光熱電站采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)論證

袁曉旭 張小波

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

太陽能被認(rèn)為是取之不盡用之不竭的能源，利用太陽能作為能源是最為經(jīng)濟(jì)環(huán)保、 安全可靠的手段， 同時太陽能不會造成任何環(huán)境污染， 勢必成為未來發(fā)展的主流。 利用太陽能進(jìn)行發(fā)電目前主要有兩種形式， 即太陽能光伏發(fā)電及太陽能光熱發(fā)電。 前者是利用太陽光照射半導(dǎo)體材料，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生出電流， 其技術(shù)成熟， 使用方便， 現(xiàn)在用的多， 但光伏發(fā)電難大規(guī)模儲能， 而且煉硅能耗很大。 太陽熱發(fā)電是利用太陽能的輻射能， 通過集熱器和聚熱接收器， 再通過熱機(jī)發(fā)電， 光熱發(fā)電規(guī)模較大， 可以直接并網(wǎng)運行， 國內(nèi)發(fā)展速度迅猛。

發(fā)展太陽能光熱發(fā)電， 我國具有優(yōu)越的自然資源優(yōu)勢。 我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一， 年日照時數(shù)大于1 700 h 的地區(qū)面積約占全國總面積的三分之二以上。 有條件發(fā)展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30 萬平方千米[1]。 其中：青海、 西藏、 甘肅、 新疆、 內(nèi)蒙等西北地區(qū)的光熱資源條件較好， 我國光熱資源分布如圖1 所示。

圖1 中國太陽能分布[1]

目前光熱電站主要利用的是蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電， 對水資源要求較高， 但是我國光熱資源主要分布在缺水的西部地區(qū)， 因此不可避免的會出現(xiàn)水資源短缺等問題。 超臨界CO2（以下簡稱S-CO2）的布雷頓循環(huán)正好為其提供了一種途徑， S-CO2布雷頓循環(huán)利用超臨界CO2作為工質(zhì)， 發(fā)電循環(huán)為閉式布雷頓循環(huán)， 整個系統(tǒng)不需水資源。 并且其具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率， 對太陽能熱發(fā)電極具吸引力。 它的工質(zhì)無毒無害， 而其體積小效率高的優(yōu)勢， 有取代傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)的趨勢。 光熱電站如采取S-CO2布雷頓循環(huán)替代水蒸氣朗肯循環(huán)，能夠最大化發(fā)揮光熱發(fā)電的優(yōu)勢。

本文基于常規(guī)50 MW 光熱電站邊界條件， 對光熱電站采用的S-CO2布雷頓循環(huán)進(jìn)行循環(huán)分析和參數(shù)優(yōu)化論證。

1 S-CO2 布雷頓循環(huán)研究現(xiàn)狀

S-CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)于上世紀(jì)60 年代由Angelino[2]和Feher[3]率先提出， 但當(dāng)時由于工業(yè)技術(shù)和高性能換熱器的限制而沒有發(fā)展起來。 21 世紀(jì)初， 由于發(fā)展新一代核電的需要， S-CO2作為高溫氣冷堆的備選介質(zhì)受到普遍關(guān)注， 其應(yīng)用研究已經(jīng)從核電領(lǐng)域擴(kuò)展到了化石發(fā)電廠、 船舶推進(jìn)系統(tǒng)、 聚光太陽能、 燃料電池、 工業(yè)余熱回收等其他領(lǐng)域。

目前， 至少有美國、 日本、 法國、 韓國等13個國家的實驗室和研究所開展S-CO2相關(guān)技術(shù)研究[4-8]， 并取得了大量有指導(dǎo)意義的研究成果。

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)[9-12]也逐漸開始了這方面的研究。2018 年2 月， 由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內(nèi)首臺MW 級超臨界二氧化碳壓縮機(jī)， 成功交付工程熱物理研究所衡水基地； 2018 年6 月15 日， 首航節(jié)能與法國電力在北京舉行S-CO2循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)項目啟動儀式； 2018 年9 月21 日， 我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機(jī)實驗平臺在衡水基地正式建成； 2018 年11 月， 我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗測試平臺” 在中國科學(xué)院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成[13]。 S-CO2布雷頓循環(huán)在國內(nèi)火速發(fā)展， 已經(jīng)逐步開始從實驗成果走向商業(yè)應(yīng)用。

2 循環(huán)系統(tǒng)簡介

目前， 國內(nèi)外主流的S-CO2布雷頓循環(huán)包括：簡單布雷頓循環(huán)， 再壓縮布雷頓循環(huán)和間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)等。

2.1 簡單布雷頓循環(huán)

