張一帆， 王生鵬， 劉文娟， 陳渝楠， 王月明， 李紅智

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

?

超臨界二氧化碳再壓縮再熱火力發(fā)電
系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的研究

張一帆， 王生鵬， 劉文娟， 陳渝楠， 王月明， 李紅智

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

針對(duì)含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，建立了其數(shù)學(xué)模型，并用Fortran語言編制了計(jì)算程序.通過詳細(xì)計(jì)算，深入分析了分流系數(shù)、主壓縮機(jī)出口壓力、主壓縮機(jī)入口壓力、透平入口溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響.結(jié)果表明：隨著一次工質(zhì)溫度或二次工質(zhì)溫度的升高，循環(huán)效率線性升高；但由于超臨界二氧化碳物性的特點(diǎn)以及高、低溫回?zé)崞髯钚Q熱溫差的約束，主壓縮機(jī)出、入口壓力和分流系數(shù)等參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響均非單調(diào)變化，這與傳統(tǒng)的蒸汽朗肯動(dòng)力循環(huán)完全不同；超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)存在最優(yōu)的壓縮機(jī)出、入口壓力和分流系數(shù)的耦合關(guān)系，使得該系統(tǒng)的循環(huán)效率最高.

超臨界二氧化碳； 布雷頓循環(huán)； 一次再熱； 分流再壓縮； 分流系數(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高,電力需求越來越大[1]，如何高效利用能源成了各國學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn).目前，對(duì)于傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，由于受材料等問題的限制，要提高發(fā)電效率存在較大困難.而在同樣的透平入口工質(zhì)溫度條件下，采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可以達(dá)到更高的發(fā)電效率.文獻(xiàn)[2]的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)透平入口工質(zhì)溫度為650 ℃時(shí)，采用超臨界水作為工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率約為45%，而超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的循環(huán)效率可以達(dá)到48%左右.另外，由于超臨界二氧化碳的能量密度較大，其發(fā)電系統(tǒng)的透平、壓縮機(jī)等尺寸要比蒸汽發(fā)電系統(tǒng)小很多，電廠的初投資也要低于蒸汽發(fā)電電廠.

因此，近二十年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)進(jìn)行了廣泛的研究，并嘗試將其應(yīng)用到核能發(fā)電、太陽能發(fā)電以及化石能發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域.

Iverson等[3]在780 kW的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，對(duì)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)能有效提高系統(tǒng)的循環(huán)效率，尤其是當(dāng)透平入口工質(zhì)溫度高于600 ℃時(shí)，效果更為明顯.Harvego等[4]通過UniSim軟件對(duì)核電中采用的帶分流再壓縮的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算研究，分析結(jié)果顯示：當(dāng)反應(yīng)堆出口溫度在550～850 ℃時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)效率約為40%～52%.Sienicki等[5]提出了100 MWe鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，并指出該系統(tǒng)比傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)效率高出1%甚至更多，且透平和反應(yīng)堆尺寸均比蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的小.Yin等[6]研究了超臨界/跨臨界的二氧化碳混合工質(zhì)循環(huán)在地?zé)崮茴I(lǐng)域的應(yīng)用，并詳細(xì)研究了二氧化碳中六氟化硫濃度對(duì)循環(huán)效率的影響.Dostal[7]深入研究了新一代核反應(yīng)堆用的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)較傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)在循環(huán)效率、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì).此外， Dyreby等[8-13]均對(duì)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，取得了很有價(jià)值的成果.

但是，以往學(xué)者的研究大多是針對(duì)太陽能、核能、地?zé)崮茴I(lǐng)域的，而針對(duì)高參數(shù)火電的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究則相對(duì)較少，尤其是針對(duì)含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的研究鮮有報(bào)道.

筆者根據(jù)含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并用Fortran語言編制計(jì)算程序.通過詳細(xì)計(jì)算，深入分析了分流系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響.研究結(jié)果對(duì)未來建設(shè)大型煤基超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)有重要的參考價(jià)值.

1 含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)屬于閉式布雷頓循環(huán)，透平排氣需經(jīng)過冷卻，然后回到壓縮機(jī)入口.由于超臨界二氧化碳的物性特點(diǎn)，在閉式布雷頓循環(huán)中透平排氣的溫度很高，為了提高循環(huán)效率，往往采用回?zé)岬姆绞剑酶邷氐耐钙脚艢鈦眍A(yù)熱新工質(zhì).

