Performance Improvement of CFB Boiler Power Plant with Enhancing Flue Gas Heat Recovery
Marjomaa, Pekko (2019)
2019
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-11-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911226202
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911226202
Tiivistelmä
Flue gas loss is the major loss of a thermal power plant and minimizing it is thereby a key factor in performance improvement of a power plant. Circulating fluidized bed (CFB) can be used for combustion of high-moisture solid fuels. Acid dew point sets challenges for utilization of flue gas thermal energy, especially when moist fuel is used. Secondly availability of suitable applications for recovered heat may limit the design of heat recovery systems. Comparison of different heat recovery system can be used to study the feasibility of heat recovery systems for power plant efficiency improvement. Analysis of elements that affect the efficiency of flue gas heat recovery systems can be applied to generate more efficient flue gas heat recovery systems.
Solutions for power plant efficiency improvement by using flue gas heat recovery systems for different preheating applications of a power plant process were studied in this thesis. Flue gas heat recovery concepts of condensing power plants studied in the literature were used as basis. These concepts were also adapted for combined heat and power (CHP) plants. Study was thermo-technical analysis where turbine and flue gas systems as well as boiler of a power plant were modelled and calculated by using two different software. In the study an existing CFB-powered CHP plant was used as a reference concept. The reference concept was further modified to develop alternative flue gas heat recovery concepts for CHP and condensing power plants.
Feasibility of different flue gas heat recovery systems were determined by comparing and analyzing the calculation results for performance improvement of CHP and condensing power plants. The results of condensing power plant concepts were also compared to the results of similar concepts found in the literature. Efficiencies of the different flue gas heat recovery systems that were used for compensating turbine extraction steam and thus increasing the turbine power were studied and analyzed.
Studied flue gas heat recovery systems were found to increase the efficiency of a condensing power plant significantly. Flue gas heat recovery system can be used to lower minimum heat output and to increase the electrical output of a CHP plant that is equipped with flue gas condensing system. This improves the flexibility of the plant operation in the cases of low heat demand. Equations, that can be used for estimation of turbine power change without an extensive process modelling and calculation, were derived. Savukaasuhäviö on termisen voimalaitoksen suurin yksittäinen häviö ja sen pienentäminen on avainasemassa voimalaitoksen suorituskykyä parannettaessa. Kiertoleijupetikattila (CFB) soveltuu hyvin kiinteiden polttoaineiden polttoon, joilla on korkea kosteuspitoisuus. Savukaasujen sisältämän lämpöenergian hyödyntämisen haasteina ovat savukaasun happokastepiste, etenkin kostealla polttoaineella, sekä toisaalta sopivat talteen otetun lämpöenergian hyödyntämiskohteet. Erilaisten savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuuden vertailulla voidaan tarkastella järjestelmien soveltuvuutta voimalaitoksen suorituskyvyn parantamiseen. Lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuuteen vaikuttavien tekijöiden analysointia voidaan käyttää apuna tehokkaampien savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien kehittämisessä.
Työssä etsittiin ratkaisuja voimalaitoksen suorituskyvyn parantamiseksi hyödyntämällä savukaasujen lämpöenergiaa voimalaitosprosessin eri esilämmitysvaiheissa. Työn pohjana käytettiin erilaisia alan kirjallisuudessa tutkittuja lauhdevoimalaitosten savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien kytkentöjä. Lisäksi kytkentöjä sovellettiin sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokseen (CHP). Työ toteutettiin termoteknisenä tarkasteluna mallintamalla ja laskemalla voimalaitoksen turbiini- ja savukaasujärjestelmät sekä kattila kahdella erillisellä ohjelmalla. Referenssilaitoksena tarkastelussa käytettiin todellista kiertoleijupetikattilakäyttöistä CHP-laitosta, jonka pohjalta laadittiin vaihtoehtoisia savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmiä CHP- ja lauhdevoimalaitoksille.
Laskentojen tuloksia vertailemalla ja analysoimalla selvitettiin eri lämmöntalteenottojärjestelmien soveltuvuutta sekä CHP- että lauhdevoimalaitoksien suorituskyvyn parantamiseksi. Lauhdevoimalaitosten lämmöntalteenottojärjestelmien tuloksia verrattiin myös kirjallisuudesta löytyviin vastaavien kytkentöjen tuloksiin. Työssä tarkasteltiin ja analysoitiin lisäksi lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuutta, joita käytettiin turbiinin väliottohöyryn korvaamiseksi ja siten turbiinitehon kasvattamiseksi.