簡單布雷頓循環(huán)是S-CO2循環(huán)的基礎(chǔ)， 系統(tǒng)主要部件包括熱源、 透平及發(fā)電機(jī)組、 壓縮機(jī)、 冷凝器、 回?zé)崞鞯龋?系統(tǒng)簡單但整體循環(huán)效率相對較低。 簡單S-CO2布雷頓循環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、 設(shè)備體積小及投入成本低等優(yōu)勢， 但是在循環(huán)過程中， 可能會發(fā)生回?zé)崞鳌皧A點” 問題[4]。 導(dǎo)致回?zé)嵝阅軔夯?從而降低簡單循環(huán)效率。

簡單布雷頓循環(huán)示意圖如圖2 所示。

圖2 簡單S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.2 再壓縮式布雷頓循環(huán)

為避免上述“夾點” 問題發(fā)生， MIT 在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上提出S-CO2再壓縮式布雷頓循環(huán)[6]，在循環(huán)中分別設(shè)置高溫和低溫回?zé)崞鳎?并增加再壓壓縮機(jī)方案， 以解決回?zé)崞鳌皧A點” 問題。 同時， 此方案減小了冷卻器帶走的熱量， 使得循環(huán)效率提高。

再壓縮式布雷頓循環(huán)示意圖如圖3 所示。

圖3 再壓縮式S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.3 間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)

壓氣機(jī)是閉式布雷頓循環(huán)中最主要的耗功單元， 如能降低壓氣機(jī)耗功將大大提高循環(huán)效率。為此， 在再壓縮式布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展了間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)。 與普通再壓縮式布雷頓循環(huán)相比， 增加一臺預(yù)壓縮機(jī)， 并在主壓縮機(jī)及預(yù)壓縮機(jī)設(shè)置一臺間冷器。 間冷器可有效減少主壓縮機(jī)耗功， 從而增加系統(tǒng)凈出力， 提高S-CO2發(fā)電系統(tǒng)效率。

間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)示意圖如圖4 所示。

圖4 間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.4 循環(huán)系統(tǒng)計算與優(yōu)化

根據(jù)目前50 MW 等級光熱電站實際運行參數(shù)， 選取S-CO2透平進(jìn)口參數(shù)為20 MPa/550 ℃，主壓縮機(jī)入口壓力≥7.7 MPa， 入口溫度35 ℃，為了便于控制， 所有壓氣機(jī)均采用電動機(jī)驅(qū)動。同時， 每經(jīng)過一個換熱器設(shè)備， 按壓損0.1 MPa考慮， 換熱器“夾點” 端差為10 ℃。 透平效率取90%， 壓縮機(jī)效率取85%， 發(fā)電機(jī)效率取98.5%，電動機(jī)效率取97%。 分別計算3 種S-CO2布雷頓循環(huán)， 計算結(jié)果匯總見表1。

表1 3 種S-CO2 循環(huán)計算匯總表

根據(jù)計算結(jié)果可以看出， 簡單布雷頓循環(huán)系統(tǒng)簡單， 但效率不高； 間冷式再壓縮循環(huán)系統(tǒng)雖復(fù)雜， 但效率比其他循環(huán)明顯提高， 且收益可觀。實際上， 光熱電站投資主要費用集中在集熱島和儲熱島， 動力島部分相對投資較小， 動力循環(huán)效率的提升意味著如果發(fā)出同樣功率的電力， 所需的熱源熱量更少。 因此， 采用間冷再壓縮式循環(huán)，雖然系統(tǒng)成本會增加， 但集熱島和儲熱島的投資將會減小， 遠(yuǎn)大于動力島系統(tǒng)增加的投資。 同時冷源需帶走的熱量也在減少， 因此冷源投資也會減小。

基于以上分析， 選取間冷式再壓縮循環(huán)作為研究對象， 對循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化論證。

3 循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化論證

3.1 循環(huán)參數(shù)對循環(huán)效率影響

上文對不同循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了分析及初步核算，并選取了間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)作為最終的研究對象， 下面對此循環(huán)進(jìn)行循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化選取。

圖5 所示為間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)效率隨壓氣機(jī)入口溫度、 透平入口溫度、 透平入口壓力、 透平出口壓力變化的曲線。 壓氣機(jī)入口壓力與透平出口壓力為對應(yīng)關(guān)系， 不需單獨計算。

圖5 間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由圖5 可知：

（1）循環(huán)效率隨主壓縮機(jī)入口溫度的升高逐漸降低。 這是因為隨著主壓縮機(jī)入口溫度的升高，主壓縮機(jī)功率增大， 透平輸出功率變化不大， 循環(huán)輸出凈功率減小， 工質(zhì)吸熱功率也減少， 但其減幅較循環(huán)輸出凈功率更大， 導(dǎo)致循環(huán)效率下降。

