陳亞平 吳嘉峰 朱子龍 張寶懷

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

一種新型NG/O2燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)超臨界動(dòng)力循環(huán)

陳亞平 吳嘉峰 朱子龍 張寶懷

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

提出了一種以NG/O2的燃燒產(chǎn)物和給水作為混合工質(zhì),集高效發(fā)電、調(diào)峰、能源存儲(chǔ)和二氧化碳捕獲等特點(diǎn)于一體的燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)循環(huán)(GSMC)．低溫LNG和液氧通過(guò)泵加壓后用于CO2的液化捕集,再經(jīng)前4級(jí)抽汽的過(guò)熱蒸汽冷卻段依次預(yù)熱后經(jīng)燃燒器進(jìn)入燃燒室;循環(huán)給水通過(guò)回?zé)嵯到y(tǒng)后進(jìn)入燃燒室的火焰管與外殼之間的環(huán)形通道，通過(guò)吸熱后經(jīng)噴嘴霧化;燃燒產(chǎn)物和霧化給水混合后進(jìn)入超臨界H2O/CO2混合蒸汽透平中膨脹發(fā)電．冷凝器分離后的CO2經(jīng)多個(gè)換熱器和2級(jí)壓縮后被低溫LNG和液氧預(yù)冷和液化．結(jié)果表明,在汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)為40 MPa, 800 ℃和冷凝溫度為30 ℃條件下,發(fā)電輸出效率為49.2%,扣除了1/4的ASU制氧所消耗的低谷電能后，等效凈效率為46.2%．

燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)循環(huán)(GSMC);NG/O2燃燒;混合工質(zhì);儲(chǔ)能;二氧化碳捕集

與能源生產(chǎn)密切相關(guān)的碳排放已經(jīng)對(duì)地球生態(tài)環(huán)境形成巨大威脅．國(guó)際能源署多次將二氧化碳捕集與封存技術(shù)(CCS)作為兼顧能源利用、經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展與解決全球氣候變化問(wèn)題的戰(zhàn)略性技術(shù)[1-2]．根據(jù)技術(shù)流程階段劃分,CCS 分為 CO2捕集、運(yùn)輸和封存3個(gè)階段，其中捕集是CCS實(shí)施的首要技術(shù)環(huán)節(jié)[3]．目前主要的工作大多集中在將煙氣排放中的CO2吸收、吸附和提純[3-5]．但由于在常規(guī)燃燒方式下,煙氣中的CO2含量較低,使得分離過(guò)程復(fù)雜、成本過(guò)高．如果采用純氧代替空氣,則燃燒產(chǎn)物中CO2的含量增大,可使分離和液化成本大大降低[5]．Zhang等[6]提出和研究了NG(天然氣)/O2燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的碳捕集方案．He等[7]則報(bào)道了具有大量需求的CO2低溫液體用于枯竭油田驅(qū)油的方案,這也為CO2捕集后的處置提供了一條有經(jīng)濟(jì)效益的可實(shí)現(xiàn)持續(xù)雙贏(yíng)的途徑．

核電機(jī)組因設(shè)備投資占比大及運(yùn)行可靠性要求高,且其調(diào)峰運(yùn)行會(huì)因處理大量含硼廢水而增加運(yùn)行成本,故一般在電網(wǎng)中作為基荷配置[8]．電網(wǎng)除了需要消納低峰富余核電外,還需要容納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等間歇性新能源入網(wǎng),因此規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)成為智能電網(wǎng)平衡負(fù)荷、消除峰谷負(fù)荷波動(dòng)、保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和必需的支撐性技術(shù)[9]．目前電網(wǎng)中規(guī)模應(yīng)用的抽水蓄能電站儲(chǔ)能技術(shù)[10]受地理因素制約,且建設(shè)周期較長(zhǎng)．壓縮空氣儲(chǔ)能[10]應(yīng)用的主要障礙是空間儲(chǔ)能密度太低,通常利用地下巖洞,而地質(zhì)條件又制約了其發(fā)展．液化空氣儲(chǔ)能[11]的儲(chǔ)能密度雖然很高,但其能量轉(zhuǎn)換效率較低,經(jīng)濟(jì)性較差．

