在煤富氧燃燒下的超臨界CO2再壓縮循環(huán)的熱力學分析

馮雪佳,王順森

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

近年來,碳捕集技術(shù)[1-2]因能大幅降低CO2排放被看作為重要的節(jié)能減排措施之一[3-5],然而碳捕集模塊的加入會增加發(fā)電系統(tǒng)的能耗,降低電站的供電效率。燃燒前捕集主要應(yīng)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù),該技術(shù)會導致IGCC電站供電效率降低7%～11%[6-7]。燃燒后捕集理論上適用于所有的燃煤機組[8],該技術(shù)會導致燃煤機組供電效率降低8%～13%[9-12]。解決這一問題的有效方法是降低碳捕集的能耗或者盡可能地提高電站整體供電效率。

富氧燃燒技術(shù)[13]可以減少碳捕集的能耗,但由于空分裝置能耗大,導致供電效率下降接近10%[14]。目前超臨界CO2循環(huán)因具有高效的供電效率受到廣泛的關(guān)注[15-16],已有研究表明,在相同的條件下,超臨界CO2循環(huán)發(fā)電效率比水蒸氣朗肯循環(huán)的發(fā)電效率高。Park等學者研究了一種超臨界CO2循環(huán)耦合傳統(tǒng)燃煤鍋爐的發(fā)電系統(tǒng),與現(xiàn)有的水蒸氣朗肯循環(huán)對比,發(fā)現(xiàn)其供電效率可以提高6.2%～7.4%[17]。Allam等開發(fā)了一種新型的超臨界CO2循環(huán),稱作Allam循環(huán),燃料在燃燒室內(nèi)進行富氧燃燒,產(chǎn)生的煙氣進入透平膨脹作功,發(fā)電效率可以高達52%[18]。

超臨界CO2循環(huán)耦合常規(guī)燃煤鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性已被廣泛地驗證,可是少有文獻對超臨界CO2循環(huán)耦合煤富氧燃燒的復合系統(tǒng)進行相關(guān)研究,實際上這種復合系統(tǒng)的性能是很受期待的。煤的富氧燃燒有助于減少碳捕集的能耗,而超臨界CO2循環(huán)可以提高整個循環(huán)發(fā)電效率。在富氧燃燒系統(tǒng)中,空分裝置存在較大的能耗,降低空分能耗或者回收空分裝置中的能量是非常必要的。趙永明等考慮在煤氣化超臨界CO2系統(tǒng)中集成空分余熱,結(jié)果表明利用空分余熱可以提高供電效率1.68%[15],因此對這種復合系統(tǒng)可以考慮集成空分裝置的可利用能量,從而提高系統(tǒng)發(fā)電效率。針對上述思路,本文提出一種基于煤富氧燃燒的超臨界CO2再壓縮循環(huán)復合發(fā)電系統(tǒng),將空分裝置與循環(huán)進行熱集成,并對系統(tǒng)進行了詳細的熱力學分析,同時對相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化。文中還開展了該系統(tǒng)的概念設(shè)計和循環(huán)的熱力學分析,評價了系統(tǒng)的整體特性。

1 系統(tǒng)描述

1.1 循環(huán)流程

圖1給出了超臨界CO2循環(huán)耦合煤富氧燃燒復合發(fā)電系統(tǒng)的流程圖,主要部件包括壓縮機、冷凝器、回熱器、常壓鍋爐、透平、空分裝置等。經(jīng)過預處理后的煤進入常壓鍋爐在純氧與CO2環(huán)境中燃燒,產(chǎn)生含高濃度CO2的高溫煙氣,該煙氣一部分攜帶空分裝置提供的純氧進入鍋爐,用于控制鍋爐的燃燒溫度,其余煙氣進入回熱器回收余熱。循環(huán)側(cè)高壓CO2在鍋爐中經(jīng)加熱到最高溫度,然后進入透平膨脹做功,透平乏氣進入回熱器預熱循環(huán)工質(zhì)。回熱器出口的CO2分為兩部分:一部分經(jīng)冷凝器放熱后壓縮到循環(huán)最高壓力,然后進入低溫回熱器、高溫回熱器預熱后再進入鍋爐加熱;另一部分直接壓縮到循環(huán)最高壓力,然后進入高溫回熱器預熱后進入鍋爐加熱。

圖1 超臨界CO2循環(huán)耦合煤富氧燃燒發(fā)電系統(tǒng)的流程圖

該復合發(fā)電系統(tǒng)中由于加入了空分裝置會導致較大的能耗損失,因此考慮將空分裝置中空壓機的低品位熱能集成到循環(huán)回熱器中,盡可能地回收空分裝置中可利用的余熱,達到能量梯級利用的目的。回熱器中CO2在低壓區(qū)和高壓區(qū)的比熱容存在較大差異,從而導致回熱器在相同的流量下存在熱源不足以及較大的端差溫度,因此布局再壓縮循環(huán)分流冷源來調(diào)節(jié)回熱器的最小夾點溫差。

1.2 數(shù)學模型

為了簡化系統(tǒng)的數(shù)學模型,本文做了如下假設(shè):