（2）隨著透平入口溫度的升高， 循環(huán)效率近似線性提高， 壓縮機(jī)總功率逐漸減小， 透平輸出功率逐漸增大。 因此循環(huán)輸出凈功率逐漸增大， 其增幅與工質(zhì)吸熱功率的增幅相差不大.這使得循環(huán)效率逐漸提高。

（3）隨著透平入口壓力的升高， 循環(huán)效率逐漸提高， 但透平入口壓力越高， 循環(huán)效率提高的幅度越小。

（4）透平排氣壓力存在一個效率最優(yōu)點， 且對于不同初參數(shù)， 對應(yīng)的效率最優(yōu)點不同， 排氣壓力最優(yōu)點一般是使得壓氣機(jī)入口壓力略高于臨界壓力。

3.2 透平入口參數(shù)優(yōu)化

表2 循環(huán)參數(shù)優(yōu)化計算匯總表

3.3 系統(tǒng)再熱優(yōu)化

以上結(jié)果均基于非再熱布雷頓循環(huán)系統(tǒng)， 參考朗肯循環(huán)， 系統(tǒng)設(shè)置再熱后相較非再熱循環(huán)效率明顯提升。 因此， 在非再熱間冷再壓縮式SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上， 增加一次再熱并對系統(tǒng)效率進(jìn)行尋優(yōu)， 原則性熱力系統(tǒng)圖如圖6 所示。

圖6 再熱間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

圖7 所示為3 種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)效率隨再熱壓力變化的曲線。 可以看出， 再熱壓力存在最佳點使得循環(huán)效率最高， 因此將再熱壓力均選在最佳點， 計算結(jié)果匯總見表3。

圖7 3 種間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環(huán)效率隨再熱壓力變化的曲線

透平入口溫度對循環(huán)效率影響較大， 考慮到光熱電站實際情況， 基準(zhǔn)方案透平入口溫度為550℃，高效率方案透平入口溫度為620 ℃， 透平入口壓力分別為20 MPa 和25 MPa， 壓氣機(jī)入口溫度越低越有利于循環(huán)效率， 但工質(zhì)在接近臨界溫度（31.1 ℃） 時， 物性變化劇烈， 同時由于局部冷卻可能在壓氣機(jī)中發(fā)生冷凝， 因此壓氣機(jī)入口溫度均選為35 ℃， 避免出現(xiàn)不利影響， 透平排氣壓力根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 經(jīng)過計算， 間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果匯總見表2。

表3 循環(huán)再熱后計算匯總表

由表3 計算結(jié)果可知， 一次再熱比無再熱循環(huán)效率能夠再提高1.3%左右。 二次再熱相比一次再熱系統(tǒng)效率提升已經(jīng)不明顯， 更多次再熱時循環(huán)效率甚至變低， 這是由于換熱器和管道壓損的存在， 多次再熱的收益甚至不足以彌補(bǔ)壓損造成的損失。 而且隨著再熱次數(shù)增加， 系統(tǒng)復(fù)雜程度增加、 可靠性降低、 流動阻力增大。 因此工程應(yīng)用時， 再熱循環(huán)推薦采用一次再熱方案。

4 結(jié)論

S-CO2簡單循環(huán)系統(tǒng)簡單， 但效率不高； 間冷式再壓縮循環(huán)系統(tǒng)雖較為復(fù)雜， 但效率相比其他循環(huán)有明顯提高， 且收益可觀。 綜合考慮效率與系統(tǒng)投資成本， 光熱電站如采用S-CO2布雷頓循環(huán)推薦采用間冷式再壓縮循環(huán)；

S-CO2循環(huán)參數(shù)對循環(huán)效率有較大影響， 尤其是透平入口溫度及壓氣機(jī)入口溫度與循環(huán)效率近乎是線性關(guān)系。 因此， 降低壓氣機(jī)入口溫度、提高透平入口溫度有利于循環(huán)效率的提升；

透平入口壓力的提高也能一定程度上提高循環(huán)效率， 但系統(tǒng)壓力的提高對循環(huán)系統(tǒng)及部件的要求大大提高， 增加了壓氣機(jī)、 換熱器及相關(guān)部件的設(shè)計難度和制造成本。 因此， 透平入口壓力不宜過高。

再熱對S-CO2布雷頓循環(huán)效率也有較為可觀的提升。 一次再熱以后系統(tǒng)循環(huán)效率相比無再熱時有1.3%左右的提升， 兩次再熱及以上時， 效率提升不明顯， 且會大大增加系統(tǒng)復(fù)雜程度， 因此，如系統(tǒng)采用再熱式S-CO2布雷頓循環(huán)， 推薦采用一次再熱方案。