低溫場(chǎng)景超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)研究

鄭開(kāi)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

近年來(lái)，隨著風(fēng)力和光伏發(fā)電成本的不斷下降，可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量快速增大，并且不斷壓縮煤電的份額。但我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，風(fēng)光資源相對(duì)有限的能源稟賦決定了煤電仍將長(zhǎng)期占據(jù)主力能源地位，并在保障我國(guó)的能源安全方面發(fā)揮重要作用。煤電在繼續(xù)發(fā)揮作用的同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展成為當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點(diǎn)，而提高燃煤發(fā)電機(jī)組的效率始終是最重要的實(shí)現(xiàn)路徑之一[1]。

目前，高效發(fā)電機(jī)組的代表是620～630 ℃溫度等級(jí)的二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，全廠凈效率為46%～47%，正在建設(shè)中的最先進(jìn)的高低位布置的機(jī)組，預(yù)期全廠凈效率可達(dá)49%[2]。通過(guò)進(jìn)一步提高超超臨界機(jī)組參數(shù)至700 ℃溫度等級(jí)，受到高溫材料技術(shù)及設(shè)備制造成本的限制，很難走向?qū)嶋H應(yīng)用，所以行業(yè)內(nèi)轉(zhuǎn)而探索新型的超臨界CO2循環(huán)熱力發(fā)電技術(shù)[3-5]。

Mounir 等[6]提出，初參數(shù)620 ℃/30 MPa 的1 000 MW二次再熱超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組的循環(huán)熱效率為52.4%，全廠凈效率為47.8%。Bai 等[7]提出，初參數(shù)620 ℃/32 MPa 的300 MW一次再熱超臨界CO2循環(huán)熱效率為50.03%，設(shè)計(jì)的鍋爐熱效率為94%～95%，考慮廠用電及其他因素，預(yù)計(jì)全廠凈效率約45%。Sun 等[8]提出，初參數(shù)620 ℃/32 MPa 的1 000 MW 二次再熱超臨界CO2循環(huán)熱效率為51.08%，全廠凈效率為47.04%。以上文獻(xiàn)結(jié)論表明超臨界CO2循環(huán)的熱效率高，但是與燃煤鍋爐組成的發(fā)電機(jī)組的理論效率并沒(méi)有顯著高于現(xiàn)有的超超臨界汽輪機(jī)組，并且還稍低于高效二次再熱超超臨界機(jī)組。主要原因是超臨界CO2循環(huán)壓比小、回?zé)釡囟雀?，?dǎo)致從熱源吸熱的溫度區(qū)間窄，與燃煤鍋爐的加熱溫度區(qū)間不能很好地匹配。針對(duì)這一問(wèn)題，可采取分流工質(zhì)冷卻煙氣、預(yù)壓縮、提高壓力等措施來(lái)解決，但效果有限[9]。因此，對(duì)于常規(guī)的應(yīng)用場(chǎng)景，超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組的高效率優(yōu)勢(shì)無(wú)法得到體現(xiàn)。根據(jù)CO2的物性，它的凝結(jié)溫度低，理論上可以在低至-50 ℃條件下工作。因此，對(duì)于具備低溫條件的應(yīng)用場(chǎng)景，如高緯度地區(qū)，可以通過(guò)降低熱力循環(huán)的終溫來(lái)提高循環(huán)熱效率、擴(kuò)大壓比、增大吸熱溫度區(qū)間，從而更好地匹配鍋爐加熱溫度區(qū)間。

本文結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)的氣候特點(diǎn)，構(gòu)建適合于冬、春季節(jié)低溫環(huán)境下的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)其發(fā)電效率加以估算，并對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益進(jìn)行初步探討。

