300 MW超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)分析

田瑞青 廖健鑫 廖 翔

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

超臨界二氧化碳(簡(jiǎn)稱S-CO2)發(fā)電是一種新型發(fā)電技術(shù)，以超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)，將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為電能，其熱源可采用核能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)廢熱、余熱、化石燃料等多種形式。S-CO2發(fā)電具有效率高、體積小、重量輕、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。S-CO2發(fā)電現(xiàn)在屬于熱門研究方向，各國(guó)均有不同程度的研究，部分國(guó)家己經(jīng)開(kāi)展了樣機(jī)制造和試驗(yàn)。美國(guó)BMPC公司搭建了100 kW級(jí)雙軸帶回?zé)岬拈]式布雷頓循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)。NREI于2012年提出以Echogen公司的EPS100系統(tǒng)為基礎(chǔ)的SunShot試驗(yàn)計(jì)劃，開(kāi)發(fā)了10 MW超臨界二氧化碳渦輪機(jī)，計(jì)劃2013年設(shè)計(jì)，2014年制造，2015年運(yùn)行。美國(guó)海軍堆項(xiàng)目組下屬諾爾斯原子能實(shí)驗(yàn)室與貝蒂斯實(shí)驗(yàn)室2010年己建成一座100 kW電功率的整體試驗(yàn)系統(tǒng)，1000～3000 kW電功率的超臨界二氧化碳試驗(yàn)的前期工作也在進(jìn)行中。日本東京工業(yè)大學(xué)完成了用于核反應(yīng)堆的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；韓國(guó)原子能研究院分析了超臨界二氧化碳循環(huán)與鈉冷快中子堆結(jié)合的可行性。

國(guó)內(nèi)西安熱工研究院正在進(jìn)行10 MW以下透平和壓縮機(jī)試驗(yàn)；中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所已經(jīng)完成1臺(tái)換熱器、1臺(tái)冷卻器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試，2018底完成兆瓦級(jí)超臨界CO2換熱器綜合試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。

目前國(guó)內(nèi)外S-CO2發(fā)電仍處于試驗(yàn)階段，100 MW以上大功率機(jī)組還未商業(yè)運(yùn)行，但隨著各國(guó)工程人員的不懈努力，大功率超臨界二氧化碳機(jī)組商業(yè)運(yùn)行指日可待。對(duì)300 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析，期望對(duì)以后大功率機(jī)組熱力設(shè)計(jì)有所幫助。

1 S-CO2熱力循環(huán)

S-CO2發(fā)電是以超臨界狀態(tài)的二氧化碳為工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行在二氧化碳的臨界壓力和臨界溫度之上。超臨界二氧化碳經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)升壓后，被換熱器等壓加熱，經(jīng)升溫后，高溫高壓的工質(zhì)進(jìn)入透平做功，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，做功后的二氧化碳?jí)毫档?，進(jìn)入預(yù)冷器降溫到初始狀態(tài)，再進(jìn)入壓縮機(jī)形成閉式循環(huán)。

2 典型循環(huán)系統(tǒng)及組成

由于超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)工質(zhì)的物性特點(diǎn)，為了提高整個(gè)循環(huán)效率，在循環(huán)中往往采用中間回?zé)岬姆绞?，充分利用透平高溫的排氣?lái)預(yù)熱壓縮機(jī)出口的工質(zhì)(回?zé)徇^(guò)程)，從而降低冷端損失，循環(huán)還可采用多級(jí)壓縮中間冷卻技術(shù)進(jìn)一步提高效率。典型循環(huán)系統(tǒng)及組成如下：

(1)簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、透平、預(yù)冷器、加熱器和回?zé)崞鹘M成，如圖1(a)所示。

(2)再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，由主壓縮機(jī)、再壓縮機(jī)、透平、預(yù)冷器、加熱器和低溫回?zé)崞鳌⒏邷鼗責(zé)崞鹘M成，如圖1(b)所示。

(3)預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，相對(duì)于再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，增加了預(yù)壓縮機(jī)和間冷器，如圖1(c)所示。

(4)再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，由主壓縮機(jī)、再壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)透平、發(fā)電透平、預(yù)冷器、加熱器和換熱器組成，如圖1(d)所示。