在回?zé)崞髦?，冷?cè)的二氧化碳?jí)毫Ω?，且其入口溫度接近擬臨界溫度點(diǎn)，其比熱容較高，吸熱能力較強(qiáng)；而熱側(cè)的二氧化碳?jí)毫Φ?，且其溫度離擬臨界溫度點(diǎn)較遠(yuǎn)，比熱容較低.因此，在簡單超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)(即無分流再壓縮，以下簡稱簡單布雷頓循環(huán))中，回?zé)崞骼鋫?cè)流體升高的溫度明顯小于熱側(cè)流體降低的溫度，這意味著回?zé)岵]有將鍋爐新工質(zhì)預(yù)熱到一個(gè)盡可能高的溫度，導(dǎo)致鍋爐吸熱量仍然較大.而含分流再壓縮的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)巧妙地改善了這一點(diǎn).

圖1為含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)示意圖.該系統(tǒng)將經(jīng)過回?zé)崞鞣艧岷蟮姆夥至鞒?部分(圖1中點(diǎn)11位置)，一部分通過預(yù)冷器進(jìn)一步降溫后進(jìn)入主壓縮機(jī)，另一部分通過再壓縮機(jī)直接壓縮.相比簡單布雷頓循環(huán)，該系統(tǒng)減小了低溫回?zé)崞髦形鼰崮芰?qiáng)的冷側(cè)流體的流量，當(dāng)分流系數(shù)選取恰當(dāng)時(shí)，可以使低溫回?zé)崞骼鋫?cè)升溫與熱側(cè)降溫?cái)?shù)值相當(dāng)，通過低溫回?zé)崞骱透邷鼗責(zé)崞鞯呐浜?，進(jìn)一步提升鍋爐新工質(zhì)溫度；同時(shí)該系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)冷器中的超臨界二氧化碳流量減小，減少了系統(tǒng)向外界的放熱量，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率.

圖1 含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)示意圖

為了更深入地分析分流系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)含分流再壓縮和一次再熱超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，筆者在Fortran平臺(tái)自主開發(fā)了一套完整的計(jì)算程序(SCO2ID-TPRI)，并進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算.

2 計(jì)算程序開發(fā)及驗(yàn)證

2.1 程序簡介

本程序包含系統(tǒng)主程序、壓縮機(jī)子程序、透平子程序、換熱器子程序和超臨界二氧化碳物性子程序.程序的輸入、輸出量見表1.

表1 SCO2ID-TPRI程序的輸入、輸出量

本程序中二氧化碳物性子程序計(jì)算得到的物性數(shù)據(jù)與NIST-REFPROP物性計(jì)算軟件中計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差不超過0.1%.

程序的計(jì)算流程如圖2所示.在回?zé)崞鞯挠?jì)算中，為了提高回?zé)嵝剩⒈M可能地提高鍋爐新工質(zhì)溫度，應(yīng)盡量減小換熱器冷熱側(cè)的換熱溫差，但同時(shí)又要保證回?zé)崞髯钚Q熱溫差不小于5 K(印刷電路板換熱器能實(shí)現(xiàn)的最小換熱溫差).因此，在計(jì)算中，本程序始終保證回?zé)崞鞯睦錈醾?cè)最小換熱溫差等于5 K(誤差為±0.001 K).

2.2 程序驗(yàn)證

目前，國內(nèi)外尚未有高參數(shù)的超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)，沒有相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此，選取文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文的模型和程序進(jìn)行驗(yàn)證.具體的實(shí)驗(yàn)工況如表2所示.

圖2 程序流程圖

表2 Sandia實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)工況的詳細(xì)參數(shù)[2]

采用上述程序?qū)Ρ?中的工況進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)對(duì)比見表3.由于文獻(xiàn)中沒有給出詳細(xì)的設(shè)備結(jié)構(gòu)，筆者在計(jì)算過程中忽略了沿程阻力損失，因此，計(jì)算得出的循環(huán)效率比文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)得到的循環(huán)效率略高.整體來看，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明了本文模型和程序合理可靠.

表3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]的對(duì)比

3 各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響

通過上述程序，對(duì)300 MW含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，著重探討了分流系數(shù)、主壓縮機(jī)出口壓力、主壓縮機(jī)入口壓力、再熱壓力和透平入口溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響.計(jì)算中主要工況參數(shù)見表4.

