超臨界二氧化碳與空氣聯(lián)合循環(huán)效率分析

鄭開云

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 閔行 200240)

0 引言

基于化石能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)主要采用往復(fù)式發(fā)動機(jī)或小型燃?xì)廨啓C(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，其熱電轉(zhuǎn)換效率低于集中式發(fā)電系統(tǒng)所采用的大型汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，并且所使用的一次能源為天然氣或燃油，燃料成本高，這兩方面因素弱化了化石能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。我國能源結(jié)構(gòu)“多煤少油缺氣”，在一次能源消費(fèi)中，煤炭占70%以上；同時，我國的煤炭清潔燃燒技術(shù)全球領(lǐng)先，正在全面推進(jìn)燃煤電廠超低排放?？紤]此國情，有必要開展基于煤炭的分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究，依靠現(xiàn)有的燃煤技術(shù)，開發(fā)適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的高效動力循環(huán)，進(jìn)一步提高煤電轉(zhuǎn)換效率，這對于發(fā)展分布式煤電有重要意義。

分布式發(fā)電系統(tǒng)主要為50 MW以下的中、小容量機(jī)組，在此容量范圍，閉式循環(huán)的發(fā)電效率可顯著高于廣泛使用的蒸汽朗肯循環(huán)[1]，并且可超過開式循環(huán)[2]。閉式循環(huán)可采用空氣、氮?dú)?、超臨界二氧化碳(sCO2)、氦氣等作為工質(zhì)，其中空氣循環(huán)技術(shù)最為成熟，具有幾十年的運(yùn)行歷史[3]。同等參數(shù)條件下，sCO2閉式循環(huán)的熱效率高于的其他工質(zhì)循環(huán)[4]，是第4代核電、聚光太陽能熱發(fā)電、生物質(zhì)燃燒發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)選動力循環(huán)[5]。sCO2閉式循環(huán)的各種布置方式中，簡單回?zé)醩CO2閉式循環(huán)熱效率相對低一些，但是系統(tǒng)簡化，適合于熱電聯(lián)供系統(tǒng)[6]；分流再壓縮循環(huán)熱效率高，并且?guī)缀跏菬嵝首罡叩难h(huán)布置方式，可用于高效發(fā)電系統(tǒng)[7]?？傮w而言，分流再壓縮循環(huán)是sCO2閉式循環(huán)在各類發(fā)電系統(tǒng)中首選的布置方式，也適用于分布式發(fā)電。盡管分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)效率高，但是仍需要進(jìn)一步提高效率，使燃煤分布式發(fā)電效率接近甚至達(dá)到集中式發(fā)電的效率水平。

本文首先分析分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，并指出其不足之處；其次將sCO2閉式循環(huán)與空氣閉式循環(huán)組成聯(lián)合循環(huán)；最后對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行效率分析，并與分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)進(jìn)行對比。

圖1 分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)流程及壓焓圖Fig.1 Process and p-h diagram for shunting-recompression sCO2 closed cycle

1 分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)

經(jīng)典的簡單閉式循環(huán)，即布雷頓循環(huán)，包括絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹、等壓冷卻4個過程[8]。等壓加熱和等壓冷卻過程之間可通過回?zé)崞?，?gòu)成簡單回?zé)嵫h(huán)，回?zé)徇^程可實(shí)現(xiàn)熱量回收，從而提高循環(huán)熱效率[8]。在簡單回?zé)醩CO2閉式循環(huán)基礎(chǔ)上，再增加一個并行的絕熱壓縮過程，可構(gòu)成分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)[9]，流程示意及對應(yīng)的壓焓圖如圖1所示。分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的流程為：假設(shè)從熱源開始，由熱源(如：燃煤鍋爐)出來的高溫高壓工質(zhì)經(jīng)透平膨脹做功，推動發(fā)電機(jī)工作，透平排出的低壓工質(zhì)經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給高壓側(cè)的工質(zhì)，工質(zhì)在進(jìn)入預(yù)冷器前分流成兩路，一路工質(zhì)進(jìn)入預(yù)冷器(主流)，再經(jīng)主壓縮機(jī)和低溫回?zé)崞?，然后與進(jìn)入再壓縮機(jī)的另一路工質(zhì)(分流)匯合進(jìn)入高溫回?zé)崞?，最后回到熱源?/p>