(a)簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)當(dāng)前火力發(fā)電廠汽輪機(jī)和超臨界二氧化碳參數(shù)配置以及國(guó)內(nèi)材料性能的可實(shí)現(xiàn)性，設(shè)定熱力計(jì)算參數(shù)為：透平進(jìn)氣壓力32 MPa，進(jìn)氣溫度620℃，再熱二氧化碳進(jìn)氣溫度600℃，透平出口(壓縮機(jī)進(jìn)口)壓力7.6 MPa，壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)進(jìn)口溫度32℃，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，選取換熱器效率為97%，發(fā)電機(jī)效率97%，計(jì)算中不考慮所有管路、閥門等的損失。

3.1 簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)所需設(shè)備較少，循環(huán)流程簡(jiǎn)單，初期投入較低，但循環(huán)效率較低，適用于低參數(shù)、功率等級(jí)較小的發(fā)電機(jī)組。換熱器熱端出口工質(zhì)溫度為89.5℃，而壓縮機(jī)進(jìn)口溫度32℃，由于有溫差為57.5℃的熱量在冷端損失，使整個(gè)循環(huán)熱效率降低，最大壓比時(shí)效率為41.2%。簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1，其壓比對(duì)循環(huán)熱效率影響見(jiàn)圖2。

表1 簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of simple S-CO2 Breton cycle system

圖2 簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)壓比對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 2 Effects of simple S-CO2 Breton cycle system pressure ratio on cycle thermal efficiency

3.2 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)

保持壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不變，隨著壓比增大，機(jī)組效率增加，當(dāng)壓比達(dá)到4.079時(shí)，機(jī)組效率達(dá)到最高，見(jiàn)圖3(a)。保持壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不變，分流比增大，機(jī)組的效率增加，當(dāng)分流比達(dá)到0.6451時(shí)，機(jī)組效率達(dá)到最高，見(jiàn)圖3(b)。

圖3 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)壓比、分流比對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 3 Effects of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio, split ration on cycle thermal efficiency

與簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)相比，帶分流再壓縮系統(tǒng)進(jìn)入低溫?fù)Q熱器中冷側(cè)流體的流量減少，通過(guò)低溫?fù)Q熱器和高溫?fù)Q熱器的加熱，進(jìn)入熱源的新工質(zhì)溫度得到提升，當(dāng)分流比選取合適時(shí)，可以使低溫?fù)Q熱器冷側(cè)溫升與熱側(cè)溫降數(shù)值相當(dāng)；同時(shí)分流再壓縮系統(tǒng)中進(jìn)入預(yù)冷器的二氧化碳流量減少，減少了系統(tǒng)向外界放熱，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。盡管換熱器熱端出口和壓縮機(jī)進(jìn)口溫度仍有57.5℃溫差，但由于再壓縮流量的分流，約36%的熱量被利用，冷端損失減少，整個(gè)系統(tǒng)效率提高。再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

3.3 預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)

保持預(yù)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不變，隨著壓比增大，機(jī)組效率增加，預(yù)壓縮機(jī)壓縮比越小，機(jī)組效率越高。因?yàn)閴嚎s耗功后，工質(zhì)溫度升高，為了降低主壓縮機(jī)耗功，工質(zhì)在進(jìn)主壓縮機(jī)前需要預(yù)冷到接近臨界溫度。因此，預(yù)壓縮壓比越小，冷卻損耗也少，整個(gè)機(jī)組效率就越高。

換熱器熱端出口和壓縮機(jī)進(jìn)口溫差降低，溫差只有28.4℃，再加上再壓縮機(jī)流量的分流，進(jìn)預(yù)壓縮機(jī)前冷端損失減少，由于增加了間冷器，使中間損失增加，整個(gè)系統(tǒng)冷端損失減少，循環(huán)熱效率的收益也減少。預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3，其壓比、分流比對(duì)循環(huán)熱效率影響見(jiàn)見(jiàn)圖4。

表3 預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)Table 3 Parameters of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

圖4 預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)壓比、分流比對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 4 Effects of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

由于增加了預(yù)壓縮機(jī)和間冷器，初期成本投入增加。印刷電路板式換熱器具有耐高溫、高壓、泄漏少、結(jié)構(gòu)緊湊、高效等優(yōu)點(diǎn)，S-CO2發(fā)電具有較廣闊的前景，國(guó)內(nèi)正處于攻堅(jiān)階段，設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)還不夠成熟，中科院工程熱物理研究所雖完成換熱器、冷卻器樣機(jī)試驗(yàn)，但未達(dá)到商業(yè)化，目前換熱器基本以進(jìn)口為主，價(jià)格非常高。

3.4 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)