在現(xiàn)代和未來(lái)智能電網(wǎng)中,燃?xì)庹{(diào)峰發(fā)電及規(guī)模儲(chǔ)能將是承擔(dān)電網(wǎng)峰谷平衡、穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的主要手段,其中LNG (液化天然氣)因便于海上運(yùn)輸將在沿海地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮更重要作用.LNG除了自身的燃燒熱值外,還附帶可觀(guān)的冷能可以利用．LNG發(fā)電的二氧化碳捕集被認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先開(kāi)發(fā)[12-13]．由于燃?xì)廨啓C(jī)采用布雷頓循環(huán),其排氣出口溫度高達(dá)600 ℃左右．燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GSCC)和注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)以及熱電聯(lián)供[14]等都是利用排氣廢熱提高綜合循環(huán)效率的手段．然而由于燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外大公司壟斷,設(shè)備價(jià)格和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高昂,使得燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電行業(yè)舉步維艱．

上述諸多問(wèn)題在現(xiàn)有發(fā)電循環(huán)模式下很難得到集成解決,迫切需要開(kāi)發(fā)適應(yīng)新的能源結(jié)構(gòu)及環(huán)保要求的新型熱力發(fā)電技術(shù)．為此,本文提出并研究了一種可以同時(shí)滿(mǎn)足調(diào)峰、儲(chǔ)能和碳捕集需要的NG/O2燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)動(dòng)力循環(huán)(GSMC)系統(tǒng)．

1 GSMC系統(tǒng)介紹

GSMC主要有以下優(yōu)點(diǎn):① 由于其燃燒產(chǎn)物成為工質(zhì)的一部分,可以在透平中膨脹到室溫附近,因而可以消除鍋爐排氣損失．② GSMC系統(tǒng)只有一個(gè)混合工質(zhì)的蒸汽輪機(jī)動(dòng)力循環(huán),且由于以燃燒室替代鍋爐,可以極大地減少相關(guān)熱設(shè)備成本及空間．③ GSMC具有較高的循環(huán)效率,雖然略低于GSCC的循環(huán)效率,但卻高于注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的效率．④ GSMC的碳捕集過(guò)程是充分利用LNG和液氧“冷能”實(shí)現(xiàn)的物理過(guò)程,而傳統(tǒng)的碳捕集方法,需要消耗大量的能量和化學(xué)物質(zhì)[5]．⑤ 沒(méi)有氮?dú)鈪⑴c燃燒的GSMC系統(tǒng)還避免了普通LNG電廠(chǎng)NOx排放量高的問(wèn)題．⑥ 消耗低谷電規(guī)模制氧有利于電網(wǎng)的平衡和安全,液氧制備貯存設(shè)施和技術(shù)是相對(duì)安全的(低壓)且儲(chǔ)能密度高．綜上所述,GSMC具有比現(xiàn)有發(fā)電方案更好的性能和低得多的系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格和運(yùn)行費(fèi)用,是沒(méi)有煙囪的零污染發(fā)電廠(chǎng),有廣泛的應(yīng)用前景．

天然氣的主要成分是甲烷,天然氣和氧氣的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物是二氧化碳與水,以及非常少量的其他不凝性氣體．反應(yīng)物與燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量比例方程為

CH4+2O2=CO2+2H2O

(1)