表4 主要工況參數(shù)

3.1 分流系數(shù)的影響

分流系數(shù)是影響含分流再壓縮和一次再熱的超臨界布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù).分流系數(shù)的定義為工質(zhì)流入再壓縮機(jī)的質(zhì)量流量占系統(tǒng)總質(zhì)量流量的份額，其大小也決定了低溫回?zé)崞骼鋫?cè)和熱側(cè)工質(zhì)的流量比例.因此，分流系數(shù)的選取直接影響壓縮機(jī)和回?zé)崞鞯墓ぷ鳡顟B(tài)，對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)效率有著顯著影響.

圖3給出了分流系數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響. 圖中p1、p2分別為主壓縮機(jī)入口和出口壓力，600 ℃/620 ℃/32 ℃表示一次工質(zhì)溫度為600 ℃、二次工質(zhì)溫度為620 ℃和主壓縮機(jī)入口工質(zhì)溫度為32 ℃.從圖3可以看出，隨著分流系數(shù)的增大，系統(tǒng)的循環(huán)效率先升高后降低，存在一個(gè)最優(yōu)分流系數(shù)使得系統(tǒng)的循環(huán)效率最高.這主要是由于在該分流系數(shù)下，回?zé)崞髂軌驅(qū)崿F(xiàn)最小的換熱溫差，回?zé)崞鲹Q熱效力ε最高.換熱效力ε的表達(dá)式如下：

(1)

式中：Thin為回?zé)崞鳠醾?cè)入口溫度，℃；Thout為回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度，℃；Tcin為回?zé)崞骼鋫?cè)入口溫度，℃.

以圖3中p2=20 MPa為例，分流系數(shù)分別為0.20、0.30、0.41、0.45和0.50時(shí)回?zé)崞鞯膿Q熱效力如表5所示，其中ε-LTR表示低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力，ε-HTR表示高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力.從表5可以看出，當(dāng)分流系數(shù)較小時(shí)(即小于0.41時(shí))，隨著分流系數(shù)的增大，低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力略有下降，但高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力明顯提高，因此，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨分流系數(shù)的增大而提高.當(dāng)分流系數(shù)大于0.41時(shí)，隨著分流系數(shù)的增大，高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力保持不變，而低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力明顯下降，此時(shí)，循環(huán)效率則隨分流系數(shù)的增大而下降.分流系數(shù)0.41為該組工況條件下的最優(yōu)分流系數(shù).

圖3 分流系數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響

由圖3可知，不同主壓縮機(jī)出口壓力下，系統(tǒng)的最優(yōu)分流系數(shù)也不同.主壓縮機(jī)出口壓力為20 MPa、22 MPa、25 MPa和28 MPa時(shí)，最優(yōu)分流系數(shù)分別為0.41、0.38、0.36和0.34，主壓縮機(jī)出口壓力越高，最優(yōu)分流系數(shù)越小.這主要是由于不同壓力時(shí)，二氧化碳的物性有差異，當(dāng)回?zé)崞鬟_(dá)到最大換熱效力時(shí)，低溫回?zé)崞骼洹醾?cè)流體的流量比例也有所不同，即最優(yōu)分流系數(shù)不同.

表5 不同分流系數(shù)下回?zé)崞鲹Q熱效力及循環(huán)效率(p2=20 MPa)

3.2 主壓縮機(jī)出口壓力的影響

當(dāng)不考慮循環(huán)系統(tǒng)加熱段沿程阻力損失時(shí)，主壓縮機(jī)出口壓力即等于高壓透平的入口壓力.主壓縮機(jī)出口壓力也是影響系統(tǒng)循環(huán)效率的主要因素之一.對(duì)于簡單布雷頓循環(huán)而言，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨著主壓縮機(jī)出口壓力的升高而升高.但對(duì)于含分流再壓縮的布雷頓循環(huán)而言，升高主壓縮機(jī)出口壓力并不一定能提高系統(tǒng)的循環(huán)效率.這主要是由于主壓縮機(jī)出口壓力和分流系數(shù)存在一定的相互約束，只有當(dāng)兩者均選取合理時(shí)，系統(tǒng)才能達(dá)到更高的循環(huán)效率.