相對(duì)于預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)減少了間冷器這一中間冷卻損失環(huán)節(jié)；分流到再壓縮，減少了冷端損失，通過(guò)再熱，單位工質(zhì)的做功能力得到增加。保證壓縮機(jī)進(jìn)口參數(shù)不變，隨著壓比和分流比的增加，機(jī)組效率增大，循環(huán)熱效率最高可達(dá)到48.8%，見(jiàn)圖5。再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)Table 4 Parameters of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

保證主透平進(jìn)口參數(shù)，分流比，壓縮機(jī)壓比不變，隨著主透平出口壓力降低，機(jī)組循環(huán)熱效率下降，在主透平出口壓力為16 MPa時(shí)，機(jī)組的效率最高，見(jiàn)圖6。主透平進(jìn)口參數(shù)不同時(shí)，機(jī)組達(dá)到最高效率時(shí)的分流比基本保持一致。

圖5 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)壓比、分流比對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 5 Effects of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

圖6 主透平出口壓力對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 6 Effects of main turbine exit pressure on cycle thermal efficiency

4 對(duì)比分析

如圖7所示，通過(guò)對(duì)不同循環(huán)方式對(duì)比可見(jiàn)，再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)整個(gè)循環(huán)熱效率最高，預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)和再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)次之，簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)最低。在再熱、再壓縮回?zé)嵯到y(tǒng)基礎(chǔ)上增加一臺(tái)預(yù)壓縮機(jī)和一臺(tái)間冷器，就形成帶預(yù)壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，見(jiàn)圖8。

圖7 不同循環(huán)熱效率對(duì)比Figure 7 Contrast of different cycle thermal efficiencies

圖8 帶預(yù)壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)Figure 8 S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression

和其它典型循環(huán)系統(tǒng)一樣，帶預(yù)壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)，隨著總壓比增加，系統(tǒng)循環(huán)熱效率增加。在系統(tǒng)總壓比不變的情況下，隨著預(yù)壓縮機(jī)出口壓力變化，系統(tǒng)總循環(huán)熱效率先增加，達(dá)到某個(gè)值后又減少，預(yù)壓縮機(jī)出口壓力為10 MPa時(shí)，機(jī)組循環(huán)熱效率最高，見(jiàn)圖9。主透平出口壓力逐漸增加，系統(tǒng)循環(huán)熱效率先增后減，主透平出口壓力為16 MPa時(shí)，機(jī)組循環(huán)熱效率最高為49.4%，見(jiàn)圖10。相比較再熱、再壓縮回?zé)嵯到y(tǒng)循環(huán)，增加預(yù)壓縮后帶來(lái)的收益是系統(tǒng)循環(huán)熱效率約提高0.6%，但增加了預(yù)壓縮機(jī)、間冷器、系統(tǒng)管道配置、土建等的初期投資，后期系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)增加，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行控制難度增加。因此對(duì)于300 MW機(jī)組的熱力方案更傾向于選取再熱、再壓縮回?zé)嵯到y(tǒng)?？筛鶕?jù)具體工程核算優(yōu)化選擇相應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)。300 MW機(jī)組熱力基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

圖9 預(yù)壓縮機(jī)出口壓力對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 9 Effects of pre-compressor exit pressure on cycle thermal efficiency

圖10 帶預(yù)壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)主透平出口壓力、總壓比對(duì)循環(huán)熱效率影響Figure 10 Effects of main turbine exit pressure, total pressure ratio for S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression on cycle thermal efficiency

表5 300 MW機(jī)組熱力方案(未考慮相關(guān)損失)Table 5 Thermal scheme of 300 MW generator (without related loss)

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)不同熱力循環(huán)系統(tǒng)熱效率、投資成本對(duì)比分析，確定300 MW機(jī)組熱力方案，并得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)不同循環(huán)方式對(duì)比可見(jiàn)，帶預(yù)壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)整個(gè)循環(huán)熱效率最高，再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)次之，預(yù)壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)和再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)略低，簡(jiǎn)單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)最低。

(2)在壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不變情況下，隨著壓比、分流比增大，機(jī)組的效率增加。

(3)采用多級(jí)壓縮中間冷卻技術(shù)，雖能提高效率，但由于中間冷卻增加了過(guò)程損失，降低了收益。同時(shí)由于增加了預(yù)壓縮機(jī)和間冷器，初期成本投入增加，且控制系統(tǒng)復(fù)雜。

(4)針對(duì)具體工程可根據(jù)實(shí)際預(yù)算及周期選擇相應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)。