для успешного освоения рассмотренных инновационных циклов. Они включают в себя создание теплового регенератора со степенью рекуперации более 95%, работающего при температуре около 1000 K, кислородно-топливной камеры сгорания на давление более 30 МПа, парогазовой турбины с рабочим телом, имеющим температуру на входе более 1400 K и давление выше 30 МПа. Эти задачи не представляются более сложными, чем те, что ставились и успешно решались при создании современных высокотемпературных газотурбинных установок большой мощности.

Ключевые слова: декарбонизация, энергетическая установка, кислородно-топливное горение, термодинамический цикл, эксергетический анализ, эксергия, анергия, газотурбинная установка, диоксид углерода

Список литературы

  1. High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide / R.J. Allam, M.R. Palmer, G.W. Brown, Jr., J. Fetvedta, D. Freeda, H. Nomoto, M. Itoh, N. Okita, C. Jones, Jr. // Energy Procedia. 2013. V. 37. P. 1135–1149. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.05.211

  2. Пат. 2651918 РФ. Способ и установка для выработки механической и тепловой энергии / А.С. Косой, О.С. Попель, М.В. Синкевич // Б.И. 2018. № 12.

  3. Пат. 2665794 РФ. Способ и установка для выработки механической и тепловой энергии / А.С. Косой, А.А. Косой, М.В. Синкевич, А.Ю. Антипов // Б.И. 2018. № 25.

  4. Концептуальная схема парогазовой установки с полным улавливанием диоксида углерода из продуктов сгорания / А.С. Косой, Ю.А. Зейгарник, О.С. Попель, М.В. Синкевич, С.П. Филиппов, В.Я. Штеренберг // Теплоэнергетика. 2018. № 9. С. 23–32.https://doi.org/10.1134/S0040363618090047

  5. Ольховский Г.Г. Газовые турбины для энергетики // Теплоэнергетика. 2004. № 1. С. 33–43.

  6. Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г. Теплоэнергетические технологии в период до 2030 г. // Изв. АН. Энергетика. 2008. № 6. С. 79–94.

  7. Turbine Technology Directory 2022 // Modern Power System. July-Aug. 2022.

  8. Мошкарин А.В., Мельников Ю.В., Торгов В.В. Анализ показателей работы ПГУ-325 на частичных нагрузках // Вестник ИГЭУ. 2009. Вып. 2. С. 1–8.

  9. Ольховский Г.Г. Парогазовые установки: вчера, сегодня, завтра (обзор) // Теплоэнергетика. 2016. № 7. С. 38–45. https://doi.org/10.1134/S0040363616070043

  10. Газотурбинные установки малой мощности в энергетике: пути повышения эффективности и масштабов внедрения / А.С. Косой, О.С. Попель, В.Н. Бесчастных, Ю.А. Зейгарник, М.В. Синкевич // Теплоэнергетика. 2017. № 10. С. 25–32. https://doi.org/10.1134/S004036361710006X

  11. Технические данные БПЦ инжиниринг. www.bpcenergy.ru/equipment/capstone/

  12. Analysis of the compressorless combined cycle gas turbine unit performance efficiency in district heating systems / Y. Borisov, N. Fominykh, E. Ramazanov, O. Popel // E3S Web. Conf. 2020. V. 209. No. 11. P. 03008. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020903008

  13. Thermodynamic optimization and equipment development for a high efficient fossil fuel power plant with zero emissions / A. Rogalev, E. Grigoriev, V. Kindra, N. Rogalev // J. Clean. Prod. 2019. V. 236. P. 117592. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.07.067

  14. Numerical study of heat transfer in rectangular channels with single pin fin and pin fin-dimple / A.N. Rogalev, N.D. Rogalev, V.O. Kindra, S.K. Osipov, A.S. Zonov // E3S Web Conf. 2019. V. 124. 01010. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401010

  15. Sinkevich M., Kosoy A., Popel O. Comparative analysis of the Allam cycle and the cycle of compressorless combined cycle gas turbine unit // E3S Web Conf. 2020. V. 209. P. 03023. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020903023

  16. Филиппов С.П. Экономические характеристики технологий улавливания и захоронения диоксида углерода (обзор) // Теплоэнергетика. 2020. № 10. С. 17–31. https://doi.org/10.56304/S0040363622100022

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал