超臨界二氧化碳循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)初步研究

鄭開云

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

超臨界二氧化碳循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)初步研究

鄭開云

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

超臨界二氧化碳閉式循環(huán)(sCO2循環(huán))是新型的閉式循環(huán)系統(tǒng)，具有效率高、系統(tǒng)簡單、運行靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點。結(jié)合分布式發(fā)電系統(tǒng)的要求，對sCO2循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了研究。通過對傳統(tǒng)的閉式循環(huán)相關(guān)文獻(xiàn)的研究以及對sCO2循環(huán)的分析，發(fā)現(xiàn)小容量的sCO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)保持了傳統(tǒng)的閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在控制、運行、維護(hù)等方面的優(yōu)點，并且在發(fā)電效率上具有顯著優(yōu)勢，特別是用于熱電聯(lián)產(chǎn)，能量利用率可達(dá)90%。隨著系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性的提高，sCO2循環(huán)有望在未來用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。

超臨界二氧化碳循環(huán)；分布式發(fā)電；熱電聯(lián)產(chǎn)；能量利用率；循環(huán)效率

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電是能源高效利用的理想途徑，可實現(xiàn)高品質(zhì)的電能與低品質(zhì)熱量需求的有機(jī)統(tǒng)一?；诨茉吹男滦头植际桨l(fā)電系統(tǒng)多采用小型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)作為原動機(jī)，并可提供排氣余熱用于工業(yè)生產(chǎn)，也可以用于生活供熱。然而，為了進(jìn)一步降低成本，仍有必要尋找其他形式的分布式發(fā)電系統(tǒng)。閉式循環(huán)用于熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電可追溯二十世紀(jì)八十年代，瑞士Escher Wyss公司研發(fā)了采用空氣工質(zhì)的閉式循環(huán)發(fā)電機(jī)組，這種類型的發(fā)電機(jī)組具有50年的良好運行業(yè)績，但是在二十世紀(jì)八十年代以后隨著其他高效發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展而遭淘汰。近年來，以超臨界二氧化碳(sCO2)作為工質(zhì)的閉式循環(huán)系統(tǒng)成為行業(yè)研究熱點，并且被認(rèn)為具有諸多潛在優(yōu)勢和廣泛用途，筆者關(guān)注到小容量sCO2循環(huán)系統(tǒng)也有望作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的可選動力裝置。由于sCO2循環(huán)具有公認(rèn)的高效率優(yōu)勢，如果用于熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電系統(tǒng)，循環(huán)排放的余熱可用于供熱、供暖或生活熱水，所以非常適合工業(yè)區(qū)或居民區(qū)的供電、供熱。

本文首先回顧傳統(tǒng)的閉式循環(huán)的發(fā)展歷史，指出閉式循環(huán)用于分布式發(fā)電的優(yōu)勢及其缺陷；其次介紹sCO2循環(huán)的發(fā)展現(xiàn)狀，并與空氣工質(zhì)閉式循環(huán)作對比；最后根據(jù)對以往的閉式循環(huán)和最新的sCO2循環(huán)的研究，開展sCO2循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)概念設(shè)計和熱力分析。

1 閉式循環(huán)發(fā)展歷史

閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在二十世紀(jì)四十年代至八十年代有不少應(yīng)用，特別是在德國有非常良好的應(yīng)用業(yè)績[1]。采用空氣工質(zhì)，首臺容量2 MW的試驗電廠于二戰(zhàn)期間在蘇黎世成功投運，之后，有一批空氣工質(zhì)的閉式循環(huán)商業(yè)機(jī)組在德國、日本、前蘇聯(lián)、美國等陸續(xù)投運，容量為2～20 MW[2]。二十世紀(jì)七十年代中期首座氦氣工質(zhì)閉式循環(huán)發(fā)電機(jī)組在西德投運，容量50 MW[3]。然而，至二十世紀(jì)八十年代共投運的閉式循環(huán)發(fā)電機(jī)組僅有二十余臺，且未有進(jìn)一步的發(fā)展。

