基于超臨界CO2布雷頓循環(huán)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化分析

中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文編號：15xxxx基于超臨界CO2布雷頓循環(huán)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化分析周敬1，凌鵬1,2，張晨浩1，崔曉寧1，徐俊1，許凱1，蘇勝1，胡松1，汪一1，向軍1，*（1華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室，武漢4300742長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，長沙，410114）（Tel：87542417-8206，Email：xiangjun@）摘要:本文建立超臨界CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)全流程優(yōu)化模型，在32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高參數(shù)條件下，分析不同冷卻方式、再熱級數(shù)以及省煤器布置方式對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果顯示：中間冷卻與二次再熱在高壓縮比下能有效提高S-CO2布雷頓循環(huán)熱力性能；鍋爐受熱面壓降能降低循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)性能且對二次再熱影響高于一次再熱；從高溫回?zé)崞魅肟谝霾糠至鞯绞∶浩髂苡行嵘齋-CO2發(fā)電系統(tǒng)全廠效率；；相同條件下，超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)全廠效率高于傳統(tǒng)蒸汽鍋爐。關(guān)鍵詞超臨界CO2布雷頓循環(huán)；燃煤發(fā)電系統(tǒng)；熱力系統(tǒng)優(yōu)化；全流程模型ThermodynamicsoptimizationanalysisofsupercriticalCO2coal-firedpowergenerationsystembasedonSupercriticalCO2BraytonCycleZhouJing1，LingPeng1,2,ZhangChenhao1,CuiXiaoning1,XuJun1,XuKai1,SuSheng1,HuSong1,WangYi1,XiangJun1,*（1StateKeyLaboratoryofCoalCombustion,SchoolofEnergyandPowerEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China2SchoolofPowerandEnergyEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,ChangshaHunan410114,China）Abstract:ThispaperestablishesaThermodynamicsoptimizationmodelofsupercriticalCO2coal-firedpowergenerationsystem.Underthehigh-parameterconditionsof32.5MPa/605°C/610°C/610°C/,differentcoolingmodes,reheatstages,andeconomizerlayoutsareanalyzedforsystemperformance.TheresultsshowthattheintercoolinganddoublereheatcanimprovethethermalperformanceoftheS-CO2Braytoncycleathighcompressionratioseffectively;doublereheatismoreaffectedbythepressuredropattheheatedsurfaceoftheboilerthanthesinglereheat.;thecasethatthepartflowisintroducedfromtheinletsideofhigh-temperaturerecuperatorintotheeconomizercanutilizeeffectivelywasteheatandimprovethewholeplantefficiency;Underthesameconditions,thewholeplantefficiencyofsupercriticalCO2powergenerationsystemishigherthanthetraditionalsteamboiler.Keywords:SupercriticalCO2Braytoncycle;Coal-firedpowergenerationsystem;Thermodynamicsoptimizationanalysis;Processanalysis