圖4給出了主壓縮機(jī)出口壓力對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，圖中分別給出了分流系數(shù)為0.21、0.31、0.41和0.51時(shí)循環(huán)效率隨主壓縮機(jī)出口壓力的變化曲線.由圖4可知，當(dāng)分流系數(shù)等于0.21或0.31時(shí)，分流系數(shù)較小，其對(duì)循環(huán)效率的影響要小于主壓縮機(jī)出口壓力對(duì)循環(huán)效率的影響，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨著主壓縮機(jī)出口壓力的升高而升高，這與簡單布雷頓循環(huán)規(guī)律一致.但隨著分流系數(shù)的增大，分流系數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響逐漸增大，系統(tǒng)的循環(huán)效率不再是單調(diào)遞增，而是先升高后下降.這是因?yàn)椋阂苑至飨禂?shù)等于0.41為例，當(dāng)主壓縮機(jī)出口壓力低于20 MPa時(shí)，隨著主壓縮機(jī)出口壓力的升高，工質(zhì)參數(shù)提升有利于系統(tǒng)循環(huán)效率的提高，且此時(shí)系統(tǒng)更接近最優(yōu)分流系數(shù)(主壓縮機(jī)出口壓力等于20 MPa，最優(yōu)分流系數(shù)為0.41)，也有利于系統(tǒng)循環(huán)效率的提高；繼續(xù)升高主壓縮機(jī)出口壓力(高于20 MPa)，系統(tǒng)的最優(yōu)分流系數(shù)減小，而此時(shí)若系統(tǒng)仍然保持分流系數(shù)等于0.41，會(huì)使系統(tǒng)的循環(huán)效率降低，且降低的幅度大于工質(zhì)參數(shù)提高帶來的循環(huán)效率提高幅度.因此，當(dāng)分流系數(shù)等于0.41且主壓縮機(jī)出口壓力高于20 MPa時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨主壓縮機(jī)出口壓力的升高而降低.

圖4 主壓縮機(jī)出口壓力對(duì)循環(huán)效率的影響

3.3 主壓縮機(jī)入口壓力的影響

為了使整個(gè)系統(tǒng)都運(yùn)行在超臨界狀態(tài)，且保證壓縮機(jī)有一定的安全余量，通常要保證壓縮機(jī)入口壓力高于7.6 MPa(二氧化碳臨界壓力等于7.39 MPa)，本文僅討論主壓縮機(jī)入口壓力大于等于7.6 MPa的工況.

圖5給出了分流系數(shù)分別為0.21、0.31和0.41時(shí)，主壓縮機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響.從圖5可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的分流系數(shù)等于最優(yōu)分流系數(shù)(0.41)時(shí)，隨著主壓縮機(jī)入口壓力的升高，系統(tǒng)的壓比較小，系統(tǒng)循環(huán)效率逐漸下降.這主要是由于系統(tǒng)處于最優(yōu)分流系數(shù)時(shí)，回?zé)崞饕堰_(dá)最高的換熱效力，升高主壓縮機(jī)入口壓力，回?zé)崞鳠醾?cè)的壓力也隨之升高，相當(dāng)于改變了回?zé)崞鳠醾?cè)工質(zhì)的物性，回?zé)崞鞯膿Q熱效力下降，系統(tǒng)的循環(huán)效率也隨之下降.當(dāng)系統(tǒng)的分流系數(shù)不等于最優(yōu)分流系數(shù)時(shí)，主壓縮機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響則較為復(fù)雜，循環(huán)效率隨主壓縮機(jī)入口壓力的升高先下降后升高，最后再單調(diào)下降.

表6給出了分流系數(shù)為0.31，主壓縮機(jī)出口壓力為20 MPa時(shí)，不同主壓縮機(jī)入口壓力對(duì)應(yīng)的回?zé)崞鲹Q熱效力和系統(tǒng)循環(huán)效率.當(dāng)p1從7.6 MPa升高至8.0 MPa時(shí)，低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力逐漸下降，高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力有所增大，但是回?zé)崞鞯目倱Q熱效力下降，此時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨p1的升高而下降.當(dāng)p1從8.0 MPa升高至9.0 MPa時(shí)，低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力逐漸下降，高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力逐漸增大，回?zé)崞鞯目倱Q熱效力隨之增大，此時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨p1的升高而升高.當(dāng)p1>9.0 MPa時(shí)，低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力繼續(xù)降低，而高溫回?zé)崞鞯膿Q熱效力基本保持不變，回?zé)崞鞯目倱Q熱效力則逐漸下降，此時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)效率隨p1的升高而逐漸下降.