閉式循環(huán)包括絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹、等壓冷卻這4個過程，也就是布雷頓循環(huán)，其優(yōu)點主要有4個方面： (1)由于采用間接加熱的方式，燃料選擇可以多樣化，同時工質(zhì)也可以根據(jù)需要選取空氣、氦氣或其他氣體；(2)可根據(jù)承壓材料的性能，提高透平入口工質(zhì)的壓力等級，以提高循環(huán)的功率密度和熱效率，并可通過調(diào)節(jié)壓力(回路中工質(zhì)的質(zhì)量)實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電功率的大范圍變化且?guī)缀醪挥绊懷h(huán)效率；(3)循環(huán)排出的余熱溫度較高，大部分可被利用，實際上閉式循環(huán)發(fā)電機(jī)組也基本上都是以熱電聯(lián)產(chǎn)方式運行，能量利用率高；(4)系統(tǒng)可靠、啟?？焖?、運行靈活、維護(hù)簡便，機(jī)組可設(shè)計成高度自動化，僅需配備個別操作人員。閉式循環(huán)發(fā)電機(jī)組在實際應(yīng)用中運行業(yè)績良好，機(jī)組非計劃停機(jī)極少，設(shè)備運行穩(wěn)定，高溫部件未發(fā)生顯著氧化或腐蝕，對于某些季節(jié)，機(jī)組甚至可以每天起停，起動時間0.5 h以內(nèi)。

盡管如此，閉式循環(huán)也有其固有的缺陷。最突出的問題是需要的換熱面積太大，成本急劇升高，導(dǎo)致機(jī)組容量很難做大，大型化受到限制；其次是受制于現(xiàn)有高溫材料的許用極限，透平入口溫度很難像開式循環(huán)那樣大幅度地提高，從而無法進(jìn)一步提高循環(huán)效率；此外，排出余熱的溫度不高，不適用于工業(yè)生產(chǎn)。

隨著蒸汽輪機(jī)和開式燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的閉式循環(huán)遭到淘汰，所以閉式循環(huán)在電力工業(yè)中沒有得到充分發(fā)展和廣泛應(yīng)用，不過在核電領(lǐng)域，氦氣循環(huán)在高溫氣冷堆的研發(fā)中得到較好的延續(xù)[4]。

2 sCO2循環(huán)發(fā)展現(xiàn)狀

采用超臨界工質(zhì)的閉式循環(huán)有別于上述的氣態(tài)工質(zhì)的閉式循環(huán)，整個循環(huán)中工質(zhì)可始終處于超臨界狀態(tài)，或者循環(huán)的壓縮機(jī)出口至透平入口的高壓側(cè)處于超臨界態(tài)，低壓側(cè)的透平出口為氣態(tài)，并且預(yù)冷器將工質(zhì)冷凝至液相。超臨界工質(zhì)循環(huán)通過在臨界點附近壓縮以減少做功，這是其具有高循環(huán)效率的關(guān)鍵因素。CO2的臨界點是30.98 ℃/7.38 MPa，是十分理想的超臨界工質(zhì)，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、成本低。

sCO2循環(huán)的研究始于二十世紀(jì)四十年代，在二十世紀(jì)六七十年代相關(guān)的研究工作蓬勃發(fā)展，美國、意大利、日本的學(xué)者均對循環(huán)的熱力學(xué)特性作了深入分析和優(yōu)化[5-7]。鑒于當(dāng)時電力發(fā)展以集中供電模式為主流方向，需要大容量、高效率、低成本的發(fā)電機(jī)組，在此市場需求下，按照當(dāng)時的工業(yè)技術(shù)水平，sCO2循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)、燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)相比較并無優(yōu)勢。因此，sCO2循環(huán)并未被電力工業(yè)采用。自本世紀(jì)初起，sCO2循環(huán)的研究再度興起[8]，并以第4代核電領(lǐng)域為源頭向其他發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域迅速延伸和發(fā)展，其中sCO2循環(huán)被認(rèn)為是液態(tài)金屬冷卻快堆的絕佳組合之一[9]，在聚光型太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，sCO2循環(huán)也被認(rèn)為是具有較大潛力的動力轉(zhuǎn)換模塊[10]，在火力發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、艦船動力等領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景[11-13]。