相比簡單回?zé)醩CO2閉式循環(huán)，分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的熱效率可提高5個百分點(diǎn)以上[10]。為更清晰地解釋循環(huán)熱效率提高的原理，可將分流再壓縮循環(huán)等同變換為兩個簡單回?zé)嵫h(huán)的聯(lián)合循環(huán)，其頂循環(huán)和底循環(huán)分別對應(yīng)于循環(huán)的分流部分和主流部分，如圖2所示。頂循環(huán)和底循環(huán)中工質(zhì)的參數(shù)分別等于分流工質(zhì)的流量和主流工質(zhì)的參數(shù)。相應(yīng)地，高溫回?zé)徇^程拆分為頂循環(huán)高溫回?zé)徇^程和底循環(huán)高溫回?zé)徇^程，低溫回?zé)徇^程變成頂循環(huán)向底循環(huán)傳熱和底循環(huán)低溫回?zé)徇^程兩部分。相比底循環(huán)，頂循環(huán)的絕熱壓縮過程遠(yuǎn)高于臨界溫度，耗功要大得多。雖然頂循環(huán)熱效率低于底循環(huán)，但是頂循環(huán)釋放的余熱全部傳遞給了底循環(huán)，可認(rèn)為沒有熱量損失。底循環(huán)中接收頂循環(huán)余熱的是主壓縮機(jī)出來的工質(zhì)，具有大比熱容的特性，除了吸收底循環(huán)自身的低溫回?zé)釤崃客?，還容納了來自頂循環(huán)的余熱，最終使底循環(huán)吸收外部熱源的熱量大幅減少。綜上所述，頂循環(huán)、底循環(huán)和兩者聯(lián)合的分流再壓縮循環(huán)的熱效率計(jì)算式為

圖2 分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)拆分Fig.2 Breakdown of shunting-recompression sCO2 closed cycle

式中：ηt、ηb、ηr分別為頂循環(huán)、底循環(huán)和分流再壓縮循環(huán)的熱效率；hi為圖1、2中各狀態(tài)點(diǎn)的比焓；r為分流比。因?yàn)閔4-h3=h6-h7，所以有

因?yàn)棣莃>ηt，所以ηr>ηb>ηt，分流再壓縮方法可提高sCO2閉式循環(huán)熱效率。

根據(jù)以上分析可知，分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)實(shí)際上是兩個簡單回?zé)嵫h(huán)的聯(lián)合循環(huán)。由于頂循環(huán)和底循環(huán)的工質(zhì)相同，透平兩端參數(shù)一致，所以兩個循環(huán)可合并到一個回路中，僅保留兩個并行的絕熱壓縮過程，系統(tǒng)得到簡化。但是，分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)存在不足之處：一方面頂循環(huán)和底循環(huán)難以解耦以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)行參數(shù)和過程控制；另一方面頂循環(huán)熱效率不高。由此考慮到，可將頂循環(huán)的功能由其他更高效率的替代循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，從而提高聯(lián)合循環(huán)的熱效率。

2 sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)方案

將分流再壓縮循環(huán)的原理推廣開來，引入其他循環(huán)作為圖2(b)中簡單回?zé)醩CO2閉式循環(huán)的頂循環(huán)。考慮到技術(shù)成熟度、熱效率、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，選擇空氣閉式循環(huán)作為頂循環(huán)，代替圖2(a)的sCO2閉式循環(huán)。圖3為sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)布置的示意圖，兩個循環(huán)通過中間換熱器實(shí)現(xiàn)熱量集成。

a為二氧化碳壓縮機(jī)； b為二氧化碳低溫回?zé)崞鳎?c為二氧化碳高溫回?zé)崞鳎?d為熱源； e為二氧化碳透平， f為發(fā)電機(jī)1； g為中間換熱器； h為預(yù)冷器； i為空氣壓縮機(jī)； j為空氣回?zé)崞鳎?k為空氣透平； l為發(fā)電機(jī)2。圖3 sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)布置Fig.3 sCO2-air combined cycle

熱源采用循環(huán)流化床鍋爐，其適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)，且有兩方面的優(yōu)點(diǎn)[11]：一是燃料靈活性好，能清潔高效利用高硫煤和低熱值燃料，并可按任何比例混燒生物質(zhì)燃料；另一方面僅通過爐內(nèi)脫硫和低溫燃燒抑氮即能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，特定條件下爐內(nèi)SO2或NOx單項(xiàng)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)超低排放，有望在今后實(shí)現(xiàn)爐外不設(shè)置或設(shè)置簡易脫硫脫硝裝置。此外，循環(huán)流化床鍋爐可達(dá)90%以上的熱效率。

