超临界二氧化碳与空气联合循环效率分析

2019-03-18郑开云

分布式能源 2019年1期

郑开云

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海闵行 200240)

0 引言

基于化石能源的分布式发电系统主要采用往复式发动机或小型燃气轮机将热能转换为电能，其热电转换效率低于集中式发电系统所采用的大型汽轮机或燃气轮机，并且所使用的一次能源为天然气或燃油，燃料成本高，这两方面因素弱化了化石能源分布式发电系统的经济性优势。我国能源结构“多煤少油缺气”，在一次能源消费中，煤炭占70%以上；同时，我国的煤炭清洁燃烧技术全球领先，正在全面推进燃煤电厂超低排放。考虑此国情，有必要开展基于煤炭的分布式发电系统的研究，依靠现有的燃煤技术，开发适用于分布式发电系统的高效动力循环，进一步提高煤电转换效率，这对于发展分布式煤电有重要意义。

分布式发电系统主要为50 MW以下的中、小容量机组，在此容量范围，闭式循环的发电效率可显著高于广泛使用的蒸汽朗肯循环[1]，并且可超过开式循环[2]。闭式循环可采用空气、氮气、超临界二氧化碳(sCO2)、氦气等作为工质，其中空气循环技术最为成熟，具有几十年的运行历史[3]。同等参数条件下，sCO2闭式循环的热效率高于的其他工质循环[4]，是第4代核电、聚光太阳能热发电、生物质燃烧发电等发电系统的优选动力循环[5]。sCO2闭式循环的各种布置方式中，简单回热sCO2闭式循环热效率相对低一些，但是系统简化，适合于热电联供系统[6]；分流再压缩循环热效率高，并且几乎是热效率最高的循环布置方式，可用于高效发电系统[7]。总体而言，分流再压缩循环是sCO2闭式循环在各类发电系统中首选的布置方式，也适用于分布式发电。尽管分流再压缩sCO2闭式循环效率高，但是仍需要进一步提高效率，使燃煤分布式发电效率接近甚至达到集中式发电的效率水平。

本文首先分析分流再压缩sCO2闭式循环的优点，并指出其不足之处；其次将sCO2闭式循环与空气闭式循环组成联合循环；最后对联合循环发电系统进行效率分析，并与分流再压缩sCO2闭式循环进行对比。

图1 分流再压缩sCO2闭式循环流程及压焓图Fig.1 Process and p-h diagram for shunting-recompression sCO2 closed cycle

1 分流再压缩sCO2闭式循环

经典的简单闭式循环，即布雷顿循环，包括绝热压缩、等压加热、绝热膨胀、等压冷却4个过程[8]。等压加热和等压冷却过程之间可通过回热器，构成简单回热循环，回热过程可实现热量回收，从而提高循环热效率[8]。在简单回热sCO2闭式循环基础上，再增加一个并行的绝热压缩过程，可构成分流再压缩sCO2闭式循环[9]，流程示意及对应的压焓图如图1所示。分流再压缩sCO2闭式循环的流程为：假设从热源开始，由热源(如：燃煤锅炉)出来的高温高压工质经透平膨胀做功，推动发电机工作，透平排出的低压工质经高温回热器和低温回热器将热量传递给高压侧的工质，工质在进入预冷器前分流成两路，一路工质进入预冷器(主流)，再经主压缩机和低温回热器，然后与进入再压缩机的另一路工质(分流)汇合进入高温回热器，最后回到热源。

相比简单回热sCO2闭式循环，分流再压缩sCO2闭式循环的热效率可提高5个百分点以上[10]。为更清晰地解释循环热效率提高的原理，可将分流再压缩循环等同变换为两个简单回热循环的联合循环，其顶循环和底循环分别对应于循环的分流部分和主流部分，如图2所示。顶循环和底循环中工质的参数分别等于分流工质的流量和主流工质的参数。相应地，高温回热过程拆分为顶循环高温回热过程和底循环高温回热过程，低温回热过程变成顶循环向底循环传热和底循环低温回热过程两部分。相比底循环，顶循环的绝热压缩过程远高于临界温度，耗功要大得多。虽然顶循环热效率低于底循环，但是顶循环释放的余热全部传递给了底循环，可认为没有热量损失。底循环中接收顶循环余热的是主压缩机出来的工质，具有大比热容的特性，除了吸收底循环自身的低温回热热量外，还容纳了来自顶循环的余热，最终使底循环吸收外部热源的热量大幅减少。综上所述，顶循环、底循环和两者联合的分流再压缩循环的热效率计算式为

图2 分流再压缩sCO2闭式循环拆分Fig.2 Breakdown of shunting-recompression sCO2 closed cycle

式中：ηt、ηb、ηr分别为顶循环、底循环和分流再压缩循环的热效率；hi为图1、2中各状态点的比焓；r为分流比。因为h4-h3=h6-h7，所以有

因为ηb>ηt，所以ηr>ηb>ηt，分流再压缩方法可提高sCO2闭式循环热效率。

根据以上分析可知，分流再压缩sCO2闭式循环实际上是两个简单回热循环的联合循环。由于顶循环和底循环的工质相同，透平两端参数一致，所以两个循环可合并到一个回路中，仅保留两个并行的绝热压缩过程，系统得到简化。但是，分流再压缩sCO2闭式循环存在不足之处：一方面顶循环和底循环难以解耦以实现独立的运行参数和过程控制；另一方面顶循环热效率不高。由此考虑到，可将顶循环的功能由其他更高效率的替代循环来实现，从而提高联合循环的热效率。