3 sCO2循環(huán)與空氣閉式循環(huán)對比

盡管sCO2循環(huán)被認(rèn)為是一項新技術(shù)，還有待開展多方面的研發(fā)，但是其工作原理和基本特點與氣體閉式循環(huán)是完全一致的，僅是由于工質(zhì)物性不同而導(dǎo)致循環(huán)的熱力學(xué)特性有所變化。表1列舉了一些物性參數(shù)，將sCO2與空氣作對比，其中空氣工質(zhì)選擇了文獻(xiàn)[2]中Oberhausen電站的壓縮機(jī)入口與透平入口的參數(shù)。在壓縮機(jī)入口的低溫低壓條件下，CO2工質(zhì)為接近臨界點的超臨界狀態(tài)，其物性與液體十分相似，而空氣表現(xiàn)典型的氣體特性。在透平入口的高溫高壓條件下，空氣和CO2工質(zhì)均表現(xiàn)氣體狀態(tài)，兩者的密度之比基本等于壓力之比，而其他物性參數(shù)值基本相近。由此可見，sCO2循環(huán)在臨界點附近的壓縮過程是完全不同于氣體壓縮的，是需要進(jìn)行全新研究的課題；系統(tǒng)壓力的提高使材料選用、透平機(jī)械部件設(shè)計、熱交換器設(shè)計需要進(jìn)行調(diào)整。此外，sCO2工質(zhì)的高溫腐蝕機(jī)理不同于空氣氧化，已有研究報道表明金屬材料在CO2環(huán)境中的腐蝕較為嚴(yán)重，需要采用高溫合金或防護(hù)技術(shù)。但是，系統(tǒng)總體設(shè)計、設(shè)備布置、自動控制均可參考傳統(tǒng)的空氣閉式循環(huán)。特別是控制策略，閉式循環(huán)采用的壓力控制(調(diào)整回路中工質(zhì)質(zhì)量)和透平旁路控制方法[14-15]，簡便、可靠、效果好，可實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整、部分負(fù)荷運行、供電與供熱分配、緊急停機(jī)等功能，并保持機(jī)組高的發(fā)電效率，這也在很大程度上適用于sCO2循環(huán)[16]。

表1 空氣與CO2工質(zhì)的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of air and CO2 working fluid

閉式循環(huán)中熱交換器非常關(guān)鍵[17]，一方面是熱交換器的性能(效度、壓損)對于循環(huán)效率有很大影響，另一方面熱交換器占機(jī)組總造價的一半以上，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有很大影響。同樣地，熱交換器，特別是加熱器和回?zé)崞鳎彩莝CO2循環(huán)中最關(guān)鍵的部件。相比空氣閉式循環(huán)，sCO2循環(huán)工質(zhì)的密度增大數(shù)倍，有利于提高換熱系數(shù)，但壓力的提高勢必造成傳熱管壁厚增大，不利于傳熱。因此，熱交換器設(shè)計是sCO2循環(huán)系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)的核心技術(shù)。類似于空氣閉式循環(huán)，sCO2循環(huán)也是受制于換熱器設(shè)計，很難設(shè)計大容量的機(jī)組，不過對于小容量(100 MW以內(nèi))的分布式發(fā)電系統(tǒng)，sCO2循環(huán)是有優(yōu)勢的[18]。

此外，需要指出的是透平和壓縮機(jī)也是非常關(guān)鍵的部件，其技術(shù)成熟度仍然較低，仍須開展進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)。

4 sCO2循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)概念設(shè)計

sCO2循環(huán)除了簡單回?zé)嵫h(huán)外，還有多種布置方式，其中再壓縮循環(huán)布置的發(fā)電效率較高，最有發(fā)展前途。但是，作為熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)，本文選用簡單回?zé)嵫h(huán)，原因有2方面： (1)可以大量地繼承和運用傳統(tǒng)閉式循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)和運行經(jīng)驗；(2)由于再壓縮循環(huán)的系統(tǒng)比較復(fù)雜、運行靈活性不佳，也缺乏參考經(jīng)驗。

簡單回?zé)醩CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示于圖1，循環(huán)的溫度-比熵關(guān)系示于圖2，圖1中對循環(huán)系統(tǒng)作了簡化，僅給出主要的設(shè)備和工藝流程。系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、透平、發(fā)電機(jī)、預(yù)熱器、加熱器、回?zé)崞?、預(yù)冷器等組成。低溫低壓工質(zhì)首先進(jìn)入壓縮機(jī)升至高壓(1-2)，經(jīng)回?zé)崞魑胀钙脚懦龉べ|(zhì)的熱量(2-3)，再經(jīng)加熱器從熱源吸收熱量達(dá)到最高溫度(3-4)，然后進(jìn)入透平做功推動發(fā)電機(jī)工作(4-5)，透平排出的工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞麽尫挪糠譄崃?5-6)，最后經(jīng)預(yù)熱器冷卻后進(jìn)入下一個循環(huán)過程(6-1)。透平與發(fā)電機(jī)之間可通過齒輪變速箱減速，小功率發(fā)電機(jī)也可直接選用高速發(fā)電機(jī)，再通過變頻裝置將發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)換成工頻。預(yù)冷器分為2段，高溫段的熱量送往熱用戶，低溫段的熱量釋放至環(huán)境，透平出口可設(shè)旁路，排出的部分工質(zhì)直接進(jìn)入預(yù)冷器用于供熱。加熱器設(shè)計參考空氣工質(zhì)閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，高溫排煙的熱量通過預(yù)熱器傳遞給送入的新空氣，從而降低排煙溫度，減少熱損失。加熱器燃料可采用化石燃料或生物質(zhì)燃料。