循環(huán)流化床鍋爐的床溫在900 ℃以下，工質(zhì)的最高溫度宜不超過850 ℃。循環(huán)流化床鍋爐同時為sCO2閉式循環(huán)和空氣閉式循環(huán)提供熱量，需要設(shè)置兩種工質(zhì)的鍋爐受熱面。對于空氣閉式循環(huán)，鍋爐高溫部件材料可采用具有優(yōu)良抗氧化性能和較高強(qiáng)度的高溫合金，如：INCOLOY 800H[12]，工質(zhì)最高溫度不超過800 ℃。對于sCO2閉式循環(huán)，sCO2工質(zhì)的高溫腐蝕機(jī)制不同于空氣氧化，它包括氧化和碳化腐蝕，已有研究表明：金屬材料在CO2環(huán)境中的腐蝕較為嚴(yán)重[13]，工質(zhì)溫度不宜過高，并且sCO2閉式循環(huán)壓力高，鍋爐高溫部件材料可采用高強(qiáng)度耐熱不銹鋼材料，如Super304H、TP347HFG、HR3C等[14]，工質(zhì)最高溫度不超過620 ℃。

3 sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)效率分析

采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)發(fā)布的Refprop物性數(shù)據(jù)庫，對圖3的sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行熱效率分析，同時對圖1的分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)進(jìn)行熱效率分析，然后將兩者進(jìn)行對比研究。作為分布式發(fā)電系統(tǒng)，機(jī)組凈發(fā)電功率取50 MW。sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)中sCO2閉式循環(huán)透平進(jìn)口參數(shù)取620 ℃/30 MPa，空氣閉式循環(huán)透平進(jìn)口參數(shù)分別取670 ℃/8 MPa(Case1)、700 ℃/6 MPa(Case2)、750 ℃/5 MPa(Case3)、800 ℃/4 MPa(Case4)。分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)中，透平進(jìn)口參數(shù)取620 ℃/30 MPa。假設(shè)循環(huán)系統(tǒng)有較好的環(huán)境冷源條件，聯(lián)合循環(huán)中的sCO2閉式循環(huán)和分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)冷端工質(zhì)溫度均取32 ℃，壓力均取8 MPa。鍋爐熱效率取90%，其他主設(shè)備性能參數(shù)的選取如表1所示。為簡化計(jì)算，不單獨(dú)考慮設(shè)備的其他次要性能參數(shù)，如：壓損、散熱、漏氣、機(jī)械損失及其他可能的損失，保守地將它們合并為循環(huán)熱效率的3%。此外，輔助設(shè)備用電簡化為發(fā)電功率的0.5%。

表1 主設(shè)備性能參數(shù)Table 1 Parameters of main equipment

sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)熱效率可表達(dá)為

sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)和分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電效率可分別表達(dá)為

式中：ηcnet、ηrnet分別為聯(lián)合循環(huán)和分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的凈發(fā)電效率；ηrt為分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的熱效率；ηbt為鍋爐熱效率；ηloss為效率損失率；ηgen為發(fā)電機(jī)效率；ηaux為輔助設(shè)備用電率。經(jīng)計(jì)算，求得系統(tǒng)的熱效率和凈發(fā)電效率，如表2所示。

由表2計(jì)算結(jié)果可知，隨著空氣閉式循環(huán)溫度參數(shù)的提高，聯(lián)合循環(huán)的效率也不斷提高：當(dāng)空氣閉式循環(huán)最高溫度670 ℃時，聯(lián)合循環(huán)熱效率與分流再壓縮循環(huán)相當(dāng)；當(dāng)空氣閉式循環(huán)透平進(jìn)口溫度為700 ℃以上時，聯(lián)合循環(huán)熱效率顯著高于分流再壓縮循環(huán)；空氣閉式循環(huán)透平進(jìn)口溫度為800 ℃時，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率進(jìn)一步提高，達(dá)到620 ℃等級大型超超臨界煤粉燃燒發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率水平(約45%)[15]。可見，sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)用于分布式燃煤發(fā)電的潛力很大。另外，由表2計(jì)算結(jié)果可見，聯(lián)合循環(huán)的工質(zhì)流量高于分流再壓縮循環(huán)，特別是空氣閉式循環(huán)的流量較大，且壓力較低，對工質(zhì)的換熱能力有不利影響，所以對空氣回?zé)崞骱椭虚g換熱器的性能要求很高。

4 結(jié)論

通過對sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)和分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)的熱效率進(jìn)行對比分析，得到兩方面結(jié)論：

表2 系統(tǒng)的凈發(fā)電效率Table 2 Net power efficiency of system

1) sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)和分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)提高sCO2閉式循環(huán)熱效率的原理是一致的，采用聯(lián)合循環(huán)可使頂循環(huán)和底循環(huán)解耦，頂循環(huán)可采用更高效率的循環(huán)；

2) sCO2與空氣聯(lián)合循環(huán)的熱效率可顯著超過分流再壓縮sCO2閉式循環(huán)，其用于分布式發(fā)電的效率可達(dá)到大型超超臨界燃煤電站的水平。