1 低溫場(chǎng)景分析

低溫環(huán)境對(duì)于熱力發(fā)電是有利的，可以降低汽輪機(jī)低壓缸的排汽壓力，提升機(jī)組熱力性能。但是，會(huì)增大蒸汽濕度，汽輪機(jī)相對(duì)效率下降，并且需要更長(zhǎng)的末級(jí)葉片，增加汽輪機(jī)排汽口尺寸和數(shù)量，使汽輪機(jī)低壓部分復(fù)雜化，所以汽輪發(fā)電機(jī)組的終溫不宜過(guò)低[10]。超臨界CO2循環(huán)可以在極低的終溫下運(yùn)行，獲得更高的循環(huán)效率，由于循環(huán)壓比仍然較小，不會(huì)使透平排氣口尺寸過(guò)大，也沒(méi)有濕蒸汽的問(wèn)題。因此，尋找適用的低溫場(chǎng)景，可以發(fā)揮超臨界CO2循環(huán)的優(yōu)勢(shì)。

從我國(guó)的地理和氣溫特點(diǎn)來(lái)看，北方地區(qū)冬、春季氣溫低，特別是東北和北疆等高緯度地區(qū)氣溫處于0 ℃下的時(shí)間可達(dá)4 個(gè)月以上?？紤]到最好在燃煤電廠廠址附近有煤炭資源，則蒙東和北疆煤炭基地的區(qū)位優(yōu)勢(shì)最為突出。蒙東地區(qū)冬、春季極其嚴(yán)寒，以呼倫貝爾為例，從11月中旬至第二年的2 月中旬，長(zhǎng)達(dá)近3 個(gè)月的最高氣溫在-10 ℃以下，極端氣溫可達(dá)-50 ℃；北疆也有類似氣候條件。因此，在蒙東和北疆地區(qū)的低溫天氣，可以為超臨界CO2循環(huán)提供非常優(yōu)越的低溫冷端條件，可將工質(zhì)冷卻至15 ℃以下。

2 發(fā)電效率估算

超臨界CO2循環(huán)采用分流再壓縮方式，其循環(huán)效率高。圖1給出了分流再壓縮超臨界CO2循環(huán)的基本流程，以主泵入口為起點(diǎn)，工質(zhì)經(jīng)主泵壓縮增壓，通過(guò)低溫回?zé)崞鳎c分流壓縮機(jī)出來(lái)的工質(zhì)匯合，經(jīng)高溫回?zé)崞?，進(jìn)入鍋爐吸收熱量，通過(guò)透平膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。透平排出工質(zhì)經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞?，一股分流進(jìn)入分流壓縮機(jī)增壓，另一股進(jìn)入冷卻器冷卻后再回到主泵入口。

圖1 分流再壓縮超臨界CO2循環(huán)流程Fig.1 Process of splitting-recompression supercritical CO2 cycle

考慮到超臨界CO2循環(huán)與鍋爐加熱溫度區(qū)間的合理匹配，鍋爐進(jìn)氣溫度不宜過(guò)高，所以循環(huán)沒(méi)有采用再熱。這樣，循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，設(shè)備較少，非常適合運(yùn)用透平高位布置方法來(lái)縮減高溫高壓主管道長(zhǎng)度，并降低管道阻力損失。

循環(huán)熱力學(xué)計(jì)算中選取終溫，即主泵入口溫度為3～15 ℃的工況，主泵入口壓力略高于所對(duì)應(yīng)的飽和壓力，且設(shè)定低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口溫度與分流壓縮機(jī)出口溫度相等，循環(huán)系統(tǒng)的其他給定參數(shù)如表1 所示，鍋爐效率、管道效率、機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率和廠用電率均參考大型超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組[2]。

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

主泵、分流壓縮機(jī)內(nèi)的壓縮過(guò)程以及透平內(nèi)的膨脹做功過(guò)程均視為絕熱過(guò)程，等熵效率分別用ηc和ηt表示。

壓縮過(guò)程的等熵效率為

式中：ht，in、ht，out分別為實(shí)際透平入口和出口工質(zhì)焓值；ht，out，is為等熵情況下透平出口工質(zhì)焓值。

采用美國(guó)國(guó)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(kù)，根據(jù)能量守恒，可求得穩(wěn)態(tài)時(shí)循環(huán)回路各設(shè)備入口和出口工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)值，以及進(jìn)入分流壓縮機(jī)的分流量比例[11]。

