一種新型NG/O2燃氣蒸汽混合工質(zhì)超臨界動力循環(huán)

陳亞平 吳嘉峰 朱子龍 張寶懷

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

一種新型NG/O2燃氣蒸汽混合工質(zhì)超臨界動力循環(huán)

陳亞平 吳嘉峰 朱子龍 張寶懷

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

提出了一種以NG/O2的燃燒產(chǎn)物和給水作為混合工質(zhì),集高效發(fā)電、調(diào)峰、能源存儲和二氧化碳捕獲等特點于一體的燃氣蒸汽混合工質(zhì)循環(huán)(GSMC)．低溫LNG和液氧通過泵加壓后用于CO2的液化捕集,再經(jīng)前4級抽汽的過熱蒸汽冷卻段依次預(yù)熱后經(jīng)燃燒器進入燃燒室;循環(huán)給水通過回熱系統(tǒng)后進入燃燒室的火焰管與外殼之間的環(huán)形通道，通過吸熱后經(jīng)噴嘴霧化;燃燒產(chǎn)物和霧化給水混合后進入超臨界H2O/CO2混合蒸汽透平中膨脹發(fā)電．冷凝器分離后的CO2經(jīng)多個換熱器和2級壓縮后被低溫LNG和液氧預(yù)冷和液化．結(jié)果表明,在汽輪機進口參數(shù)為40 MPa, 800 ℃和冷凝溫度為30 ℃條件下,發(fā)電輸出效率為49.2%,扣除了1/4的ASU制氧所消耗的低谷電能后，等效凈效率為46.2%．

燃氣蒸汽混合工質(zhì)循環(huán)(GSMC);NG/O2燃燒;混合工質(zhì);儲能;二氧化碳捕集

與能源生產(chǎn)密切相關(guān)的碳排放已經(jīng)對地球生態(tài)環(huán)境形成巨大威脅．國際能源署多次將二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CCS)作為兼顧能源利用、經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展與解決全球氣候變化問題的戰(zhàn)略性技術(shù)[1-2]．根據(jù)技術(shù)流程階段劃分,CCS 分為 CO2捕集、運輸和封存3個階段，其中捕集是CCS實施的首要技術(shù)環(huán)節(jié)[3]．目前主要的工作大多集中在將煙氣排放中的CO2吸收、吸附和提純[3-5]．但由于在常規(guī)燃燒方式下,煙氣中的CO2含量較低,使得分離過程復(fù)雜、成本過高．如果采用純氧代替空氣,則燃燒產(chǎn)物中CO2的含量增大,可使分離和液化成本大大降低[5]．Zhang等[6]提出和研究了NG(天然氣)/O2燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的碳捕集方案．He等[7]則報道了具有大量需求的CO2低溫液體用于枯竭油田驅(qū)油的方案,這也為CO2捕集后的處置提供了一條有經(jīng)濟效益的可實現(xiàn)持續(xù)雙贏的途徑．

核電機組因設(shè)備投資占比大及運行可靠性要求高,且其調(diào)峰運行會因處理大量含硼廢水而增加運行成本,故一般在電網(wǎng)中作為基荷配置[8]．電網(wǎng)除了需要消納低峰富余核電外,還需要容納風電、太陽能發(fā)電等間歇性新能源入網(wǎng),因此規(guī)模儲能系統(tǒng)成為智能電網(wǎng)平衡負荷、消除峰谷負荷波動、保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和必需的支撐性技術(shù)[9]．目前電網(wǎng)中規(guī)模應(yīng)用的抽水蓄能電站儲能技術(shù)[10]受地理因素制約,且建設(shè)周期較長．壓縮空氣儲能[10]應(yīng)用的主要障礙是空間儲能密度太低,通常利用地下巖洞,而地質(zhì)條件又制約了其發(fā)展．液化空氣儲能[11]的儲能密度雖然很高,但其能量轉(zhuǎn)換效率較低,經(jīng)濟性較差．

在現(xiàn)代和未來智能電網(wǎng)中,燃氣調(diào)峰發(fā)電及規(guī)模儲能將是承擔電網(wǎng)峰谷平衡、穩(wěn)定電網(wǎng)運行的主要手段,其中LNG (液化天然氣)因便于海上運輸將在沿海地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮更重要作用.LNG除了自身的燃燒熱值外,還附帶可觀的冷能可以利用．LNG發(fā)電的二氧化碳捕集被認為應(yīng)優(yōu)先開發(fā)[12-13]．由于燃氣輪機采用布雷頓循環(huán),其排氣出口溫度高達600 ℃左右．燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GSCC)和注蒸汽燃氣輪機循環(huán)以及熱電聯(lián)供[14]等都是利用排氣廢熱提高綜合循環(huán)效率的手段．然而由于燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)被國外大公司壟斷,設(shè)備價格和運行維護費用高昂,使得燃氣輪機發(fā)電行業(yè)舉步維艱．

