超臨界CO2循環(huán)冷端溫度優(yōu)化研究

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，上海市 閔行區(qū) 200240）

0 引言

盡管二氧化碳是溫室氣體，但它卻是一種優(yōu)良的天然工質(zhì)，可用于制冷、熱泵和動力循環(huán)。在發(fā)電行業(yè)，超臨界CO2循環(huán)是近年來的研究熱點(diǎn)[1]。與蒸汽循環(huán)相比，超臨界CO2循環(huán)更加高效，且隨著溫度參數(shù)提高，效率上升空間更大[2]。當(dāng)前超臨界CO2循環(huán)仍處于研發(fā)階段，系統(tǒng)和設(shè)備均有待驗(yàn)證，為了全面覆蓋實(shí)際運(yùn)行性能的不確定性和相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，以及進(jìn)一步挖掘循環(huán)的性能潛力，循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)仍在持續(xù)。

超臨界CO2循環(huán)冷端排出的熱量溫度較高，空冷時(shí)最高溫度可達(dá)80 ℃以上，冷端損失較大，為此，許多學(xué)者提出余熱利用方案，包括：增加底循環(huán)(有機(jī)工質(zhì)循環(huán)、卡琳娜循環(huán))進(jìn)行余熱發(fā)電[3-6]、海水淡化[7]、供暖[8]。但是，對于大多數(shù)的應(yīng)用場合，還是希望改善冷卻條件，從而盡量降低超臨界CO2循環(huán)的冷端溫度，以提高整個(gè)循環(huán)的效率。

在超臨界CO2循環(huán)的冷端，CO2工質(zhì)的余熱通過預(yù)冷器釋放至最終熱阱。通常電廠的最終熱阱為周圍環(huán)境，工質(zhì)的冷卻溫度取決于環(huán)境條件和預(yù)冷器性能?，F(xiàn)有的預(yù)冷器設(shè)計(jì)制造技術(shù)已非常先進(jìn)和成熟，可以使工質(zhì)與環(huán)境之間的溫差達(dá)到足夠小，但是環(huán)境條件無法通過人為干預(yù)。我國氣溫總體特點(diǎn)是：冬夏氣溫差異大，冬季氣溫普遍偏低且南北溫差大，夏季普遍高溫且南北溫差不大。受氣溫影響，電廠廠址環(huán)境的其他冷源也會有季節(jié)性和晝夜周期性變化。設(shè)計(jì)超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，若選擇較高的冷端溫度，循環(huán)壓比相應(yīng)地減小，那么對于低溫季節(jié)，環(huán)境冷量浪費(fèi)，循環(huán)運(yùn)行在非最佳效率的工況；反之，若選擇較低的冷端溫度，那么在較高環(huán)境溫度條件下，機(jī)組無法通過自然冷卻而正常工作，必須采取人工制冷手段來調(diào)節(jié)冷端溫度。從機(jī)組全年運(yùn)行狀況來衡量，對于環(huán)境冷源溫度變化大的廠址，為了獲得最佳的全年平均效率，有必要引入人工制冷，使超臨界CO2循環(huán)運(yùn)行在更優(yōu)化的冷端溫度下。

超臨界CO2循環(huán)的應(yīng)用領(lǐng)域包括核電、火電、太陽能熱發(fā)電等[1]。核電廠通常建在沿海，海水是最終熱阱，海水溫度較低且周期性變化較小，冷端人工制冷的意義不大。火電廠大多建在內(nèi)陸，環(huán)境中的大氣或水體是最終熱阱，熱阱溫度的季節(jié)性變化大，可以采取冷端人工制冷。太陽能熱發(fā)電廠所在地區(qū)光照充足，但往往也是干旱缺水地區(qū)，我國太陽能熱發(fā)電廠廠址多位于西部地區(qū)，機(jī)組運(yùn)行于空冷條件[9]，同時(shí)，西部地區(qū)的氣溫季節(jié)性變化大，晝夜變化也大，很有必要采取冷端人工制冷。