循環(huán)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱效率η可表示為

式中：Wt為透平功率；Wp為主泵功耗；Wc為分流壓縮機(jī)功耗；Q為工質(zhì)從鍋爐吸收的熱量。

全廠凈效率ηnet可表示為

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；ηm為機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率；ξap為廠用電率。

“家長(zhǎng)用超標(biāo)電動(dòng)車，學(xué)?；蚩酆⒆拥赖路帧保痪们?，山東菏澤某學(xué)校這一規(guī)定引發(fā)網(wǎng)友熱議。事后當(dāng)?shù)亟逃块T(mén)回應(yīng)稱，拒絕此類做法，對(duì)學(xué)生不會(huì)有任何懲罰性措施。強(qiáng)行將父母騎超標(biāo)電動(dòng)車的行為與孩子捆綁在一起，既容易誤導(dǎo)孩子成長(zhǎng)，更容易傷害孩子與父母之間的感情。誠(chéng)然，開(kāi)展超標(biāo)電動(dòng)車專項(xiàng)整治行動(dòng)需要標(biāo)本兼治，但政策實(shí)施不可無(wú)限擴(kuò)大，把八竿子打不著的教育部門(mén)納入其中，甚至把孩子作為“尚方寶劍”，讓孩子充當(dāng)整治超標(biāo)電動(dòng)車的“排頭兵”。教育部門(mén)職責(zé)非常明確，不要遇到什么事兒都和孩子“捆綁”。唯有如此，學(xué)校才能專心培養(yǎng)學(xué)生。從根本上講，也更有利于超標(biāo)電動(dòng)車的徹底整治。

圖2 給出了鍋爐進(jìn)氣溫度與主泵入口溫度的關(guān)系，由圖2 可見(jiàn)，鍋爐進(jìn)氣溫度隨著主泵入口溫度遞增，當(dāng)主泵入口溫度≤9 ℃時(shí)，鍋爐進(jìn)氣溫度低于355 ℃，可與鍋爐加熱溫度區(qū)間較好匹配。當(dāng)主泵入口溫度＞9 ℃時(shí)，如有必要，可以通過(guò)從高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)中間或出口抽取少量工質(zhì)，進(jìn)一步冷卻鍋爐尾部排煙[11]。

圖2 鍋爐進(jìn)氣溫度與主泵入口溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the inlet temperatures of boiler and main pump

圖3 給出了循環(huán)熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關(guān)系，由圖3 可見(jiàn)，效率隨著主泵入口溫度遞減，且主泵入口溫度每升高2 ℃，效率降低0.002～0.003。主泵入口溫度在9 ℃以下時(shí)，循環(huán)熱效率在53.5%以上，全廠凈效率達(dá)到48%以上，高于現(xiàn)有的二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組1%～2%。

圖3 循環(huán)熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between thermal efficiency,net plant efficiency and main pump inlet temperature

將主泵入口溫度為9 ℃的工況作為最佳工況，循環(huán)的熱力學(xué)狀態(tài)如圖4 所示，其中分流比為0.38。由圖4可見(jiàn)，在低溫下，主泵入口的二氧化碳工質(zhì)為液態(tài)，主泵做功減小，有利于提高循環(huán)的熱效率。在適合的低溫條件應(yīng)用場(chǎng)景，如蒙東、北疆地區(qū)的冬春季節(jié)，上述工況的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組非常適合。

圖4 主泵入口溫度為9 ℃工況的溫熵圖Fig.4 T-s diagram for the case with the inlet temperature of main pump of 9 ℃

3 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選取低的終溫，那么在較高環(huán)境溫度條件下，機(jī)組無(wú)法通過(guò)自然冷卻而正常工作，可能需要停機(jī)，或者采取人工制冷手段來(lái)調(diào)節(jié)終溫，所以機(jī)組的高效運(yùn)行具有季節(jié)性特點(diǎn)。從整個(gè)能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，水電、光伏等可再生能源發(fā)電也具有季節(jié)性波動(dòng)特點(diǎn)，冬、春季時(shí)水電和光伏發(fā)電量大幅減少，此時(shí)又恰逢用電高峰，通過(guò)運(yùn)行上述的超臨界CO2循環(huán)燃煤機(jī)組可以補(bǔ)充冬、春季的用電需求。如果機(jī)組可以在冬、春季節(jié)滿發(fā)運(yùn)行4 個(gè)月以上，則年利用時(shí)間也可達(dá)2 880 h以上，雖低于全國(guó)火電平均利用時(shí)間(2019 年為4 293 h)，但高于四川、云南等水電資源豐富省份的火電利用時(shí)間。