Tarkasteltujen savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien havaittiin parantavan lauhdevoimalaitosten suorituskykyä merkittävästi. Savukaasun lauhdutuksella varustetussa CHP-laitoksessa löydettiin keino käyttää savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmää pienentämään tuotettua minimilämpökuormaa samalla nostaen sähköntuotannon osuutta kokonaishyötysuhteen kärsimättä. Tätä voidaan käyttää laitoksen joustavuuden parantamiseksi ajotilanteissa, joissa tuotetun lämmön tarve on pientä. Lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuuden tarkastelun ja analysoinnin perusteella johdettiin yhtälöt, joilla voidaan arvioida lämmöntalteenottojärjestelmän vaikutusta turbiinitehon muutokseen ilman turbiinijärjestelmän mallintamista ja kokonaisvaltaista turbiinitaseen laskentaa.
Solutions for power plant efficiency improvement by using flue gas heat recovery systems for different preheating applications of a power plant process were studied in this thesis. Flue gas heat recovery concepts of condensing power plants studied in the literature were used as basis. These concepts were also adapted for combined heat and power (CHP) plants. Study was thermo-technical analysis where turbine and flue gas systems as well as boiler of a power plant were modelled and calculated by using two different software. In the study an existing CFB-powered CHP plant was used as a reference concept. The reference concept was further modified to develop alternative flue gas heat recovery concepts for CHP and condensing power plants.
Feasibility of different flue gas heat recovery systems were determined by comparing and analyzing the calculation results for performance improvement of CHP and condensing power plants. The results of condensing power plant concepts were also compared to the results of similar concepts found in the literature. Efficiencies of the different flue gas heat recovery systems that were used for compensating turbine extraction steam and thus increasing the turbine power were studied and analyzed.
Studied flue gas heat recovery systems were found to increase the efficiency of a condensing power plant significantly. Flue gas heat recovery system can be used to lower minimum heat output and to increase the electrical output of a CHP plant that is equipped with flue gas condensing system. This improves the flexibility of the plant operation in the cases of low heat demand. Equations, that can be used for estimation of turbine power change without an extensive process modelling and calculation, were derived.
Työssä etsittiin ratkaisuja voimalaitoksen suorituskyvyn parantamiseksi hyödyntämällä savukaasujen lämpöenergiaa voimalaitosprosessin eri esilämmitysvaiheissa. Työn pohjana käytettiin erilaisia alan kirjallisuudessa tutkittuja lauhdevoimalaitosten savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien kytkentöjä. Lisäksi kytkentöjä sovellettiin sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokseen (CHP). Työ toteutettiin termoteknisenä tarkasteluna mallintamalla ja laskemalla voimalaitoksen turbiini- ja savukaasujärjestelmät sekä kattila kahdella erillisellä ohjelmalla. Referenssilaitoksena tarkastelussa käytettiin todellista kiertoleijupetikattilakäyttöistä CHP-laitosta, jonka pohjalta laadittiin vaihtoehtoisia savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmiä CHP- ja lauhdevoimalaitoksille.
Laskentojen tuloksia vertailemalla ja analysoimalla selvitettiin eri lämmöntalteenottojärjestelmien soveltuvuutta sekä CHP- että lauhdevoimalaitoksien suorituskyvyn parantamiseksi. Lauhdevoimalaitosten lämmöntalteenottojärjestelmien tuloksia verrattiin myös kirjallisuudesta löytyviin vastaavien kytkentöjen tuloksiin. Työssä tarkasteltiin ja analysoitiin lisäksi lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuutta, joita käytettiin turbiinin väliottohöyryn korvaamiseksi ja siten turbiinitehon kasvattamiseksi.
Tarkasteltujen savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmien havaittiin parantavan lauhdevoimalaitosten suorituskykyä merkittävästi. Savukaasun lauhdutuksella varustetussa CHP-laitoksessa löydettiin keino käyttää savukaasun lämmöntalteenottojärjestelmää pienentämään tuotettua minimilämpökuormaa samalla nostaen sähköntuotannon osuutta kokonaishyötysuhteen kärsimättä. Tätä voidaan käyttää laitoksen joustavuuden parantamiseksi ajotilanteissa, joissa tuotetun lämmön tarve on pientä. Lämmöntalteenottojärjestelmien tehokkuuden tarkastelun ja analysoinnin perusteella johdettiin yhtälöt, joilla voidaan arvioida lämmöntalteenottojärjestelmän vaikutusta turbiinitehon muutokseen ilman turbiinijärjestelmän mallintamista ja kokonaisvaltaista turbiinitaseen laskentaa.