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Exergy-based evaluation and optimization of the Allam cycle

Chan, Wen

Due to its inherent carbon capture ability, the oxy-fuel combustion technology is regarded as one of the most prospective methods of tackling CO2 emissions from fossil fuel-fired power plants. As a trans-critical CO2 oxy-fuel cycle, the Allam cycle has received much attention recently because of its high efficiency and simple configuration. In this work, the exergy-based methods were applied to analyze and optimize different schemes of the Allam cycle. Firstly, a novel scheme of the regenerator was developed, and detailed parametric analyses and dual-objective optimization were applied for the basic Allam cycle. Secondly, two configurations of the Allam cycle without heat integration from an air separation unit were evaluated and compared. Thirdly, an Allam cycle co-fired by biomass and natural gas was proposed. The effects of the co-firing ratios, key operating variables, and economic parameters on thermodynamic and economic performance were studied. And a tri-objective optimization was carried out. The parametric analysis of the basic Allam cycle shows that increasing the combustor outlet temperature and the turbomachine efficiencies, using a CO2 compressor with more stages, reducing the minimum temperature difference of the regenerator, and a lower minimum cycle temperature lead to a higher exergetic efficiency. Increasing the maximum cycle pressure and turbomachine efficiencies, using a CO2 compressor with more stages and a lower minimum cycle temperature lead to a lower levelized cost of electricity, while increasing the combustor outlet temperature and the turbine outlet pressure and decreasing the minimum temperature difference of the regenerator will increase the levelized cost of electricity. The Allam cycle with bypass compression has a better economic performance compared to the recompression cycle when the exergetic efficiency is higher than 47.1%. For the co-fired Allam cycle, as the co-firing ratio increases from 20% to 100%, the exergetic efficiency and levelized cost of electricity change from 44.3% to 36.8% and 123.2 $/MWh to 164.4 $/MWh, respectively, while the specific negative CO2 emission increases from 44.5 kg/MWh to 251 kg/MWh. The sensitivity economic analysis reveals that the capacity factor has the highest influence on the levelized cost of electricity, followed by the interest rate. The optimization results of the basic Allam cycle for different cycle configurations and operation parameters reveal that the highest possible exergetic efficiency can be 49.5% while the lowest possible levelized cost of electricity can be 96.3 $/MWh. The highest exergetic efficiency of 46.85%, lowest levelized cost of electricity of 99.57 $/MWh and highest specific negative CO2 emission of 323.6 kg_CO2/MWh for the co-fired Allam cycle are obtained respectively at different optimal points.
Aufgrund der inhärenten Fähigkeit der Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennungstechnologie zur Abscheidung von Kohlenstoff gilt sie als eine der aussichtsreichsten Methoden zur Behandlung von CO2-Emissionen aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken. Als transkritischer CO2-Sauerstoff-Zyklus hat der Allam-Zyklus in der letzten Zeit aufgrund seines hohen Wirkungsgrades und seiner einfachen Konfiguration viel Aufmerksamkeit erhalten. Bei dieser Arbeit werden die auf Exergie-basierenden Methoden zur Analyse und Optimierung verschiedener Systeme des Allam-Zyklusses angewandt. Zunächst wurde ein neuartiges Schema des Regenerators für den Allam-Zyklus entwickelt. Für den Allam-Zyklus wurden detaillierte parametrische Analysen und eine zwei-objektive Optimierung durchgeführt. Zweitens wurden zwei Konfigurationen des Allam-Zyklusses ohne die Wärmeintegration aus einer Luftzerlegungsanlage bewertet und verglichen. Drittens wurde ein Allam-Zyklus vorgeschlagen, der mit Biomasse und Erdgas befeuert wird. Die Auswirkungen des Verhältnisses der Mitverbrennung, der wichtigsten Betriebsvariablen und der wirtschaftlichen Kennwerte auf die thermodynamische und wirtschaftliche Leistung wurden erforscht. Außerdem wurde eine drei-objektive Optimierung durchgeführt. Die parametrische Analyse des Allam-Zyklusses zeigt, dass eine Erhöhung der Brennkammeraustrittstemperatur und der Turbinenwirkungsgrade, die Verwendung eines CO2-Verdichters mit mehr Stufen, die Verringerung der Mindesttemperaturdifferenz des Regenerators und eine niedrigere Mindesttemperatur des Zyklus zu einem höheren exergetischen Wirkungsgrad führen. Eine Erhöhung des maximalen Zyklusdrucks und der Turbomaschinenwirkungsgrade, die Verwendung eines CO2-Verdichters mit mehr Stufen und eine niedrigere minimale Zyklustemperatur führen zu niedrigeren Stromgestehungskosten, während eine Erhöhung der Brennkammeraustrittstemperatur und des Turbinenaustrittsdrucks sowie eine Verringerung der minimalen Temperaturdifferenz des Regenerators die Stromgestehungskosten erhöhen. Der Allam-Zyklus mit Bypass-Kompression hat eine bessere wirtschaftliche Leistung im Vergleich zum Rekompressionszyklus, wenn der exergetische Wirkungsgrad über 47,1% liegt. Beim Allam-Zyklus mit Mitverbrennung ändern sich der exergetische Wirkungsgrad und die Stromgestehungskosten bei einem Anstieg des Mitverbrennungsanteils von 20% auf 100% von 44,3% auf 36,8% bzw. von 123,2 $/MWh auf 164,4 $/MWh, während die spezifischen negativen CO2-Emissionen von 44,5 kg/MWh auf 251 kg/MWh steigen. Die wirtschaftliche Sensitivitätsanalyse zeigt, dass der Kapazitätsfaktor den größten Einfluss auf die Stromgestehungskosten hat, gefolgt vom Zinssatz. Die Optimierungsergebnisse des grundlegenden Allam-Zyklus für verschiedene Zykluskonfigurationen und Betriebsparameter zeigen, dass der höchstmögliche exergetische Wirkungsgrad 49,5% betragen kann, während die niedrigstmöglichen Stromgestehungskosten 96,3 $/MWh betragen können. Der höchste exergetische Wirkungsgrad von 46,85%, die niedrigsten Stromgestehungskosten von 99,57 $/MWh und die höchsten spezifischen negativen CO2-Emissionen von 323,6 kg_CO2/MWh für den kohlegefeuerten Allam-Zyklus werden jeweils an verschiedenen optimalen Punkten erreicht.