為了進(jìn)一步量化人工制冷優(yōu)化冷端溫度對于提高機(jī)組全年平均效率的作用，本文對于550 ℃/20 MPa參數(shù)的超臨界 CO2循環(huán)在自然冷卻和人工制冷組合條件下的全年效率進(jìn)行了分析?；谙嚓P(guān)的分析結(jié)果，對特定廠址的超臨界CO2循環(huán)冷端溫度的選取作了探討，以充分利用廠址環(huán)境的冷源條件提高全年平均效率。此外，也對人工制冷對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了初步分析。對于其他參數(shù)的超臨界CO2循環(huán)，也可采用與本文類似的方法加以研究。

1 循環(huán)效率分析

超臨界CO2循環(huán)在簡單布雷頓循環(huán)基礎(chǔ)上可以演變成許多種不同的循環(huán)布置方式[10]，其中分流再壓縮循環(huán)方式的效率優(yōu)勢最顯著，所以本文的超臨界CO2循環(huán)選擇該方式。分流再壓縮循環(huán)基本流程及對應(yīng)的溫熵圖如圖1所示。循環(huán)的基本流程為：由主加熱器出來的高溫高壓工質(zhì)經(jīng)透平膨脹做功(5-6)，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)崞鞯蛪簜?cè)(6-7)和低溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)(7-8)將熱量傳遞給高壓側(cè)的工質(zhì)，工質(zhì)在進(jìn)入預(yù)冷器前分流成2路，一路工質(zhì)進(jìn)入預(yù)冷器(8-9)(主流)，當(dāng)引入人工制冷時(shí)，可在預(yù)冷器之后增設(shè)制冷機(jī)，先經(jīng)制冷機(jī)(9-1)，再經(jīng)主壓縮機(jī)(1-2)和低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)(2-3)，然后與進(jìn)入再壓縮機(jī)的另一路工質(zhì)(8-3)(分流)匯合進(jìn)入高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)(3-4)，最后再進(jìn)入主加熱器加熱(4-5)。超臨界CO2循環(huán)可完全運(yùn)行于超臨界區(qū)，冷端溫度高于臨界溫度，冷端壓力也高于臨界壓力，冷端基本上采用空冷就可以滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)循環(huán)即表現(xiàn)高效率。當(dāng)有條件使冷端溫度和壓力進(jìn)一步降低至臨界點(diǎn)以下，冷端工質(zhì)發(fā)生冷凝時(shí)，循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缗R界循環(huán)，則循環(huán)的效率還會進(jìn)一步提高。

圖1 分流再壓縮循環(huán)流程及溫熵圖Fig. 1 Process and T-s diagram of recompression cycle

對于分流再壓縮超臨界CO2循環(huán)，通過熱力學(xué)優(yōu)化分析，可獲得循環(huán)在不同冷端溫度下的效率，以及相應(yīng)的冷端壓力和分流比。作為對比分析，為便于計(jì)算，本文不考慮設(shè)備和管道的壓損、熱損失、透平和壓縮機(jī)的機(jī)械損失、發(fā)電機(jī)損耗、漏氣、輔助設(shè)備用電等因素。循環(huán)效率分析采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(national institute of standards and technology，NIST)發(fā)布的 REFPROP物性數(shù)據(jù)庫。結(jié)合文獻(xiàn)[11]，表 1給出了凈輸出功率為100 MW的超臨界CO2循環(huán)的基本參數(shù)。

表1 超臨界CO2循環(huán)參數(shù)Tab. 1 Parameters for supercritical CO2 cycle

依次分析了冷端溫度為 5～35 ℃工況的循環(huán)效率，以冷端溫度為35 ℃的工況作為基準(zhǔn)，這里認(rèn)為基準(zhǔn)工況僅需自然冷卻(空冷或濕冷)，5～32 ℃工況采用了人工制冷?？紤]到環(huán)境溫度不斷變化，預(yù)冷器可以實(shí)現(xiàn)的最低冷卻溫度及相應(yīng)的制冷冷卻溫度范圍也隨之變化。也就是說，若低溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口工質(zhì)溫度高于35 ℃，工質(zhì)則先經(jīng)預(yù)冷器冷卻至 35 ℃，再經(jīng)制冷機(jī)進(jìn)一步冷卻，否則，全部直接由制冷機(jī)冷卻。制冷機(jī)采用壓縮制冷方式的冷水機(jī)組，制冷系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)取 4[12]，即制冷機(jī)電功率為冷量的1/4。分析結(jié)果列于表2，其中：循環(huán)效率(η0)指未扣除制冷電功率的效率；凈效率(η1)指扣除制冷電功率后的效率。