圖5 主壓縮機(jī)入口壓力對(duì)循環(huán)效率的影響

Tab.6 Regenerator effectiveness and cycle efficiency at different compressor inlet pressures (forp2=20 MPa with split ratio of 0.31)

p1/MPaε?LTR/%ε?HTR/%循環(huán)效率/%7．695．794．745．227．895．595．044．928．095．295．544．768．295．096．144．678．494．696．744．678．694．397．344．718．893．898．044．809．093．398．745．039．291．698．944．669．489．698．944．329．687．698．943．83

3.4 再熱壓力的影響

研究只針對(duì)一次再熱的二氧化碳布雷頓循環(huán).圖6給出了再熱溫度(即二次工質(zhì)溫度)分別為560 ℃、580 ℃、600 ℃和620 ℃時(shí)，循環(huán)效率隨再熱壓力的變化規(guī)律.計(jì)算結(jié)果表明，再熱壓力對(duì)循環(huán)效率的影響并不是線性的，而是存在一個(gè)最優(yōu)再熱壓力，此時(shí)系統(tǒng)的循環(huán)效率最高.由圖6可知，再熱溫度為560 ℃、580 ℃、600 ℃和620 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)再熱壓力分別為10.27 MPa、11.21 MPa、12.33 MPa和13.70 MPa，隨著再熱溫度的升高，最優(yōu)再熱壓力也隨之升高.這主要是由于再熱溫度升高后，再熱工質(zhì)品質(zhì)上升，作功能力增強(qiáng)，此時(shí)，適當(dāng)增大低壓透平壓降在透平總壓降中的比例可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)循環(huán)效率，即在低壓透平出口壓力不變的情況下，提高再熱壓力可提高循環(huán)效率.

圖6 再熱壓力對(duì)循環(huán)效率的影響

3.5 透平入口溫度的影響

對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)而言，透平入口的工質(zhì)溫度對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)效率有著顯著影響，二氧化碳布雷頓循環(huán)也不例外.筆者分別計(jì)算了高壓透平入口溫度和低壓透平入口溫度(即一次工質(zhì)溫度和二次工質(zhì)溫度)變化時(shí)的系統(tǒng)循環(huán)效率，計(jì)算結(jié)果分別見圖7和圖8，圖中t1、t6和t8分別為主壓縮機(jī)入口溫度、一次工質(zhì)溫度和二次工質(zhì)溫度，20 MPa/12.33 MPa/7.6 MPa表示高壓透平入口壓力為20 MPa，低壓透平入口壓力為12.33 MPa，主壓縮機(jī)入口壓力為7.6 MPa.從圖7和圖8可以看出，無論是提高一次工質(zhì)溫度還是二次工質(zhì)溫度，循環(huán)效率均會(huì)線性提高，在本文工況中，一次工質(zhì)溫度從570 ℃升至630 ℃，系統(tǒng)的循環(huán)效率提高約1.26%，二次工質(zhì)溫度從570 ℃升至630 ℃，系統(tǒng)的循環(huán)效率提高約1.19%.

圖7 一次工質(zhì)溫度對(duì)循環(huán)效率的影響

圖8 二次工質(zhì)溫度對(duì)循環(huán)效率的影響

4 結(jié) 論

(1)分流系數(shù)對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率有著顯著的影響，不同工況下存在最優(yōu)分流系數(shù)，使得系統(tǒng)的循環(huán)效率最高.對(duì)于本文所研究的300 MW含分流再壓縮和一次再熱的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)主壓縮機(jī)出口壓力為20 MPa時(shí)，其最優(yōu)分流系數(shù)等于0.41.

(2)與蒸汽朗肯循環(huán)不同，由于分流再壓縮的影響，所研究系統(tǒng)中主壓縮機(jī)出、入口壓力對(duì)循環(huán)效率的影響均非單調(diào)變化.當(dāng)主壓縮機(jī)出、入口壓力和分流系數(shù)達(dá)到合理的耦合關(guān)系，系統(tǒng)才能達(dá)到最高循環(huán)效率.

(3)隨著再熱壓力的升高，系統(tǒng)的循環(huán)效率先升高后下降，存在最優(yōu)再熱壓力，使得循環(huán)效率最高.最優(yōu)再熱壓力與再熱溫度有關(guān)，再熱溫度越高，再熱工質(zhì)品質(zhì)越高，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)再熱壓力也越高.

(4)含分流再壓縮和一次再熱超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)效率隨一次工質(zhì)溫度和二次工質(zhì)溫度的升高線性遞增.

致謝：文中研究方案的制定和計(jì)算數(shù)據(jù)的整理工作是在西安熱工研究院有限公司電站清潔燃燒國家工程研究中心諸位工作人員的大力支持下完成的，在此向他(她)們表示衷心的感謝.