對(duì)于有低溫條件且煤炭資源豐富的廠址區(qū)域，如蒙東、北疆地區(qū)，冬春季節(jié)氣溫低，且煤炭就地利用的價(jià)格便宜，電煤價(jià)格低于300元/t，僅為全國(guó)平均價(jià)格的60%。采用前文優(yōu)選的終溫為9 ℃工況的超臨界CO2循環(huán)燃煤機(jī)組，機(jī)組發(fā)電凈效率可達(dá)48%，對(duì)應(yīng)的供電煤耗為256 g/(kW·h)。雖然超臨界CO2循環(huán)由于換熱器用量大，在機(jī)組造價(jià)上相比汽輪機(jī)組存在劣勢(shì)[2]，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仍具有一定的降本空間，特別是用于低溫場(chǎng)景的循環(huán)布置，循環(huán)壓比大，回?zé)釤崃枯^小，并且無(wú)需再熱，使機(jī)組更加簡(jiǎn)化。超臨界CO2循環(huán)燃煤機(jī)組在發(fā)電效率上的突出優(yōu)勢(shì)，使其經(jīng)濟(jì)性得以保障。假設(shè)600 MW機(jī)組的年發(fā)電時(shí)間為2 880 h，按照供電煤耗比二次再熱超超臨界汽輪機(jī)組減少10 g/(kW·h)計(jì)算，每年可省煤17 280 t，節(jié)省費(fèi)用約500萬(wàn)元。同時(shí)，由于煤耗低，CO2和污染物排放減少，符合煤電清潔低碳的發(fā)展方向。

隨著西南水電資源開(kāi)發(fā)殆盡，“西電東送”潛力上升有限，貴州、安徽等傳統(tǒng)電力外送基地自身煤炭資源開(kāi)發(fā)程度較高，近年來(lái)電煤供應(yīng)逐步趨緊，沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)大外送的潛力，受多方面因素影響，自身電源發(fā)展?jié)摿τ邢?，未?lái)將逐漸出現(xiàn)季節(jié)性缺口。因此，我國(guó)正在研究增加“北電南送”的電力新格局，通過(guò)跨省跨區(qū)的遠(yuǎn)距離輸電通道傳送至京津冀、長(zhǎng)三角等用電負(fù)荷大的地區(qū)。蒙東和北疆地區(qū)具備優(yōu)越的煤電發(fā)展條件，除現(xiàn)有的煤電供給方式以外，在冬、春季電力緊張時(shí)段，投入高效的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組，借助“北電南送”通道向外供電，更有利于保障我國(guó)能源供應(yīng)安全。

4 結(jié)論

結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)的氣候特點(diǎn)，構(gòu)建了適合于冬、春季節(jié)低溫環(huán)境下運(yùn)行的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)降低終溫、擴(kuò)大循環(huán)壓比、降低工質(zhì)的回?zé)釡囟龋R界CO2循環(huán)可與燃煤鍋爐很好地結(jié)合，組成高效的燃煤發(fā)電機(jī)組。

2）考慮到氣溫和煤炭分布，我國(guó)北方煤炭基地(如蒙東、北疆)低溫季節(jié)長(zhǎng)，可以構(gòu)建高效的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組。

3）對(duì)于終溫9 ℃的工況，620 ℃/30 MPa 初參數(shù)的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組可獲得48%的全廠凈發(fā)電效率，高于二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。

4）超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電可以補(bǔ)充可再生能源發(fā)電在冬、春季節(jié)的發(fā)電量缺口，通過(guò)“北電南送”實(shí)現(xiàn)北方煤炭資源的高效利用。