2 適用性分析

廠址環(huán)境溫度不斷在變化，當(dāng)環(huán)境溫度低于工質(zhì)溫度的溫差足夠大時(shí)，冷端僅需要自然冷卻，制冷機(jī)不需要投入運(yùn)行。假設(shè)此溫差為3 ℃，則對于不同的冷端溫度有相應(yīng)的最高自然冷卻環(huán)境溫度。再假設(shè)機(jī)組的負(fù)荷在一年的周期中為均勻分布，則自然冷卻時(shí)間比例(R)高于某個(gè)門檻值(Rc)時(shí)，循環(huán)的年平均效率(ηa)可超過基準(zhǔn)工況的效率(44.2%)。年平均效率為

表2 超臨界CO2循環(huán)效率Tab. 2 Efficiency of supercritical CO2 cycle

根據(jù)公式(2)：

可求得Rc，結(jié)果見表3。

對于給定的廠址，由表3選取合適的冷端溫度，由式(1)求得ηa，ηa高于基準(zhǔn)工況效率的廠址，認(rèn)為人工制冷適用。

表3 自然冷卻時(shí)間比例門檻值Tab. 3 Natural cooling time proportional threshold

根據(jù)表3的結(jié)果，選擇4個(gè)廠址為例，對比制冷工況與基準(zhǔn)工況，從提高循環(huán)年平均效率的角度，對人工制冷優(yōu)化冷端方法的適用性進(jìn)行分析。

東北的吉林市，1、2、3、10、11、12月氣溫基本都在20 ℃以下，4、5、9月中午部分時(shí)間超過20 ℃，夏季高溫期的7、8月大部分時(shí)間都在20 ℃以上。保守估計(jì)，全年氣溫20 ℃以下時(shí)間占80%以上。冷端溫度選23 ℃，自然冷卻時(shí)間比例取80%，大于門檻值67.7%，循環(huán)年平均效率為45.6%，超過基準(zhǔn)工況效率1.4%。所以，人工制冷適用。

西北的西安市，1、2、3、4、9、10、11、12月氣溫都在 26 ℃以下，5、6月中午部分時(shí)間超過26 ℃，夏季7、8月白天高溫，但晝夜溫差大，晚上大多在26 ℃以下。保守估計(jì)，全年氣溫26 ℃以下比例在85%以上。冷端溫度選29 ℃，高于門檻值 74.9%，循環(huán)年平均效率為 45.1%，超過基準(zhǔn)工況效率0.9%。所以，人工制冷適用。

青藏高原的德令哈市是我國重要的太陽能熱發(fā)電基地，屬于高海拔、高寒地區(qū)，除7、8月份夏季有少量天數(shù)的高溫外，日最高氣溫基本都在14 ℃以下。冷端溫度若選擇 17 ℃，自然冷卻時(shí)間可按照90%計(jì)算，高于門檻值60.7%，循環(huán)平均效率為47.7%，超過基準(zhǔn)工況效率3.5%。所以，人工制冷適用。

江南的無錫市，1、2、3、4、5、10、11、12月氣溫都在 29 ℃以下，6、9月白天部分時(shí)間超過29 ℃，夏季7、8月白天高溫，晚上也大多在29 ℃以上，全年氣溫在 29 ℃以下的比例為 75%左右。冷端溫度選32 ℃，自然冷卻時(shí)間比例很難達(dá)到門檻值78.8%，人工制冷基本不適用。可見，對于南方地區(qū)，氣溫普遍偏高，人工制冷適用性非常局限。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

