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Thermo-economic evaluation, optimization and synthesis of large-scale coal-fired power plants
Wang, Ligang
A key lever to cope with the well-known issues related to today's extensive use of fossil fuels, e.g., global warming, is to design highly energy-efficient and cost-effective pulverized coal-fired power plants. Future coal-fired power plants will be with high temperature and pressure levels, multiple heat sources, multiple products, and many available technologies integrated to efficiently utilize different-grade heat. This pinpoints the significance of the system improvement and optimization. This thesis investigates progressively the methodologies for the improvement and optimization of system configurations of pulverized-coal power plants, i.e., the employed components and their interconnections. Structural improvement can be effectively proposed by combining exergy-based analysis with engineers' judgments. The structural optimization (optimal synthesis) is not a trivial task and can be best addressed by mathematical programming (i.e., superstructure-based and -free optimization methods), since automatic generation and identification of structural alternatives is usually involved. This thesis involves further development of the exergy-based analysis, superstructure-based and -free synthesis approaches and their applications to pulverized-coal power plants. Conventional exergy-based analysis can only identify the location and magnitude of inefficiencies, while an advanced analysis further reveals their source and avoidability by splitting each inefficiency into endogenous/exogenous and avoidable/unavoidable parts and their combinations. In the thesis, a new approach of calculating endogenous exergy destructions is introduced and a modern ultra-supercritical coal-fired power plant is evaluated in detail and comprehensively. The results show that over half of the avoidable inefficiencies within most components are endogenous, and the portion differs significantly for different components. Only nearly 10% of the costs of the whole system could be avoided for modern industrial designs at present. In addition, moving convection-leading heating surfaces into the furnace and increasing air preheating temperature are suggested for performance enhancement. The superstructure-based synthesis approach requires the user to manually define a priori the potential solution space through the modeling of a superstructure. In this thesis, superstructure-based synthesis is applied to investigate classical considerations for future plant design, e.g., numbers of reheating and feedwater preheating, reheating pressure and temperature, enthalpy-rise distribution of feedwater in feedwater preheaters. These promising structural alternatives are less likely excluded from the well-defined graphical superstructure built by a simulator. Structural alternatives and other continuous decision variables are continuously manipulated and optimized by specially-designed mutation and crossover operations, while each alternative is evaluated by system simulations. The matches of steam conditions are discussed with optimal reheating ratios. It is found that only when the throttle pressure reaches a specific value corresponding to each temperature level could the benefits from increasing steam temperature levels be fully obtained. Moreover, increasing steam conditions is not cost-effective compared with adjusting other decision variables (e.g., isentropic efficiencies of turbines) to improve the plant efficiency. For complex synthesis problems, a superstructure cannot guarantee to contain all good alternatives (in particular, the optimal solution), while it might consider a large number of meaningless or even infeasible alternatives. To circumvent the use of superstructures, a generic superstructure-free synthesis approach tailored for distributed energy supply systems is extended and re-implemented for thermal power plants in the thesis. The approach employs hybrid optimization integrating evolutionary and deterministic optimization to enable simultaneous alternatives generation and optimization. Given structures are mutated based on an energy conversion hierarchy, which classifies energy conversion technologies according their function. This allows the use of a minimum number of mutation rules. The original set of mutation rules is enriched by an efficient insertion rule, which enables the addition of any technology that has not been existing in the parent structures. The applications show that the superstructure-free approach automatically identifies complex structures with new features, and it is highly extensible and stable for even very complex problems. High-quality fronts (not only the Pareto fronts) are obtained by both superstructure-based and -free approaches for the trade-offs between plant efficiency and the cost of electricity. The change of the optimal cost of electricity with respect to each possible plant efficiency is presented. The Pareto solutions near the economically-optimal solution turn out to have similar thermodynamic and economic performances, suggesting that there are plenty different good design alternatives. However, for the set of Pareto solutions far away from the economically-optimal solution, the minimum cost of electricity increases significantly when increasing plant efficiency, suggesting that these solutions are not recommended in practice. Due to the lack of real-world cost functions, the cost functions employed in both superstructure-based and -free approaches are obtained from limited published cost data. These cost functions lead to optimal and near-optimal solutions, particularly of the superstructure-free approach, with more units (e.g., reheaters and de-superheaters) than currently found in modern power plants. This indicates that there is a need to revise the cost functions to reflect the industrial practices at present. However, the applications in the thesis show that the presented superstructure-free synthesis approach is promising to cope with complex synthesis problems of pulverized-coal power plants for integrating a number of available energy- and cost-saving technologies.