上述諸多問題在現(xiàn)有發(fā)電循環(huán)模式下很難得到集成解決,迫切需要開發(fā)適應(yīng)新的能源結(jié)構(gòu)及環(huán)保要求的新型熱力發(fā)電技術(shù)．為此,本文提出并研究了一種可以同時滿足調(diào)峰、儲能和碳捕集需要的NG/O2燃氣蒸汽混合工質(zhì)動力循環(huán)(GSMC)系統(tǒng)．

1 GSMC系統(tǒng)介紹

GSMC主要有以下優(yōu)點:① 由于其燃燒產(chǎn)物成為工質(zhì)的一部分,可以在透平中膨脹到室溫附近,因而可以消除鍋爐排氣損失．② GSMC系統(tǒng)只有一個混合工質(zhì)的蒸汽輪機動力循環(huán),且由于以燃燒室替代鍋爐,可以極大地減少相關(guān)熱設(shè)備成本及空間．③ GSMC具有較高的循環(huán)效率,雖然略低于GSCC的循環(huán)效率,但卻高于注蒸汽燃氣輪機循環(huán)的效率．④ GSMC的碳捕集過程是充分利用LNG和液氧“冷能”實現(xiàn)的物理過程,而傳統(tǒng)的碳捕集方法,需要消耗大量的能量和化學物質(zhì)[5]．⑤ 沒有氮氣參與燃燒的GSMC系統(tǒng)還避免了普通LNG電廠NOx排放量高的問題．⑥ 消耗低谷電規(guī)模制氧有利于電網(wǎng)的平衡和安全,液氧制備貯存設(shè)施和技術(shù)是相對安全的(低壓)且儲能密度高．綜上所述,GSMC具有比現(xiàn)有發(fā)電方案更好的性能和低得多的系統(tǒng)設(shè)備價格和運行費用,是沒有煙囪的零污染發(fā)電廠,有廣泛的應(yīng)用前景．

天然氣的主要成分是甲烷,天然氣和氧氣的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物是二氧化碳與水,以及非常少量的其他不凝性氣體．反應(yīng)物與燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量比例方程為

CH4+2O2=CO2+2H2O

(1)

當天然氣/氧氣燃燒產(chǎn)物吸收燃燒釋放熱值后,其溫度將上升到7 000 K以上,故必須增加循環(huán)工質(zhì)．選擇水作為循環(huán)工質(zhì)是因為在給定透平進口壓力下可以獲得更低的背壓和更多的膨脹功,并且易于與現(xiàn)有汽輪機制造技術(shù)接軌．圖1為GSMC發(fā)電系統(tǒng)的流程圖．GSMC系統(tǒng)的NG/O2燃燒發(fā)生在燃燒室的火焰管內(nèi),給水則在燃燒室殼體和火焰管之間的環(huán)形通道內(nèi)流動,可避免承壓的燃燒室殼體承受高溫并對火焰管進行有效冷卻．在環(huán)形通道出口端兩相流給水經(jīng)噴嘴霧化直接混合燃燒產(chǎn)物,形成H2O/CO2混合工質(zhì),傳熱過程主要依賴霧化水滴與燃燒產(chǎn)物的直接混合．由于本方案的燃燒室壓力比鍋爐高幾百倍,并按多個燃燒室模塊化設(shè)計,省去了鍋爐所需的大量材料和龐大的空間．燃燒室因體積較小可布置在透平附近．透平因尺寸相對較小其進口壓力、溫度可以取40 MPa,800 ℃，甚至更高的參數(shù)．H2O/CO2混合工質(zhì)在汽輪機組中膨脹發(fā)電,乏汽在冷凝器中凝結(jié)后,排出與燃燒產(chǎn)物對應(yīng)的凝結(jié)水量,其余的循環(huán)給水經(jīng)回熱系統(tǒng)吸收8級透平抽汽熱量后返回燃燒室．從冷凝器引出的氣態(tài)CO2首先在干燥器中在冰點之上分離濕分,然后在換熱器HX1中被O2預(yù)冷,經(jīng)帶中間冷卻器HX2(由O2冷卻)的2個壓縮機升壓,經(jīng)預(yù)冷器HX3冷卻后,進入同時由LNG和O2冷卻的換熱器HX4-1和HX4-4,經(jīng)預(yù)冷(HX4-1)和液化(HX4-2)2個階段實現(xiàn)CO2液化．由此,依靠LNG和液氧本身的冷量有效地實現(xiàn)了二氧化碳捕集．圖2為CO2液化過程的傳熱曲線．NG/O2進一步在加熱器HX5～ HX8中吸收前4段透平抽汽的過熱蒸汽冷卻段的熱量,以略高于給水的溫度進入燃燒室的燃燒器．抽汽口最好布置在上汽缸,或通過設(shè)置內(nèi)部通道使得下汽缸底部的抽汽口可抽取上部蒸汽,以利用CO2和H2O氣體的密度差抽取盡可能多的H2O蒸汽來減輕CO2不凝性氣體對給水加熱器傳熱的負面影響．