(1)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動狀態(tài);

(2)透平和壓縮機與環(huán)境無換熱;

(3)冷卻水溫度和環(huán)境保持一致;

(4)回熱器和連接管道的壓力損失忽略不計。

基于上述假設(shè)根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律,對各設(shè)備建立數(shù)學模型。各部件損以及效率的定義如表1所示。

系統(tǒng)凈輸出功為

Pe=(Wt-Wc)ηm-WASU-Wp-Wpul

(1)

考慮系統(tǒng)主要耗功部件如循環(huán)水泵、空分、磨煤機、壓縮機等,系統(tǒng)供電效率計算公式為

ηe=Pe/Qf

(2)

式中:Qf為鍋爐輸入熱負荷。

ηexg=Pe/Xf

(3)

式中:Xf為鍋爐輸入。

表1 部件損以及效率定義

表1 部件損以及效率定義

部件損效率鍋爐Iboi=Xfuel+Xin-XoutηII,boi=(Xout-Xin)/Xfuel回熱器Ireg=∑Xin-∑XoutηII,reg=1-Ireg/∑Xin透平Itur=Xin-Xout-WtηII,tur=1-Itur/(Xin-Xout)壓縮機Icom=Xin-Xout+WcomηII,com=1-Icom/Wcom冷凝器Icon=∑Xin-∑XoutηII,con=1-Icon/∑Xin

2 計算與分析

2.1 基本工況下系統(tǒng)的熱力性能分析

系統(tǒng)工質(zhì)熱物理性質(zhì)按照NIST數(shù)據(jù)庫提供的REAFPROP軟件進行計算,在Matlab平臺上搭建系統(tǒng)的仿真程序。表2列出了在環(huán)境溫度為25 ℃、環(huán)境壓力為0.1 MPa下的基本工況的計算條件以及系統(tǒng)各部件的效率值[19]。

表2 基本工況計算條件及系統(tǒng)各部件的效率值

基于基本工況計算條件,系統(tǒng)分析了空分熱集成對熱力學性能的影響,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,無熱集成系統(tǒng)的供電效率為41.82%,通過空分裝置與熱力系統(tǒng)集成可以使系統(tǒng)基本工況供電效率提高到43.75%,可見空分余熱集成利用具有顯著的熱經(jīng)濟性,供電效率可提高1.93%。這是因為在回熱器中冷源CO2的比熱容相對較大,回熱器在低品位區(qū)存在熱源不足的情況(這也是采用再壓縮提高CO2循環(huán)效率的主要機理),利用空分余熱集成,可在低品位區(qū)提供熱源,達到能量梯級利用的目的,進而降低再壓縮分流系數(shù),減少壓縮機耗功以及鍋爐熱負荷?；诨竟r的計算結(jié)果,表4給出了熱集成系統(tǒng)在基本工況下的分析結(jié)果,同時系統(tǒng)的能量流圖、流圖如圖2、圖3所示?？梢钥闯?系統(tǒng)的效率為42.81%,在整個系統(tǒng)中鍋爐的損比例最大,占循環(huán)損的82.29%,其次是回熱器的損,占循環(huán)損的8.85%。若考慮從部件著手來提高系統(tǒng)的熱力學性能,鍋爐、回熱器等高損部件需特別關(guān)注。

表3 系統(tǒng)熱力學性能結(jié)果

表4 系統(tǒng)的分析結(jié)果

表4 系統(tǒng)的分析結(jié)果

部件損/kW損比例/%效率/%鍋爐137.18982.2949.71回熱器14.7538.8598.05透平8.0114.8195.51壓縮機3.0191.8191.96冷凝器3.7492.2498.77系統(tǒng)42.81

圖2 系統(tǒng)能量流圖

圖3 系統(tǒng)流圖

文獻[20]已對CO2再壓縮循環(huán)透平入口溫度、透平效率、壓縮機效率的熱力學敏感性進行了分析,本文加入再壓縮是為了使回熱器滿足最低夾點溫差,因為分流系數(shù)與回熱器的最低夾點溫差是相關(guān)聯(lián)的。在本節(jié)熱力學性能分析中,主要考慮透平入口壓力、出口壓力、循環(huán)最低溫度對系統(tǒng)的影響。圖4給出了不同循環(huán)最低溫度、透平出口壓力對系統(tǒng)性能的影響,可以看出隨著循環(huán)最低溫度的升高,對應(yīng)的最佳透平出口壓力也隨之增大。在較低的透平出口壓力下,循環(huán)最低溫度越低,效率提高越顯著,而隨著透平出口壓力的升高,尤其是當壓力超過臨界壓力(7.38 MPa)后,則存在最佳的循環(huán)最低溫度。此外可以發(fā)現(xiàn),循環(huán)最低溫度對應(yīng)的最佳透平出口壓力基本等于該溫度對應(yīng)的飽和壓力。

圖4 循環(huán)最低溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖5 透平入口壓力對系統(tǒng)性能的影響

