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      超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)在船舶領(lǐng)域應(yīng)用

      2024-03-20 12:01:56劉桃宏杜曉東
      機(jī)電設(shè)備 2024年1期
      關(guān)鍵詞:輸出功率分流壓縮機(jī)

      趙 峰,劉桃宏,杜曉東

      (上海船舶設(shè)備研究所,上海 200031)

      0 引言

      超臨界二氧化碳( Supercritical Carbon Dioxide,S-CO2)循環(huán)發(fā)電作為重要的能源裝備發(fā)展已列入《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》。與傳統(tǒng)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)相比,S-CO2動(dòng)力循環(huán)具有更高的循環(huán)效率、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、無須水處理、降低成本等特點(diǎn),如表1所示,300 MW級(jí)蒸汽機(jī)組與300 MW級(jí)S-CO2機(jī)組性能表現(xiàn)對(duì)比。

      表1 300 MW 級(jí)機(jī)組概念設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

      眾多學(xué)者對(duì)于S-CO2循環(huán)發(fā)電做了大量的研究工作,并取得一定的研究成果。在理論方面,方立軍等[1]研究太陽輻射能、吸熱器出口溫度、循環(huán)壓比和部套效率等因素對(duì)S-CO2塔式光熱電站性能的影響;趙世飛等[2]基于EBSILON軟件對(duì)1 000 MW級(jí)S-CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬,并研究不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)性能影響的變化規(guī)律;許可[3]采用EBSILON軟件對(duì)“三爐兩機(jī)”的母管制熱電機(jī)組進(jìn)行建模和不同工況下的模擬計(jì)算,并創(chuàng)新性地將蟻群算法應(yīng)用到熱電負(fù)荷優(yōu)化分配問題的解決。在試驗(yàn)方面,西安熱工院于2021年12月建成我國首座大型5 MW級(jí)S-CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組,并完成72 h試驗(yàn)運(yùn)行;首航高科基于敦煌10 MW級(jí)塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目(水蒸氣朗肯循環(huán))開展S-CO2太陽能發(fā)電系統(tǒng)改造技術(shù)研究。

      目前國內(nèi)對(duì)于S-CO2循環(huán)發(fā)電的研究主要集中于理論研究、某個(gè)部套件的試驗(yàn)研究,也存在一小部分對(duì)整體系統(tǒng)的研究,但是相關(guān)研究資料還是比較匱乏,且尚未形成完備、成熟的研究體系。因此,本文根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)450 kW級(jí)S-CO2再壓縮動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并研究系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)控制策略,旨在為工程化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

      1 模型構(gòu)建

      作為電站行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)普遍被認(rèn)可的商業(yè)軟件,EBSILON廣泛應(yīng)用于各種熱力系統(tǒng)仿真計(jì)算與性能分析,包括傳統(tǒng)的火力發(fā)電、核能發(fā)電和新能源發(fā)電等。

      圖1為S-CO2動(dòng)力循環(huán)設(shè)計(jì)流程。首先,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,初步確定循環(huán)結(jié)構(gòu)型式;然后,從EBSILON軟件部件庫中依次建立每個(gè)部件計(jì)算模型;緊接著將各個(gè)部套件連接起來,形成整個(gè)循環(huán)系統(tǒng),并設(shè)置工質(zhì)物性Refprop:Carbon(CO2):-1013和相應(yīng)的計(jì)算邊界條件;最后,基于Guass-Seidel-Method迭代求解一系列非線性方程組,直至滿足收斂條件,輸出計(jì)算結(jié)果。

      圖1 設(shè)計(jì)流程圖

      各個(gè)部套熱力計(jì)算所依賴的數(shù)學(xué)模型主要是基于質(zhì)量流量、壓力和焓值這3個(gè)物理量的守恒,具體關(guān)系式為

      式中:m為質(zhì)量流量;P為壓力;ΔP為壓力變化,包括壓損或增壓;H為焓值;W為對(duì)外做功,下標(biāo)in和out分別表示進(jìn)口、出口。

      2 研究方法驗(yàn)證

      通過兩型S-CO2循環(huán)案例對(duì)本文研究方法的可靠性進(jìn)行論證,為后面開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制奠定研究基礎(chǔ)。