0前言提高發(fā)電機組效率、降低污染物的排放是電力行業(yè)研究的永恒主題和目標(biāo)；當(dāng)前，鍋爐系統(tǒng)主要是以蒸汽朗肯循環(huán)為主流的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其發(fā)展受到材料和技術(shù)的限制。為了突破傳統(tǒng)路線的瓶頸，一些新概念先進動力系統(tǒng)[1,2]，例如超臨界CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，受到越來越多的關(guān)注。超臨界CO2工質(zhì)具有合適的臨界壓力，無毒低成本，能量密度大，傳熱效率高，系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊等特點[3]。超臨界CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)最開始被提出應(yīng)用于核反應(yīng)裝置。Kato等[4]通過測試超臨界CO2全壓縮、部分壓縮以及不壓縮三種循環(huán)方式，根據(jù)熱效率、安全性、造價以及裝備制造工藝得出其可很好地代替液態(tài)金屬冷卻快堆。Dostal[5]研究指出S-CO2再壓縮布雷頓循環(huán)在中高溫450~700℃溫度是最優(yōu)的布置方式，能很好克服回?zé)崞鲓A點問題導(dǎo)致的傳熱惡化問題。很多研究表明超臨界CO2布雷頓循環(huán)在服回?zé)崞鲓A點問題導(dǎo)致的傳熱惡化與系統(tǒng)效率下降問題[6,7]。很多研究表明超臨界CO2布雷頓循環(huán)在集中于核能、太陽能、余熱利用、化石能源等展現(xiàn)了良好熱力學(xué)性能[8-10]。目前，超臨界CO2布雷頓循環(huán)在燃煤鍋爐的應(yīng)用目前研究僅處于起步的階段。Le等[11]通過構(gòu)建了超臨界CO2布雷頓循環(huán)和煤粉鍋爐耦合概念模型，其系統(tǒng)循環(huán)效率高達50%，全廠效率高于傳統(tǒng)蒸汽鍋爐5%左右。然而，該研究并沒有考慮適用于超臨界CO2燃煤發(fā)電機組的超臨界CO2布雷頓循環(huán)熱力優(yōu)化分析，本文建立一套超臨界CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)全流程模型，基于超臨界CO2鍋爐32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高參數(shù)特性對超臨界CO2布雷頓循環(huán)中冷卻方式、再熱級數(shù)以及省煤器布置進行優(yōu)化，并與相同參數(shù)下傳統(tǒng)蒸汽鍋爐燃煤發(fā)電系統(tǒng)進行性能對比分析。1模型建立1.1超臨界CO2布雷頓循環(huán)簡單的超臨界CO2布雷頓再壓縮循環(huán)包括主壓縮機、輔助壓縮機、兩個回?zé)崞?、預(yù)冷器以及熱源和S-CO2透平。如圖1所示，進入預(yù)冷器前一部分流股7通過旁路壓縮機壓縮至高溫回?zé)崞鞲邏憾?，另一部分流股進入預(yù)冷器、主壓縮機和低溫回?zé)崞髋c其匯合一同進入高溫回?zé)崞鳎?jīng)過回?zé)岬牧鞴?進入熱源吸熱通過S-CO2透平做功，之后依次通過高溫回?zé)崞饕约暗蜏鼗責(zé)崞鲹Q熱。超臨界CO2布雷頓循環(huán)模型與輸入?yún)?shù)見表1[12]，其中回?zé)崞鞑捎肏EATX換熱器，可使用TQ-CURVES功能分析回?zé)崞鞲邏憾伺c低壓端溫差分布。圖1簡單超臨界CO2布雷頓再壓縮循環(huán)示意圖基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0601802）；國家自然科學(xué)基金（51576086，51576081）表1超臨界CO2循環(huán)參數(shù)[12]ItemParameterValueUnit主壓縮機入口壓力/溫度78/32bar/℃超臨界CO2循環(huán)組件壓降0.1MPa鍋爐受熱面壓降0.5MPaS-CO2壓縮機絕熱效率89.00%—電動機效率99.60%—S-CO2透平絕熱效率93.00%—機械效率98.50%—由圖2可知，將以上建立模型與文獻[5]進行對比，其中壓縮機入口壓力在15-30MPa，S-CO2透平入口溫度在550-850℃，其熱效率基本保持一致，效率誤差在1.2%之內(nèi)。同時，圖3（a）對壓縮機入口壓力30MPa，透平入口溫度650℃情況下中回?zé)崞鲹Q熱量Q與溫差△T進行分析，可發(fā)現(xiàn)低溫回?zé)崞鲿l(fā)生溫度夾點問題，溫差最小處并非發(fā)生在低溫回?zé)崞鲀啥?