與單純自然冷卻的機(jī)組相比，采用人工制冷優(yōu)化冷端溫度，機(jī)組增加了制冷機(jī)的配置，相應(yīng)地增加了這部分設(shè)備的投資。但是，超臨界CO2循環(huán)的特點(diǎn)是回?zé)釗Q熱量大，回?zé)崞魍顿Y占比高，冷端溫度優(yōu)化可使循環(huán)系統(tǒng)中回?zé)崞鞯墓β时然鶞?zhǔn)工況有所減小，相應(yīng)的回?zé)崞鞯脑O(shè)備投資減少。制冷機(jī)按照每兆瓦制冷量投資 60萬元估算[13]，高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞靼凑彰空淄邠Q熱量投資30萬元(印刷電路板換熱器約4.5萬美元[14])估算，那么，與基準(zhǔn)工況相比，其他各種工況的設(shè)備投資變化為

式中：C為設(shè)備投資變化，萬元；Ca為制冷機(jī)投資，萬元；Cb為回?zé)崞魍顿Y變化，萬元。

式中：Q為制冷量，MW；ΔHh為高溫回?zé)崞鞴β首兓?，MW；ΔHl為低溫回?zé)崞鞴β首兓?，MW。

設(shè)備投資變化的計(jì)算結(jié)果列于表 4?？梢姡蠖鄶?shù)工況下，機(jī)組總的設(shè)備投資是增加的。

表4 設(shè)備投資變化Tab. 4 Changes in equipment investment

對于環(huán)境溫度較低的廠址，選取適當(dāng)?shù)睦涠藴囟龋色@得較高的循環(huán)年平均效率，所以，相同發(fā)電功率下，循環(huán)的熱量輸入減少，即燃料用量減少，或者對于太陽能熱發(fā)電廠來說，鏡場面積減少。等價(jià)地，相同熱量輸入，機(jī)組的發(fā)電量增加。假設(shè)機(jī)組年平均效率增加1.0%，基準(zhǔn)工況年發(fā)電量5億kW·h，則制冷工況年發(fā)電量增加約0.113 1億 kW·h，按電價(jià) 0.4元/(kW·h)計(jì)算，年增收452萬元。當(dāng)機(jī)組年平均效率更高時(shí)，年增收也更多。按照合理的回收期(如3～5 a)，這部分收入增量基本可以覆蓋增加的設(shè)備投資費(fèi)用，并且機(jī)組全壽期的收入是顯著增加的。此外，為了進(jìn)一步改善機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，一方面采用高效制冷機(jī)，COP可達(dá)5以上[15]；另一方面，還可以采用蓄冷(如水蓄冷、冰蓄冷、共晶鹽蓄冷)的方法來削減制冷機(jī)的總能耗[16-18]，相當(dāng)于進(jìn)一步提升機(jī)組年平均效率，制冷機(jī)可在能耗低谷時(shí)段運(yùn)行并蓄冷。例如：對于晝夜溫差大的廠址，可以在夜間蓄冷，此時(shí)環(huán)境溫度低，制冷機(jī)COP高，并且機(jī)組供電負(fù)荷處于低谷，可為制冷機(jī)提供充足的電力；白天釋放蓄積的冷量以減少制冷機(jī)負(fù)荷，提升機(jī)組供電負(fù)荷。

4 結(jié)論

基于 550 ℃/20 MPa參數(shù)分流再壓縮方式超臨界CO2循環(huán)在自然冷卻和人工制冷組合條件下的循環(huán)效率、適用性和經(jīng)濟(jì)性的分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)超臨界 CO2循環(huán)機(jī)組所在廠址的全年環(huán)境溫度分布狀況，選取優(yōu)化的冷端溫度，將自然冷卻和人工制冷相結(jié)合，可提高機(jī)組的全年平均效率；

2）對于我國北方地區(qū)，所述的超臨界 CO2循環(huán)冷端溫度優(yōu)化方法都有較佳的適用性，對于季節(jié)溫差大或晝夜溫差大的地區(qū)，效果更為顯著；

3）引入人工制冷導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備投資增加，同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行效率的提高帶來更多的發(fā)電收入，在一定條件下，后者可以平衡前者，并可在機(jī)組全壽期產(chǎn)生可觀的收入增量。