[1] 林富生, 謝錫善, 趙雙群, 等. 我國700 ℃超超臨界鍋爐過熱器管用高溫合金選材探討[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2011, 31(12): 960-968.

LIN Fusheng, XIE Xishan, ZHAO Shuangqun,etal. Selection of superalloys for superheater tubes of domestic 700 ℃ A-USC boilers[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(12): 960-968.

[2] GLATZMAIER G C, TURCHI C S. Supercritical CO2as a heat transfer and power cycle fluid for CSP systems[C]//Proceedings of the ASME 2009 3rd International Conference of Energy Sustainability. New York, USA: ASME, 2009.

[3] IVERSON B D, CONBOY T M, PASCH J J,etal. Supercritical CO2Brayton cycles for solar-thermal energy[J]. Applied Energy, 2013, 111: 957-970.

[4] HARVEGO E A, MCKELLAR M G. Optimization and comparison of direct and indirect supercritical carbon dioxide power plant cycles for nuclear applications[C]//Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition. Denver, Colorado, USA: Idaho National Laboratory, 2011.

[5] SIENICKI J, MOISSEYTSEV A, KRAJTL L. Utilization of the supercritical CO2Brayton cycle with sodium-cooled fast reactors[C]//Proceedings of the 4th International Symposium-Supercritical CO2Power Cycles. Pittsburgh, Pennsylvania, USA: Argonne National Laboratory, 2014.

[6] YIN Hebi, SABAU A S, CONKLIN J C,etal. Mixtures of SF6-CO2as working fluids for geothermal power plants[J]. Applied Energy, 2013, 106: 243-253.

[7] DOSTAL V. A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear reactors[D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 2004.

[8] DYREBY J J, KLEIN S A, NELLIS G F,etal. Design considerations for supercritical carbon dioxide Brayton cycles with recompression[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2014, 136(10): 101701.

[9] MUTO Y, ISHIYAMA S, KATO Y,etal. Application of supercritical CO2gas turbine for the fossil fired thermal plant[J]. Journal of Energy and Power Engineering, 2010, 4(9): 7-15.

[10] UTAMURA M. Thermodynamic analysis of part-flow cycle supercritical CO2gas turbines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2010, 132(11): 111701.

[11] BAE S J, LEE J, AHN Y,etal. Preliminary studies of compact Brayton cycle performance for small modular high temperature gas-cooled reactor system[J]. Annals of Nuclear Energy, 2015, 75: 11-19.

[12] JEONG W S, LEE J I, JEONG Y H. Potential improvements of supercritical recompression CO2Brayton cycle by mixing other gases for power conversion system of a SFR[J]. Nuclear Engineering and Design, 2011, 241(6): 2128-2137.

[13] MOULLEC Y L. Conceptual study of a high efficiency coal-fired power plant with CO2capture using a supercritical CO2Brayton cycle[J]. Energy, 2013, 49: 32-46.

Study on Key Parameters of a Supercritical Fossil-fired Power System with CO2Recompression and Reheat Cycles

ZHANGYifan,WANGShengpeng,LIUWenjuan,CHENYunan,WANGYueming,LIHongzhi

(Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710054, China)

A mathematical model was established for the supercritical fossil-fired power system with CO2recompression and reheat Brayton cycles, based on which the effects of following key parameters on the cycle efficiency were analyzed through detailed calculation with programs developed on the Fortran platform, such as the split ratio of flow, the inlet and outlet pressure of compressor, inlet temperature of turbine etc. Results show that the cycle efficiency increases linearly with the temperature rise of primary and secondary working medium. Different from traditional Rankine cycles, above parameters in Brayton cycles show non-monotonic relationship with the cycle efficiency due to the features of spercritical CO2physical properties and the constraints of minimum temperature difference for heat exchange. There exists an optimum combination of compressor inlet pressure, compressor outlet pressure and split ratio for supercritical CO2Brayton cycles, in which case, the cycle efficiency reaches the maximum.

supercritical CO2; Brayton cycle; single reheat; recompression; split ratio

2015-10-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406166)

張一帆(1984-)，男，河南漯河人，工程師，博士，主要從事超臨界流體流動(dòng)與傳熱特性及機(jī)理方面的研究. 電話(Tel．)：13572486328；E-mail：zhangyifan@tpri.com.cn.

1674-7607(2016)10-0827-07

TK122

A 學(xué)科分類號(hào)：470.20