，高溫回?zé)崞鞑⒉粫霈F(xiàn)以上問題。這是由于低溫回?zé)崞鞯蛪憾藚?shù)接近超臨界點附近，從圖3（b）可知超臨界CO2流體比熱容在超臨界點附近出現(xiàn)突變，從而導(dǎo)致低溫回?zé)崞髟诙它c處溫差并非最小。以上是簡單的超臨界CO2布雷頓循環(huán)，為了適應(yīng)于超臨界CO2鍋爐超高溫超高壓參數(shù)，可采用二次再熱、中間冷卻手段提升系統(tǒng)熱力學(xué)性能，在第二節(jié)將進行討論。（虛線表示文獻結(jié)果，實現(xiàn)表示模擬結(jié)果）（a）回?zé)崞鱍-T曲線；b）物性隨溫度變化曲線圖2模型驗證圖3回?zé)崞餍阅芊治?.2超臨界CO2燃煤鍋爐與常規(guī)蒸汽鍋爐相似，超臨界CO2鍋爐部分包括燃料燃燒過程與煙氣換熱過程，見圖4，其模型參照前面工作超超臨界傳統(tǒng)蒸汽鍋爐建立[13,14]，采用RYield反應(yīng)器和RGibbs反應(yīng)器表示燃燒過程中燃料分解以及燃燒過程，煙氣側(cè)換熱采用Heater模塊，其中煙氣側(cè)采用PR-BM物性方法[15]，S-CO2工質(zhì)側(cè)采用LK-PLOCK物性方法ADDINNE.Ref.{10F7C822-C890-4D59-9702-E5E09F2F264F}[11,12]。尾部煙道中采用分流器FSplit模塊，用于控制前煙道與后煙道的煙氣比例，以達到S-CO2工質(zhì)調(diào)溫的目的，相當(dāng)于煙道擋板。與傳統(tǒng)鍋爐不同之處，超臨界CO2鍋爐中S-CO2工質(zhì)入口溫度較常規(guī)鍋爐給水溫度高，大約100-200℃，因此超臨界CO2鍋爐余熱利用顯然不能按照常規(guī)方法布置。目前，尾部煙氣余熱利用常用方式由以下方式：增加空氣預(yù)熱器吸熱量；從超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)引出部分流到省煤器。以上內(nèi)容在第二節(jié)將對省煤器的布置進行討論。CW1—主S-CO2流冷卻壁；CW2—一次再熱S-CO2流冷卻壁；CW3—二次再熱S-CO2流冷卻壁；LSH—低溫過熱器；RH1-2—一次再熱高溫再熱器冷段；RH2-2—二次再熱高溫再熱器冷段；HSH—高溫過熱器；RH1-3—一次再熱高溫再熱器熱段；RH2-3—二次再熱高溫再熱器熱段；RH1-1—一次再熱低溫再熱器；RH2-1—二次再熱低溫再熱器；ECO—省煤器；AP—空氣預(yù)熱器圖4S-CO2鍋爐模型2系統(tǒng)性能計算與分析圖5展示了適用于超臨界CO2鍋爐的超臨界CO2布雷頓循環(huán)流程圖，其中壓縮機處紅色虛線框代表單級冷卻方式，藍色實線框代表著中間冷卻方式；再熱部分紅色虛線和藍色實線框分別表示一次再熱和二次再熱；省煤器部分根據(jù)從不同回?zé)崞魅肟谝鞣譃榉桨敢慌c方案二。本節(jié)主要研究S-CO2透平最高入口壓在32.5MPa，最高蒸汽溫度605℃/610℃/610℃參數(shù)下中間冷卻、省煤器布置以及再熱級數(shù)對系統(tǒng)性能分析，同時通過比較傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，研究先進的S-CO2循環(huán)系統(tǒng)對系統(tǒng)性能的影響。圖5超臨界CO2鍋爐的超臨界CO2布雷頓循環(huán)流程圖2.1中間冷卻對系統(tǒng)性能的影響圖6給出了中間冷卻和單級冷卻兩種方式下壓縮機入口壓力對系統(tǒng)性能的影響。從圖中可看出，壓縮機入口壓力在臨界點附近增加，中間冷卻和單級冷卻兩種方式下S-CO2循環(huán)效率都是先增加后減少，不同的是單級冷卻方式下S-CO2循環(huán)效率增加幅度較中間冷卻高，這主要是由于超臨界CO2在超臨界點附近比熱容、密度等物性參數(shù)發(fā)生突變，導(dǎo)致單級冷卻壓縮時壓縮功增加。圖6中間冷卻和單級冷卻下系統(tǒng)循環(huán)熱效率隨壓縮機入口壓力的影響由圖可知，壓縮機入口最優(yōu)工況為77bar，比較兩種方式，可知中間冷卻方式能有效提高S-CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)性能，在壓縮機入口壓力為77bar，中間冷卻方式S-CO2循環(huán)效率熱效率為51.53%，熱效率高大約0.9%。2.2再熱級數(shù)對系統(tǒng)性能的影響圖7給出了一次再熱（SR）和二次再熱（DR）兩種方式下鍋爐受熱面壓降對系統(tǒng)性能的影響。由圖可知，在鍋爐受熱面無壓降的情況下，二次再熱S-CO2循環(huán)熱效率比一次再熱效率高，顯然增加再熱次數(shù)能保證工質(zhì)在一次冷卻放熱前提下，能多次在鍋爐吸熱并在超臨界CO2透平做功，增加S-CO2循環(huán)效率。隨著鍋爐受熱面壓降增加，一次再熱和二次再熱熱效率都隨之降低，其中二次再熱系統(tǒng)熱效率隨鍋爐受熱面壓降影響較大，隨著壓降增加，一次再熱系統(tǒng)熱效率反而高于二次再熱系統(tǒng)。