Study of steam turbine unit operation using natural gas combustion in pure oxygen to ensure decarbonisation through gas path modernization (using the example of a TGM-94 (EP-500/140) steam boiler)

Abstract

The research is aimed at substantiating the technical use of natural gas combustion in an environment with a high oxygen content and, in the long-run objective - in pure oxygen in a steam turbine power unit. To achieve this aim, the following problems were solved: the development of a mathematical model of a steam turbine power unit for operation when burning natural gas in pure oxygen, a numerical study of the power unit operation when replacing air with oxygen from 0 to 100%, and an assessment of the efficiency of the equipment in these modes. The most important result is an increase in the efficiency of the steam turbine power unit when switching to burning natural gas in an environment with a high oxygen content. The significance of the results obtained is to ensure the efficiency of CO2 capture from flue gases without a complete reconstruction of the facility. The object of the study was the Krasnodar Thermal Power Plant. In the study, the previously verified mathematical model of the power unit was modified. The model was created using the Boiler Designer software product. The mathematical model was modified by zeroing air leaks into the boiler gas path, replacing the regenerative air heater with a tubular one, and bypassing the air heater along the flue gases when operating on an oxygen-air mixture. The maximum increase in the boiler unit efficiency is 0.6% and is in the range of air substitution with oxygen from 40 to 60%.

Cercetarea are ca scop fundamentarea utilizării tehnice a arderii gazelor naturale într-un mediu cu conținut ridicat de oxigen; și în obiectiv pe termen lung - în oxigen pur într-o unitate de putere cu turbină cu abur. Pentru a atinge acest scop, au fost rezolvate următoarele probleme: dezvoltarea unui model matematic al unei unități de putere cu turbină cu abur pentru funcționarea la arderea gazelor naturale în oxigen pur, un studiu numeric al funcționării unității de putere la înlocuirea aerului cu oxigen de la 0 la 100% , și o evaluare a eficienței echipamentului în aceste moduri. Cel mai important rezultat este o creștere a eficienței unității de putere a turbinei cu abur la trecerea la arderea gazelor naturale într-un mediu cu conținut ridicat de oxigen. Semnificația rezultatelor obținute este asigurarea eficienței captării CO2 din gazele de ardere fără o reconstrucție completă a instalației. Obiectul studiului a fost Centrala Termoelectrică Krasnodar. În studiu, modelul matematic verificat anterior al unității de putere a fost modificat. Modelul a fost creat folosind produsul software Boiler Designer. Modelul matematic a fost modificat prin reducerea la zero a scurgerilor de aer în calea gazului cazanului, înlocuirea încălzitorului de aer regenerativ cu unul tubular și ocolirea încălzitorului de aer de-a lungul gazelor de ardere atunci când funcționează cu un amestec de oxigen-aer. Creșterea maximă a randamentului unității cazanului este de 0,6% și se află în intervalul de înlocuire a aerului cu oxigen de la 40 la 60%.

Целью работы является обоснование возможности технической реализации сжигания природного газа в среде с повышенным содержанием кислорода, а в пределе – в чистом кислороде на паротурбинном энергоблоке. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработка математической модели паротурбинного энергоблока для работы при сжигании природного газа в чистом кислороде, численное исследование работы энергоблока при замещении воздуха кислородом от 0 до 100%, оценка эффективности работы оборудования в этих режимах. Наиболее важным результатом является подтверждение повышения эффективности работы паротурбинного энергоблока при переходе на сжигание природного газа в среде с повышенным содержанием кислорода. Значимость полученных результатов состоит в обеспечении эффективности улавливания CO2 из дымовых газов без полной реконструкции объекта. Объектом исследования выбрана Краснодарская ТЭЦ. В этом исследовании была доработана ранее верифицированная математическая модель энергоблока. Создание модели проводилось с использованием программного продукта Boiler Designer. Математическая модель была доработана путем обнуления присосов воздуха в газовый тракт котла, заменой регенеративного воздухоподогревателя на трубчатый и обвода воздухоподогревателя по дымовым газам при работе на смеси кислорода с воздухом. Максимальный прирост КПД котлоагрегата составляет 0.6% и находится он в диапазоне доли замещения воздуха кислородом от 40 до 60%. Снижение составляет 3.4 г ут. / кВт*ч по сравнению с работой энергоблока на чистом воздухе. Сам по себе переход на кислородное сжигание природного газа не приводит к снижению массового расхода выбрасываемого CO2. Однако, из-за существенного снижения количества азота в составе дымовых газов концентрация углекислого газа в них возрастает с 9.1 до 33.1% объемных и с 14.6 до 54.3% массовых.