圖1 GSMC流程示意圖

圖2 二氧化碳液化過程的傳熱曲線

GSMC系統(tǒng)可以采用燃氣輪機所應(yīng)用的燃燒調(diào)節(jié)負荷替代透平節(jié)流閥調(diào)節(jié),這樣可以減少變工況下透平進汽節(jié)流損失,同時還可避免在非常高溫度和壓力下主汽門、調(diào)節(jié)汽門設(shè)計制造的困難．透平背壓由于有CO2的分壓力(大約占1/10),所以比常規(guī)參數(shù)稍高;CO2在冷凝器中作為不凝性氣體, 不利于冷凝器中的換熱,但考慮到冷凝器需同時完成凝結(jié)蒸汽和分離CO2,且其凝結(jié)換熱系數(shù)仍遠遠大于廢熱鍋爐煙氣的對流換熱系數(shù),因此GSMC所增加傳熱面積的成本遠低于GSCC和注蒸汽燃氣輪機循環(huán)．計算表明,CO2液化所需冷量可以完全由液氧和LNG承擔．本文中CO2液化溫度取為-45 ℃,略高于CO2的三相點溫度(-56.6 ℃)．

2 GSMC系統(tǒng)計算模型

根據(jù)質(zhì)量和能量守恒控制方程建立了GSMC系統(tǒng)和設(shè)備部件的熱力學模型．在以下討論中,每個GSMC系統(tǒng)設(shè)備部件的進、出口狀態(tài)點參數(shù)的下標均與圖1中的數(shù)字一致．并假設(shè):① NG視為100% CH4,NG和O2的流量按完全燃燒的理論比例值．② 工質(zhì)混合物中的CO2質(zhì)量分數(shù)在透平膨脹過程和抽汽中均為恒定值．③ 進入燃燒室的給水溫度為恒定值300 ℃,給水加熱過程以等溫差分為8段．④ 所有熱交換器的最小節(jié)點溫差均為6 K．⑤ 設(shè)備以及連接管道中的壓力損失和散熱損失均被忽略．但二氧化碳壓縮機功率消耗、泵功率消耗則均增大10%以克服流動阻力．其他模型計算所需的部分已知參數(shù)和約束條件見表1．表2為GSMC系統(tǒng)部分設(shè)備模型的計算公式．

表1 GSMC系統(tǒng)計算的部分參數(shù)

表2 GSMC部分設(shè)備的數(shù)學模型

注:f()表示狀態(tài)方程;h,ρ,s,t和p分別為工質(zhì)的焓、密度、熵、溫度和壓力;ξ為混合工質(zhì)中CO2的質(zhì)量分數(shù);G為流量;E為NG的熱值,取為50 MJ/kg;下標a, b和c分別表示O2, NG和CO2;下標CP, e和sat分別表示燃燒產(chǎn)物、透平抽汽和飽和參數(shù);下標in, out, T, C和P分別表示進口、出口、透平、壓縮機和泵;下標數(shù)字表示圖1所示的狀態(tài)點;下標s表示透平、泵或壓縮機的等熵過程點．

3 結(jié)果與討論

圖3為GSMC系統(tǒng)發(fā)電輸出效率和等效凈效率隨透平進口溫度和壓力的變化關(guān)系,等效凈效率是指按谷電與峰電價格的比值，其中將ASU制氧所消耗的谷電折算為1/4的峰電,從發(fā)電輸出功率中扣除后所得效率,兩者只相差一個常數(shù)．由圖3(a)可見,在恒定透平進口壓力下發(fā)電輸出效率和等效凈效率均隨透平進口溫度的增加而升高．圖3(b)為恒定透平進口溫度下發(fā)電輸出效率和等效凈效率隨透平進口壓力的變化曲線．可見每條曲線都具有極大值,并且其峰值隨著透平進口溫度的增加而移動到更高的壓力區(qū)域．圖3表明，GSMC系統(tǒng)效率受透平進口溫度的影響比受透平進口壓力的影響更大;透平進口壓力的選取應(yīng)考慮與透平進口溫度的最佳匹配．

由圖4可見,透平焓降隨著透平進口溫度的升高而增加;焓降相對值為透平進口壓力為30,35或40 MPa時透平焓降與壓力為25 MPa時透平焓降的比值．可見,在恒定溫度下透平焓降并不總是隨著透平進口壓力的升高而增大．此外，CO2氣體的存在使得透平末級排汽的干度增大,在計算范圍內(nèi)干度均在0.85～1.0之間．