因此系統(tǒng)性能隨再熱級數(shù)和鍋爐受熱面壓降共同影響。圖7一次再熱和二次再熱下系統(tǒng)循環(huán)熱效率隨鍋爐換熱器壓降的影響2.3省煤器布置對系統(tǒng)性能的影響S-CO2省煤器的布置在S-CO2鍋爐余熱利用起到至關(guān)重要的作用。文獻ADDINNE.Ref.{20D5E4C5-0298-453C-B510-B5B7E3CAEE5B}[12,16]顯示通過增加空氣預(yù)熱器負荷以利用鍋爐余熱，然而二次風(fēng)風(fēng)溫提升有限，同時在工程應(yīng)用中，二次風(fēng)溫一般未超過400℃。因而需討論S-CO2省煤器的布置對系統(tǒng)性能的影響。由圖5可知，省煤器由兩種布置方式：方案一從低溫回?zé)崞鞲邏憾巳肟谝龅绞∶浩?；方案二從高溫回?zé)崞魅肟谝龅绞∶浩?。省煤器布置在空氣預(yù)熱器前，省煤器的入口煙氣溫度高R1-1和R2-1中S-CO2入口工質(zhì)30℃。圖8給出了省煤器兩種布置方式下省煤器分流比系統(tǒng)性能的影響。由圖8（a）可知，方案一S-CO2循環(huán)熱效率隨著省煤器分流比增加線性減少，方案二S-CO2循環(huán)熱效率熱效率隨著省煤器分流比增加而不變。顯然采用方案二能夠在不降低S-CO2循環(huán)熱效率的情況下盡可能利用S-CO2鍋爐省煤器余熱。方案一全廠熱效率降低是由于旁路壓縮分流比減少而導(dǎo)致，由文獻ADDINNE.Ref.{77B419E3-C01D-452E-9579-ADC16E119E58}[11]可知，S-CO2布雷頓循環(huán)中在最優(yōu)旁路壓縮分流比之前，旁路壓縮分流比增加能顯著增加S-CO2循環(huán)熱效率，這是由于減少一部分熱量給預(yù)冷器放熱從而增加系統(tǒng)熱效率。超臨界CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)全廠熱效率由S-CO2循環(huán)熱效率與鍋爐效率兩部分組成，由圖8（b）可知，鍋爐熱效率隨著省煤器分流比先增加，達到省煤器滿吸熱負荷后，效率不變。所以方案二中全廠熱效率先增加后不變，同時遠高于方案一。圖8不同省煤器布置方式下下系統(tǒng)循環(huán)熱效率隨省煤器分流比的影響2.4優(yōu)化工況下系統(tǒng)概述本文針對超臨界CO2燃煤發(fā)電機組高參數(shù)32.5MPa/605℃/610℃/610℃/工況下，通過分析S-CO2布雷頓循環(huán)中間冷卻、再熱級數(shù)對循環(huán)系統(tǒng)性能的影響以及適用于S-CO2鍋爐的省煤器布置方式對全廠系統(tǒng)熱效率分析，提出了一整套適用于高壓高溫下適用于鍋爐系統(tǒng)中的優(yōu)化分析方法。由表2可知，通過對比傳統(tǒng)蒸汽鍋爐，S-CO2鍋爐設(shè)計受熱面應(yīng)確保爐膛出口煙溫1156℃以及排煙溫度117℃與傳統(tǒng)鍋爐一致，前者可防止鍋爐結(jié)焦結(jié)渣問題，后者可保證鍋爐熱效率不變。傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電系統(tǒng)由于主蒸汽吸熱量占總吸熱量72.9%，而S-CO2發(fā)電系統(tǒng)主蒸汽和再熱蒸汽吸熱量較為平均，因此冷卻壁應(yīng)分段設(shè)計。高溫過熱器用于調(diào)節(jié)主蒸汽出口溫度，導(dǎo)致吸熱量減少。一次低再RH1-1和二次低再RH2-1由于工質(zhì)入口溫度增加，為保證傳熱，其出口煙溫分別較傳統(tǒng)蒸汽鍋爐提高103.4℃和111.5℃，這顯然導(dǎo)致省煤器吸熱量增加。表2超臨界CO2鍋爐參數(shù)對比常規(guī)蒸汽鍋爐受熱面吸熱量Mw出口煙溫℃超臨界CO2鍋爐受熱面吸熱量Mw出口煙溫℃水冷壁WW936.01311.0冷卻壁CW1366.8-冷卻壁CW2258.6-冷卻壁CW3310.71311.0低溫過熱器LSH194.91156.0低溫過熱器LSH194.91156.0一再高再冷段RH1-261.91070.0一再高再冷段RH1-261.91070.0二再高再冷段RH2-244.81070.0二再高再冷段RH2-244.81070.0高溫過熱器HSH219.5890.0高溫過熱器HSH134.8960.0一再高再熱段RH1-380.8773.0一再高再熱段RH1-3129.9773.0二再高再熱段RH2-358.5773.0二再高再熱段RH2-394.1773.0一再低再RH1-1179.3503.0一再低再RH1-1111.9606.4二再低再RH2-1128.4506.0二再低再RH2-175.7617.5省煤器ECO137.8378.0省煤器ECO257.8378.0空氣預(yù)熱器AP270.5117.0空氣預(yù)熱器AP270.5117.0由表3比較可知，S-CO2發(fā)電機組全廠熱效率48.7%，較常規(guī)鍋爐熱效率提高2.0%，其中鍋爐熱效率94.8%，S-CO2布雷頓循環(huán)效率為51.4%。