圖1 sCO2循環(huán)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sCO2 cycle

圖2 sCO2循環(huán)溫熵圖Fig.2 T-s diagram of sCO2 cycle

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1的循環(huán)的進(jìn)行熱力分析。機(jī)組凈發(fā)電功率設(shè)為10 MW，循環(huán)額定工況條件及設(shè)備性能參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[19]，并按照當(dāng)前或近期可達(dá)到工程技術(shù)水平給定，見表2，忽略泄漏損失。經(jīng)計算，得到系統(tǒng)各狀態(tài)點的結(jié)果，列于表3，由此求得系統(tǒng)的凈發(fā)電效率約40%。假設(shè)預(yù)冷器中工質(zhì)溫度降至45 ℃時釋放的熱量供給熱用戶，則熱功率為7.2 MW。因此，機(jī)組在額定功率下發(fā)電，同時供熱，能量利用率可達(dá)69%。

表2 sCO2循環(huán)參數(shù)Table 2 Parameters for sCO2 cycle

表3 sCO2循環(huán)各狀態(tài)點熱力計算結(jié)果Table 3 Thermodynamic calculation results of each state point of sCO2 cycle

圖3 sCO2循環(huán)系統(tǒng)電功率、熱功率和能量利用率與 壓縮機(jī)入口溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between electric power, heat power, energy efficiency and compressor inlet temperature for sCO2 cycle

當(dāng)供電需求下降但供熱需求提高時，可以降低低溫段預(yù)冷器冷卻水流量，從而提高壓縮機(jī)入口溫度，這樣預(yù)冷器入口溫度也提高，在工質(zhì)流量不變的情況下，加熱器總熱功率下降，供電功率下降、供熱功率提高，能量利用率提高，見圖3。在壓縮機(jī)入口溫度為45 ℃時，預(yù)冷器排放的熱量可全部用于供熱，機(jī)組總的能量利用率可達(dá)90%。若供電功率不變，提高供熱功率，則可通過旁路將透平排出的部分工質(zhì)直接送往預(yù)冷器，此時加熱器輸入熱功率上升。因此，sCO2循環(huán)系統(tǒng)在發(fā)電效率和能量利用率方面優(yōu)勢明顯，且熱電比例調(diào)整簡便，適用于熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電。

5 結(jié)論

(1) sCO2循環(huán)與閉式循環(huán)有很大的相似性，具有閉式循環(huán)的諸多特點，在設(shè)計和應(yīng)用上可以借鑒后者的各種成熟技術(shù)。

(2) 小容量的sCO2循環(huán)在發(fā)電效率方面具有本質(zhì)優(yōu)勢，且透平排氣的熱量可用于供熱，適合用作熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電系統(tǒng)。隨著sCO2循環(huán)系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性的不斷提高，sCO2循環(huán)有望在不久的將來用于熱電聯(lián)產(chǎn)分布式發(fā)電系統(tǒng)。

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鄭開云

(編輯 蔣毅恒)

Preliminary Investigation on Supercritical Carbon Dioxide Cycle Cogeneration System

ZHENG Kaiyun

(Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Minhang District, Shanghai 200240, China)

Supercritical carbon dioxide closed cycle (sCO2cycle), a novel closed cycle system, is characterized of its high efficiency, simple system, flexible operation and low maintenance. According to the requirements of distributed generation system, this paper studies the applicability of sCO2cycle cogeneration system. On the basis of literature survey on conventional closed cycle and the analysis of sCO2cycle, it is found that small scale sCO2cycle generation system keeps the advantages of close cycle system in control, operation, maintenance, etc., and possesses advantage of high efficiency, especially for heat and power cogeneration, the energy efficiency could be up to 90%. It is expected that sCO2cycle will be applied in distributed generation system in the near future with the improvement of technical readiness and economy of key equipments in the system.

supercritical carbon dioxide cycle; distributed generation; heat and power cogeneration; energy efficiency; cycle efficiency

TK 11

A

2096-2185(2017)03-0015-05

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.003

2017-05-08

鄭開云(1980—)，男，高級工程師，主要從事動力工程技術(shù)研究，zhengkaiyun@speri.com.cn。