      2.1 SNL 簡(jiǎn)單循環(huán)模擬

      圖2為美國桑迪亞試驗(yàn)室(Sandia National Laboratories,SNL)簡(jiǎn)單循環(huán)案例[4]。本文通過EBSILON對(duì)該循環(huán)進(jìn)行仿真,結(jié)果見圖3。對(duì)比兩者主要設(shè)備的模擬結(jié)果與誤差,見表2。可以發(fā)現(xiàn),采用EBSILON模擬該循環(huán)具有較高的準(zhǔn)確性,最大相對(duì)誤差為0.536 7%,最小相對(duì)誤差為0.021 4%。相比于,謝蓉等[5]采用Aspen Plus軟件模擬該循環(huán)具有更高的精度。

      圖2 簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)設(shè)備圖

      圖3 EBSILON 簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)熱平衡圖

      2.2 MIT 再壓縮循環(huán)模擬

      圖4為美國麻省理工學(xué)院試驗(yàn)室(MIT)再壓縮循環(huán)案例[6]。本文通過EBSILON對(duì)該循環(huán)進(jìn)行仿真,結(jié)果見圖5。對(duì)比兩者主要設(shè)備的計(jì)算結(jié)果與誤差,見表3。可以發(fā)現(xiàn),采用EBSILON模擬該循環(huán)具有較高的準(zhǔn)確性,最大相對(duì)誤差為2.1094%,最小相對(duì)誤差為0.002 3%。相比于,大連理工大學(xué)謝蓉等采用Aspen Plus模擬該循環(huán)具有更高的精度。

      圖4 MIT 再壓縮循環(huán)設(shè)備圖

      圖5 EBSILON 再壓縮循環(huán)熱平衡圖

      表3 再壓縮循環(huán)主要設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果與模擬值對(duì)比

      通過上述簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)和再壓縮循環(huán)案例的仿真結(jié)果對(duì)比與分析,本文采用EBSILON軟件研究S-CO2循環(huán)的方法具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性,從而有力支撐下文開展動(dòng)力循環(huán)設(shè)計(jì)與變工況計(jì)算研究。

      3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      3.1 設(shè)計(jì)工況計(jì)算

      本文側(cè)重于工程化設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用,對(duì)一型450 kW級(jí)S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。定義工質(zhì)進(jìn)入再壓縮機(jī)的質(zhì)量流量占總質(zhì)量流量的份額為分流比。

      表4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

      據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載[7],熱源溫度在500 ℃~600 ℃時(shí),再壓縮循環(huán)的熱效率最高。據(jù)此,本文考慮實(shí)際工程需求,確定使用再壓縮循環(huán)來進(jìn)行S-CO2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì),并在計(jì)算過程中,做出以下5點(diǎn)假設(shè):

      1)整個(gè)系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),忽略動(dòng)能和勢(shì)能的變化。

      2)透平、壓縮機(jī)采用等熵效率。

      3)除了高溫回?zé)崞?、低溫回?zé)崞?、冷卻器之外,忽略整個(gè)系統(tǒng)與周圍環(huán)境的熱交換損失。

      4)忽略密封、軸承處功率的耗散。

      5)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率為扣除輔機(jī)系統(tǒng)耗電后的結(jié)果。

      根據(jù)圖1中所示的設(shè)計(jì)流程,經(jīng)過不斷調(diào)試,得到450 kW級(jí)S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),見圖6。其中,發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率為479.351 kW,熱電轉(zhuǎn)換效率為26.7%,滿足設(shè)計(jì)要求。圖7為計(jì)算過程中質(zhì)量流量、壓力和焓值的收斂曲線,即式(1)、式(2)和式(3),總共需要迭代30步,計(jì)算時(shí)間為48 ms。

      圖6 450 kW 級(jí)S-CO2 系統(tǒng)循環(huán)圖

      圖7 計(jì)算收斂曲線

      在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),透平、主壓縮機(jī)、再壓縮機(jī)的等熵效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響是比較顯著的,其他部套件主要起輔助性作用,確保整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的合理性。

      3.2 設(shè)計(jì)工況下控制

      根據(jù)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù),對(duì)不同分流比下S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)效率、發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率和熱源功率進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表5。由表5可知,分流比越小即流入主壓縮機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量越大,發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率越多,所需要的熱源功率也就相應(yīng)變大,三者之間呈現(xiàn)線性變化規(guī)律;當(dāng)分流比為0.639時(shí),發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率為2 kW,考慮到管道、軸承、密封處等處的耗功,可以認(rèn)為分流比0.639這個(gè)點(diǎn)是S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)恰好發(fā)出電的起始點(diǎn)。這對(duì)于設(shè)計(jì)工況下,系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行控制提供很好的指導(dǎo)。