Der beträchtliche Verbrauch von fossilen Brennstoffen heutzutage und die damit verbundenen Konsequenzen, wie beispielsweise die globale Erderwärmung, sind allseits bekannt. Einen Schlüssel im Umgang mit diesem Problem stellt das Design von hochenergieeffizienten und kosteneffektiven kohlegefeuerten Kraftwerken mit pulverisierter Kohle dar. Zukünftige kohlegefeuerte Kraftwerke werden über hohe Temperatur- und Druckniveaus, mehrfache Hitzequellen und Produkte sowie über eine Vielzahl integrierter Technologien verfügen, um unterschiedliche Hitzegrade effizient nutzen zu können. Der Systemverbesserung und -optimierung kommt somit eine hohe Bedeutung zu. Die vorliegende Arbeit untersucht stufenweise die Methodiken für die Verbesserung und Optimierung von Systemkonfigurationen von kohlegefeuerten Kraftwerken mit pulverisierter Kohle; d.h. es werden die zum Einsatz kommenden Bestandteile und ihre Querverbindungen untersucht. Durch die Kombination von exergiebasierter Analyse mit ingenieurkundlichem Urteilsvermögen kann eine strukturelle Verbesserung in der Tat vorgeschlagen werden. Die strukturelle Optimierung (optimale Synthese) stellt keinesfalls eine banale Aufgabe dar und kann am besten durch mathematische Programmierung (d.h. superstrukturbasierte und superstrukturfreie Optimierungsmethoden) bewältigt werden; schließlich sind automatische Generierung und Identifizierung der strukturellen Alternative gewöhnlich bereits einbezogen. Diese Arbeit bezieht weiterhin die Entwicklung der exergiebasierten Analyse, superstrukturbasierte und superstrukturfreie Synthese-Ansätze und ihre Anwendungen in Kraftwerken mit pulverisierter Kohle ein. Die herkömmliche exergiebasierte Analyse kann lediglich den Ort und die Stärke von Ineffizienzen identifizieren. Dagegen kann eine erweiterte Analyse zusätzlich deren Quelle und Vermeidbarkeit aufzeigen, indem sie jede Ineffizienz in endogene/exogene und vermeidbare/unvermeidbare Teile aufteilt und auch Kombinationen davon aufzeigt. Diese Arbeit stellt einen neuen Ansatz zur Kalkulierung endogener Exergie-Zerstörungen vor und evaluiert detailliert und umfassend ein modernes ultra-superkritisches kohlegefeuertes Kraftwerk. Die Ergebnisse zeigen, dass über die Hälfte der vermeidbaren Ineffizienzen innerhalb der meisten Bestandteile endogener Natur sind, und dass ihr Anteil je nach Bestandteil signifikante Unterschiede aufweist. Lediglich knapp 10% der Gesamtkosten des Systems konnten bislang bei modernen Industrie-Designs eingespart werden. Zusätzlich werden die Verlagerung der konvektionsgeführten Heizoberflächen in die Ofenanlage und die Erhöhung der Temperatur bei der Luftvorwärmung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit vorgeschlagen. Der Nutzer ist beim superstrukturbasierten Synthese-Ansatz gefordert, den potentiellen Lösungsraum durch das Modellieren einer Superstruktur a priori manuell festzulegen. In dieser Arbeit wird die superstrukturbasierte Synthese angewendet, um die klassischen Betrachtungen für das Design zukünftiger Kraftwerke zu untersuchen. Das sind beispielsweise Häufigkeit von Wiedererhitzen und Speisewasservorwärmung, Wiedererhitzungsdruck und -temperatur oder Enthalpie-steigernde Verteilung von Speisewasser in Speisewasservorwärmern. Es ist weniger wahrscheinlich, dass diese vielversprechenden strukturellen Alternativen von der vordefinierten graphischen Superstruktur eines Simulators ausgeschlossen werden. Strukturelle Alternativen und andere kontinuierliche Entscheidungsvariablen werden von speziell konstruierten Mutations- und übergreifenden Abläufen ständig manipuliert und optimiert, während jede Alternative von Systemsimulatoren evaluiert wird. Die Übereinstimmungen der