圖5顯示了在ASU和GSMC相同運行時間且單位制氧能耗為1.512 MJ/kg時,ASU耗電比RASV(制氧消耗電量與輸出發(fā)電量之比)隨透平進口參數(shù)的變化關(guān)系．由圖可見,在透平進口溫度較低時,不同透平進口壓力下的ASU耗電比幾乎相同;但隨著透平進口溫度的增加,ASU耗電比降低,且不同透平進口壓力曲線之間的差異越來越大．ASU耗電值大約是發(fā)電量的23%～26%,這表明GSMC的確是一種大規(guī)模電能轉(zhuǎn)移或存儲的方法．圖5還顯示廠用電份額Raux隨著透平進口溫度升高而降低,隨著透平進口壓力升高而增大．由于現(xiàn)有二氧化碳捕集技術(shù)通常降低循環(huán)效率5%～15%以上[12, 5],其中有大量的電能消耗在流體輸送上,而從GSMC的廠用電數(shù)值看幾乎與沒有碳捕集的普通電廠相當．

(a) 隨透平進口溫度

(b) 隨透平進口壓力

圖4 透平焓降隨透平進口參數(shù)的變化

GSMC綜合經(jīng)濟效益優(yōu)于現(xiàn)有其他方案．以GSMC的200 MW調(diào)峰電廠為例,假設(shè)透平進口參數(shù)為800 ℃,40 MPa,每天滿負荷生產(chǎn)高峰電力8 h,ASU制氧消耗低谷電力8 h，扣除廠用電后其發(fā)電輸出效率為49.2%;其ASU制氧消耗低谷電能為393 MW·h,消耗電能占發(fā)電量22.35%．按谷電和峰電的價格之比為1/4計算,則系統(tǒng)等效凈效率為46.2%．LNG和液氧的理論消費量分別為234和936 t;回收液體二氧化碳和水分別為643和527 t．采用物理方法回收的高品質(zhì)液體CO2亦具有可觀的商品價值．

圖5 ASU耗電比和廠用電份額隨透平進口參數(shù)的變化

4 結(jié)論

1) GSMC系統(tǒng)的發(fā)電輸出效率在透平進口壓力不變時,隨著透平進口溫度的提高而增大,而透平進口壓力應(yīng)選擇與透平進口溫度匹配才能獲得更高的效率．

2) 透平焓降隨透平進口溫度升高而增大,但隨著透平進口壓力升高到一定數(shù)值后，透平焓降不增，反而下降．

3) ASU耗電比隨透平進口溫度或壓力的升高而降低,在GSMC和ASU運行相同滿負荷時間且ASU制氧單耗為1.512 MJ/kg時,ASU耗電比大約為23%～26%．

4) 在透平進口參數(shù)為800 ℃,40 MPa,冷凝溫度30 ℃條件下,GSMC系統(tǒng)的發(fā)電輸出效率和等效凈效率分別為49.2%和46.2%．

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A novel NG/O2combustion gas and steam mixture with supercritical power cycle

Chen Yaping Wu Jiafeng Zhu Zilong Zhang Baohuai

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A gas and steam mixture cycle (GSMC) was proposed with NG/O2combustion product and feed water mixture as working medium, which integrates features of high efficiency power generation, peak shaving, energy storage and CO2capture. The cryogenic liquids of both LNG and liquid oxygen were pumped to a high pressure and absorbed the heat for CO2liquefaction and then the superheat of the first 4 extraction steam from turbine successively before entering the combustors through the burners. The circulation feed water was heated in the feed water heating system and then injected to the annular channel between the flame tube and the shell cylinder of combustors. The combustion product heats and mixes with the atomized feed water to form supercritical H2O/CO2mixture vapor for power generation in a turbine. The gaseous CO2separated from the condenser was precooled and liquefied by the cryogenic liquids of both LNG and liquid oxygen after being compressed to a higher pressure by two compressors with intercooling. The results show that under the conditions of turbine inlet parameters of 40 MPa/800 ℃ and condensation temperature of 30 ℃, the output power efficiency is 49.2% and the equivalent net efficiency is 46.2%, which accounts for 1/4 consumption of off-peak electricity by ASU for liquid O2production.

gas and steam mixture cycle (GSMC); NG/O2combustion; mixture; energy storage; CO2capture

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.014

2016-09-26. 作者簡介: 陳亞平(1956—),男,博士,教授,博士生導師, ypgchen@sina.com.

國家自然科學基金資助項目(51276035)．

陳亞平,吳嘉峰,朱子龍,等.一種新型NG/O2燃氣蒸汽混合工質(zhì)超臨界動力循環(huán)[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(2):277-282.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.014.

TK123

A

1001-0505(2017)02-0277-06