      表5 不同分流比系統(tǒng)參數(shù)變化

      圖8展示的S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行控制示意圖。通過調(diào)節(jié)主壓縮機(jī)入口前的閥門開度,控制主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)的質(zhì)量流量分配情況。布置在再壓縮機(jī)入口處的流量計(jì)可以對(duì)進(jìn)入再壓縮機(jī)的流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)合表5中的數(shù)據(jù),理論意義上可以通過對(duì)再壓縮機(jī)回路中的流量進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)S-CO2系統(tǒng)對(duì)外輸出功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)??紤]到實(shí)際工程應(yīng)用中熱源的額定功率是確定的,這里取值為2 000 kW。因此,將表5中的分流比范圍縮小至0.200~0.639。當(dāng)S-CO2系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),慢慢地向系統(tǒng)回路中注入工質(zhì),此時(shí)再壓縮循環(huán)并未開始,只是形成一條流動(dòng)回路。當(dāng)工質(zhì)流量達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí),調(diào)節(jié)閥門改變主、再壓縮機(jī)流量分配來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況運(yùn)行過程控制。

      圖8 S-CO2 系統(tǒng)運(yùn)行控制示意圖

      4 變工況分析

      對(duì)于S-CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的變工況計(jì)算及運(yùn)行控制策略尚未明確,因此,本文著眼于通過流量的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略研究。由于系統(tǒng)流量變化和再壓縮機(jī)流量變化是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立變量,為降低研究難度,本文分成2種情況:分流比為定值、開展不同系統(tǒng)流量的變工況研究和系統(tǒng)流量為定值、開展不同分流比的變工況研究。

      4.1 分流比為定值

      以系統(tǒng)流量為控制變量、設(shè)計(jì)輸出功率為目標(biāo)值開展變工況計(jì)算,結(jié)果見表6。從表6中可以發(fā)現(xiàn),在管道、軸承、密封處等處的耗功一致時(shí),隨著系統(tǒng)流量增大,發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率逐漸增大。與此同時(shí),系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率和熱源功率也隨之增加,這也驗(yàn)證了本文從流量的角度進(jìn)行S-CO2系統(tǒng)運(yùn)行控制的可行性。因此,從系統(tǒng)開始啟動(dòng)到運(yùn)行至設(shè)計(jì)工況甚至超載狀態(tài)下,可以通過主回路閥門來控制系統(tǒng)流量的大小進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)S-CO2系統(tǒng)運(yùn)行控制。

      表6 不同設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)流量、效率和熱源功率的變化規(guī)律(分流比為0.37)

      4.2 系統(tǒng)流量為定值

      以再壓縮機(jī)流量即分流比為控制變量、設(shè)計(jì)輸出功率為目標(biāo)值開展變工況計(jì)算,結(jié)果見表7。由表7可知,隨著再壓縮機(jī)流量的增大,發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率隨之降低,伴隨的熱電轉(zhuǎn)換效率、熱源功率也減小。結(jié)合表6中的研究結(jié)果,在系統(tǒng)開始啟動(dòng)到設(shè)計(jì)工況及超載模式,控制系統(tǒng)流量的同時(shí)需配合調(diào)節(jié)再壓縮機(jī)流量,以實(shí)現(xiàn)S-CO2再壓縮循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜變工況運(yùn)行控制。

      表7 不同設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)流量、效率和熱源功率的變化規(guī)律(系統(tǒng)流量為11.885 kg/s)

      5 結(jié)論

      本文基于EBSILON軟件對(duì)船用的百千瓦級(jí)S-CO2再壓縮循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)研究,并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況及變工況運(yùn)行控制進(jìn)行分析,主要得到以下結(jié)論:

      1)本文設(shè)計(jì)了1型船用450 kW級(jí)S-CO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng),發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率為479.351 kW,熱電轉(zhuǎn)換效率為26.7%,滿足設(shè)計(jì)要求。

      2)設(shè)計(jì)工況下,系統(tǒng)運(yùn)行的分流比在0.200~0.639??紤]到管道、軸承、密封處等處的耗功,認(rèn)為分流比0.639這個(gè)點(diǎn)是S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)開始對(duì)外作正功。

      3)在25%、50%、75%、100%、110%和120%等變工況下,系統(tǒng)對(duì)外輸出功率隨著系統(tǒng)流量的增加而增大,隨著再壓縮機(jī)流量的增加而減少。

      4)S-CO2再壓縮循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜變工況運(yùn)行過程中需要同時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量和再壓縮機(jī)流量,印證了本文從質(zhì)量流量的角度來研究系統(tǒng)控制運(yùn)行的可行性。

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