Dampfzustände werden mit optimalen Wiedererwärmungskennzahlen diskutiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass nur bei Erreichen eines spezifischen Wertes des Drosseldrucks, der mit dem jeweiligen Temperaturniveau korrespondiert, der Nutzen eines erhöhten Dampftemperaturniveaus vollständig ausgeschöpft werden kann. Zudem ist eine Erhöhung der Dampfzustände im Vergleich zur Veränderung anderer Variablen (wie beispielsweise isentropische Effizienzen von Turbinen) zur Verbesserung der Effizienz des Kraftwerkes nicht kosteneffizient. Für komplexe Probleme der Synthese kann eine Superstruktur nicht das Aufzeigen aller guten Alternativen (insbesondere der optimalen Lösung) garantieren und zeigt stattdessen möglicherweise eine große Anzahl bedeutungsloser oder sogar undurchführbarer Alternativen auf. Um die Nutzung von Superstrukturen zu umgehen, weitet die vorliegende Arbeit den generischen superstrukturfreien Synthese-Ansatz, der auf verteilte Energielieferungssysteme zugeschnitten ist, aus und reimplementiert ihn für Wärmekraftwerke. Dieser Ansatz bedient sich der hybriden Optimierung und integriert evolutionäre und deterministische Optimierung, um die simultane Generierung und Optimierung von Alternativen zu ermöglichen. Gegebene Strukturen werden basierend auf einer Energieumwandlungshierarchie verwandelt, die die Technologien zur Energieumwandlung entsprechend ihrer Funktion klassifiziert. Die Nutzung von Verwandlungsregeln wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Die herkömmliche Auswahl an Verwandlungsregeln wird um eine effiziente Einschub-Regel angereichert, welche den Zusatz jeglicher Technologien ermöglicht, die in der Ausgangsstruktur nicht vorhanden waren. Die Anwendungen zeigen, dass der superstrukturfreie Ansatz automatisch komplexe Strukturen mit neuen Merkmalen identifiziert und dass er sich selbst für sehr komplexe Probleme als hochdehnbar und stabil erweist. Hochqualitative Fronten (und nicht nur Pareto-Fronten) werden für die Widersprüche zwischen Anlagen-Effizienz und den Kosten für Elektrizität sowohl durch superstrukturbasierte als auch durch superstrukturfreie Ansätze erreicht. Die Änderung der optimalen Elektrizitätskosten im Hinblick auf jede mögliche Anlagen-Effizienz wird vorgestellt. Die Pareto-Lösungen nahe der ökonomisch optimalsten Lösung weisen ähnliche thermodynamische und ökonomische Leistungsfähigkeiten auf, was vermuten lässt, dass es eine Vielzahl guter Design-Alternativen gibt. Für die diejenigen Pareto-Lösungen jedoch, die sich weit weg von der ökonomisch optimalsten Lösung befinden, steigen die minimalen Elektrizitätskosten bei Erhöhung der Anlagen-Effizienz signifikant an, was eine Empfehlung für die Praxis kaum nahelegt. Aufgrund des Mangels an Kostenfunktionen in der realen Welt sind die in den superstrukturbasierten und superstrukturfreien Ansätzen angewendeten Kostenfunktionen den begrenzten veröffentlichten Kostendaten entnommen. Diese Kostenfunktionen führen zu optimalen und nahezu optimalen Lösungen. Dies ist insbesondere beim superstrukturfreien Ansatz der Fall, der mehr Anlagen (beispielsweise den Wiedererwärmer oder den Entsuperwärmer) einbezieht als gegenwärtig in modernen Kraftwerken vorhanden. Das deutet darauf hin, dass Bedarf besteht, die Kostenfunktionen zu überarbeiten, um sie in die Lage zu versetzen, die gegenwärtigen industriellen Praktiken widerzuspiegeln. Die Anwendungen in dieser Arbeit zeigen jedoch, dass der vorgestellte superstrukturfreie Synthese-Ansatz vielversprechend ist, um mit den komplexen Synthese-Problemen von Kraftwerken mit pulverisierter Kohle umzugehen und eine Vielzahl verfügbarer energie- und kostensparender Technologien zu integrieren.