表3超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)效率匯總類別傳統(tǒng)蒸汽鍋爐超臨界CO2鍋爐輸入燃料MJ/s2176.72176.7輸出有效電能MJ/s1014.71058.6鍋爐換熱面MJ/s2060.22060.2循環(huán)熱效率MJ/s49.3%51.4%鍋爐熱效率MJ/s94.7%94.7%全廠熱效率MJ/s46.6%48.6%3結(jié)論本文建立超臨界CO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)全流程模型，基于超臨界CO2鍋爐32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高參數(shù)特性對超臨界CO2布雷頓循環(huán)中冷卻方式、再熱級數(shù)以及省煤器布置進行優(yōu)化：（1）由于S-CO2鍋爐高參數(shù)特性，中間冷卻在高壓縮比下能有效提高S-CO2布雷頓循環(huán)熱力性能。在壓縮機入口壓力在超臨界點附近，相較于單級冷卻，中間冷卻循環(huán)系統(tǒng)熱力效率沒有突變；（2）二次再熱能有效提高S-CO2布雷頓循環(huán)熱力性能，然而二次再熱隨鍋爐受熱面壓降影響高于一次再熱，隨著鍋爐受熱面壓降增加，一次再熱循環(huán)反而優(yōu)于二次再熱循環(huán)；（3）從高溫回?zé)崞魅肟谝霾糠至鞯绞∶浩髂苡行嵘齋-CO2發(fā)電系統(tǒng)全廠效率；（4）超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐主要區(qū)別是：再熱受熱面不足，冷卻壁應(yīng)分段布置再熱面；再熱S-CO2工質(zhì)溫度提高，省煤器換熱量增加；全廠熱效率提高，具有廣闊發(fā)展?jié)摿?。參考文獻ADDINNE.BibFeherEG.Thesupercriticalthermodynamicpowercycle[J].EnergyConversion.1968.AngelinoG.CarbonDioxideCondensationCyclesForPowerProduction[J].JournalofEngineeringforGasTurbines&Power.1968,90(3):287-295.CardemilJM,DaSilvaAK.ParametrizedoverviewofCO2powercyclesfordifferentoperationconditionsandconfigurations-Anabsoluteandrelativeperformanceanalysis[J].AppliedThermalEngineering.2016,100:146-154.KatoY,NitawakiT,MutoY.Mediumtemperaturecarbondioxidegasturbinereactor[J].NuclearEngineeringandDesign.2004,230:159-207.V.DostalMJDP.Asupercriticalcarbondioxidecyclefornextgenerationnuclearreactors[D].MassachusettsInstituteofTechnology(MIT),2004.XiH,LiM,XuC,etal.ParametricoptimizationofregenerativeorganicRankinecycle(ORC)forlowgradewasteheatrecoveryusinggeneticalgorithm[J].Energy.2013,58:473-482.MilaniD,MinhTL,McnaughtonR,etal.AcoMParativestudyofsolarheliostatassistedsupercriticalCO2recompressionBraytoncycles:Dynamicmodellingandcontrolstrategies[J].JournalofSupercriticalFluids.2017,120(1):113-124.AhnY,BaeSJ,KimM,etal.ReviewofsupercriticalCO2powercycletechnologyandcurrentstatusofresearchanddevelopment[J].NuclearEngineeringandTechnology.2015,47(6):647-661.吳毅，王佳瑩，王明坤，等.基于超臨界CO2布雷頓循環(huán)的塔式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報.2016(05):108-113.WangK,HeY.Thermodynamicanalysisandoptimizati