圖5給出了不同透平入口壓力、出口壓力對系統(tǒng)供電效率的影響,可以看出不同的透平入口壓力存在相同的最佳透平出口壓力。結(jié)合圖4可知,系統(tǒng)的最佳透平出口壓力是由循環(huán)最低溫度決定的。在較低的透平出口壓力下,透平入口壓力越低供電效率越高,而在較高的透平出口壓力下,透平的入口壓力越高,則供電效率越高,這是由于系統(tǒng)回熱器壓縮機空分耦合集成的原因。回熱器中,CO2在低壓區(qū)和高壓區(qū)的比熱容存在較大差異,以及壓縮機CO2狀態(tài)變化時物性突變導致了系統(tǒng)對透平入口壓力、出口壓力以及循環(huán)最低溫度的較大敏感性。此外,透平出口壓力處于最佳值時,壓比越大,供電效率越高,但效率增加趨勢有所減緩。

2.2 熱力學優(yōu)化與對比

為進一步分析本文提出的復合系統(tǒng)的優(yōu)劣,與現(xiàn)運行的某超超臨界燃煤機組進行對比,對比參考的某1 000 MW超超臨界燃煤機組熱力系統(tǒng)圖如圖6所示,其主蒸汽溫度為600 ℃,主蒸汽壓力為26.25 MPa,與本文系統(tǒng)主要運行條件基本相同。此外,該機組采用循泵變頻的方式調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)進行了冷端綜合優(yōu)化,利用循泵變頻技術(shù),寬負荷地調(diào)節(jié)循環(huán)水量至最佳,從而保障機組在不同的冷卻水溫度變化過程中,盡可能地提高供電效率,降低供電煤耗。

圖6 某1 000 MW超超臨界燃煤機組熱力系統(tǒng)圖

采用遺傳算法對超臨界CO2系統(tǒng)進行優(yōu)化,以供電效率為優(yōu)化的目標函數(shù),透平出口和入口壓力兩個關(guān)鍵熱力學參數(shù)作為決策變量,其中透平出口壓力取值范圍為2～10 MPa,透平入口壓力取值范圍為20～30 MPa?？紤]到系統(tǒng)實際運行會受到一年四季環(huán)境因素的影響,針對不同的循環(huán)最低溫度進行優(yōu)化計算,可得出系統(tǒng)隨冷卻水溫度變化的最優(yōu)效率曲線。本文提出的復合系統(tǒng)與采用冷端優(yōu)化后的1 000 MW超超臨界燃煤機組隨冷卻水溫度變化的最優(yōu)供電效率曲線對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)供電效率及對應(yīng)最佳透平出口壓力隨冷卻水溫度的變化

經(jīng)遺傳算法優(yōu)化計算得出,最佳透平入口壓力始終保持在30 MPa。從圖7可以看出,在臨界溫度31.2 ℃下,最佳透平出口壓力曲線基本與CO2飽和壓力曲線重合。此外,與經(jīng)冷端綜合優(yōu)化改造的某1 000 MW超超臨界燃煤機組進行對比,可以發(fā)現(xiàn)超臨界CO2系統(tǒng)對循環(huán)水溫度的變化更敏感。這是因為本系統(tǒng)中的超臨界CO2循環(huán)是采用壓縮機進行加壓,而壓縮機耗功對進氣初始溫度比較敏感,尤其是當進氣初始溫度超過臨界溫度后,CO2處于超臨界狀態(tài),壓縮機耗功大幅上升[19]。另外還可以發(fā)現(xiàn),當平均冷卻水溫度低于27 ℃時,本系統(tǒng)供電效率更高,熱經(jīng)濟性更好。

3 結(jié) 論

本文提出一種基于煤富氧燃燒的超臨界CO2再壓縮循環(huán)復合發(fā)電系統(tǒng),將空分裝置與循環(huán)進行熱集成,對該系統(tǒng)進行了詳細的熱力學分析。利用遺傳算法對系統(tǒng)進行熱力學優(yōu)化并與采用了冷端優(yōu)化的1 000 MW超超臨界燃煤機組進行對比,所得結(jié)論如下:

(1)在基本工況下,無熱集成系統(tǒng)的供電效率為41.82%,通過空分裝置與熱力系統(tǒng)集成可以使系統(tǒng)基本工況供電效率提高到43.75%,比無集成系統(tǒng)提高1.93%。基本工況下鍋爐的損比例最大,占循環(huán)損的82.29%,其次是回熱器的損,占循環(huán)損的8.85%。

(2)在回熱器最低夾點溫差保持一定的條件下,系統(tǒng)的最佳透平出口壓力是由循環(huán)最低溫度所決定的,最佳透平出口壓力曲線基本與CO2飽和壓力曲線重合。透平出口壓力處于最佳值時,壓比越大,供電效率越高,但效率增加趨勢有所減緩。

(3)與采用了冷端優(yōu)化的1 000 MW超超臨界燃煤機組對比,盡管本系統(tǒng)供電效率對冷卻水溫度更加敏感,但在平均冷卻水溫度低于27 ℃的區(qū)域,本系統(tǒng)具有更高的供電效率以及更好的熱經(jīng)濟性。