2 sCO2与空气联合循环方案

将分流再压缩循环的原理推广开来，引入其他循环作为图2(b)中简单回热sCO2闭式循环的顶循环。考虑到技术成熟度、热效率、经济性等多方面因素，选择空气闭式循环作为顶循环，代替图2(a)的sCO2闭式循环。图3为sCO2与空气联合循环布置的示意图，两个循环通过中间换热器实现热量集成。

a为二氧化碳压缩机； b为二氧化碳低温回热器； c为二氧化碳高温回热器； d为热源； e为二氧化碳透平， f为发电机1； g为中间换热器； h为预冷器； i为空气压缩机； j为空气回热器； k为空气透平； l为发电机2。图3 sCO2与空气联合循环布置Fig.3 sCO2-air combined cycle

热源采用循环流化床锅炉，其适用于分布式发电系统，且有两方面的优点[11]：一是燃料灵活性好，能清洁高效利用高硫煤和低热值燃料，并可按任何比例混烧生物质燃料；另一方面仅通过炉内脱硫和低温燃烧抑氮即能实现达标排放，特定条件下炉内SO2或NOx单项指标可实现超低排放，有望在今后实现炉外不设置或设置简易脱硫脱硝装置。此外，循环流化床锅炉可达90%以上的热效率。

循环流化床锅炉的床温在900 ℃以下，工质的最高温度宜不超过850 ℃。循环流化床锅炉同时为sCO2闭式循环和空气闭式循环提供热量，需要设置两种工质的锅炉受热面。对于空气闭式循环，锅炉高温部件材料可采用具有优良抗氧化性能和较高强度的高温合金，如：INCOLOY 800H[12]，工质最高温度不超过800 ℃。对于sCO2闭式循环，sCO2工质的高温腐蚀机制不同于空气氧化，它包括氧化和碳化腐蚀，已有研究表明：金属材料在CO2环境中的腐蚀较为严重[13]，工质温度不宜过高，并且sCO2闭式循环压力高，锅炉高温部件材料可采用高强度耐热不锈钢材料，如Super304H、TP347HFG、HR3C等[14]，工质最高温度不超过620 ℃。

3 sCO2与空气联合循环效率分析

采用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的Refprop物性数据库，对图3的sCO2与空气联合循环进行热效率分析，同时对图1的分流再压缩sCO2闭式循环进行热效率分析，然后将两者进行对比研究。作为分布式发电系统，机组净发电功率取50 MW。sCO2与空气联合循环中sCO2闭式循环透平进口参数取620 ℃/30 MPa，空气闭式循环透平进口参数分别取670 ℃/8 MPa(Case1)、700 ℃/6 MPa(Case2)、750 ℃/5 MPa(Case3)、800 ℃/4 MPa(Case4)。分流再压缩sCO2闭式循环中，透平进口参数取620 ℃/30 MPa。假设循环系统有较好的环境冷源条件，联合循环中的sCO2闭式循环和分流再压缩sCO2闭式循环冷端工质温度均取32 ℃，压力均取8 MPa。锅炉热效率取90%，其他主设备性能参数的选取如表1所示。为简化计算，不单独考虑设备的其他次要性能参数，如：压损、散热、漏气、机械损失及其他可能的损失，保守地将它们合并为循环热效率的3%。此外，辅助设备用电简化为发电功率的0.5%。

表1 主设备性能参数Table 1 Parameters of main equipment

sCO2与空气联合循环热效率可表达为

sCO2与空气联合循环和分流再压缩sCO2闭式循环发电系统的净发电效率可分别表达为

式中：ηcnet、ηrnet分别为联合循环和分流再压缩sCO2闭式循环的净发电效率；ηrt为分流再压缩sCO2闭式循环的热效率；ηbt为锅炉热效率；ηloss为效率损失率；ηgen为发电机效率；ηaux为辅助设备用电率。经计算，求得系统的热效率和净发电效率，如表2所示。

由表2计算结果可知，随着空气闭式循环温度参数的提高，联合循环的效率也不断提高：当空气闭式循环最高温度670 ℃时，联合循环热效率与分流再压缩循环相当；当空气闭式循环透平进口温度为700 ℃以上时，联合循环热效率显著高于分流再压缩循环；空气闭式循环透平进口温度为800 ℃时，联合循环系统的发电效率进一步提高，达到620 ℃等级大型超超临界煤粉燃烧发电机组的发电效率水平(约45%)[15]。可见，sCO2与空气联合循环用于分布式燃煤发电的潜力很大。另外，由表2计算结果可见，联合循环的工质流量高于分流再压缩循环，特别是空气闭式循环的流量较大，且压力较低，对工质的换热能力有不利影响，所以对空气回热器和中间换热器的性能要求很高。