當(dāng)天然氣/氧氣燃燒產(chǎn)物吸收燃燒釋放熱值后,其溫度將上升到7 000 K以上,故必須增加循環(huán)工質(zhì)．選擇水作為循環(huán)工質(zhì)是因?yàn)樵诮o定透平進(jìn)口壓力下可以獲得更低的背壓和更多的膨脹功,并且易于與現(xiàn)有汽輪機(jī)制造技術(shù)接軌．圖1為GSMC發(fā)電系統(tǒng)的流程圖．GSMC系統(tǒng)的NG/O2燃燒發(fā)生在燃燒室的火焰管內(nèi),給水則在燃燒室殼體和火焰管之間的環(huán)形通道內(nèi)流動(dòng),可避免承壓的燃燒室殼體承受高溫并對(duì)火焰管進(jìn)行有效冷卻．在環(huán)形通道出口端兩相流給水經(jīng)噴嘴霧化直接混合燃燒產(chǎn)物,形成H2O/CO2混合工質(zhì),傳熱過(guò)程主要依賴(lài)霧化水滴與燃燒產(chǎn)物的直接混合．由于本方案的燃燒室壓力比鍋爐高幾百倍,并按多個(gè)燃燒室模塊化設(shè)計(jì),省去了鍋爐所需的大量材料和龐大的空間．燃燒室因體積較小可布置在透平附近．透平因尺寸相對(duì)較小其進(jìn)口壓力、溫度可以取40 MPa,800 ℃，甚至更高的參數(shù)．H2O/CO2混合工質(zhì)在汽輪機(jī)組中膨脹發(fā)電,乏汽在冷凝器中凝結(jié)后,排出與燃燒產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水量,其余的循環(huán)給水經(jīng)回?zé)嵯到y(tǒng)吸收8級(jí)透平抽汽熱量后返回燃燒室．從冷凝器引出的氣態(tài)CO2首先在干燥器中在冰點(diǎn)之上分離濕分,然后在換熱器HX1中被O2預(yù)冷,經(jīng)帶中間冷卻器HX2(由O2冷卻)的2個(gè)壓縮機(jī)升壓,經(jīng)預(yù)冷器HX3冷卻后,進(jìn)入同時(shí)由LNG和O2冷卻的換熱器HX4-1和HX4-4,經(jīng)預(yù)冷(HX4-1)和液化(HX4-2)2個(gè)階段實(shí)現(xiàn)CO2液化．由此,依靠LNG和液氧本身的冷量有效地實(shí)現(xiàn)了二氧化碳捕集．圖2為CO2液化過(guò)程的傳熱曲線(xiàn)．NG/O2進(jìn)一步在加熱器HX5～ HX8中吸收前4段透平抽汽的過(guò)熱蒸汽冷卻段的熱量,以略高于給水的溫度進(jìn)入燃燒室的燃燒器．抽汽口最好布置在上汽缸,或通過(guò)設(shè)置內(nèi)部通道使得下汽缸底部的抽汽口可抽取上部蒸汽,以利用CO2和H2O氣體的密度差抽取盡可能多的H2O蒸汽來(lái)減輕CO2不凝性氣體對(duì)給水加熱器傳熱的負(fù)面影響．

圖1 GSMC流程示意圖

圖2 二氧化碳液化過(guò)程的傳熱曲線(xiàn)

GSMC系統(tǒng)可以采用燃?xì)廨啓C(jī)所應(yīng)用的燃燒調(diào)節(jié)負(fù)荷替代透平節(jié)流閥調(diào)節(jié),這樣可以減少變工況下透平進(jìn)汽節(jié)流損失,同時(shí)還可避免在非常高溫度和壓力下主汽門(mén)、調(diào)節(jié)汽門(mén)設(shè)計(jì)制造的困難．透平背壓由于有CO2的分壓力(大約占1/10),所以比常規(guī)參數(shù)稍高;CO2在冷凝器中作為不凝性氣體, 不利于冷凝器中的換熱,但考慮到冷凝器需同時(shí)完成凝結(jié)蒸汽和分離CO2,且其凝結(jié)換熱系數(shù)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于廢熱鍋爐煙氣的對(duì)流換熱系數(shù),因此GSMC所增加傳熱面積的成本遠(yuǎn)低于GSCC和注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)．計(jì)算表明,CO2液化所需冷量可以完全由液氧和LNG承擔(dān)．本文中CO2液化溫度取為-45 ℃,略高于CO2的三相點(diǎn)溫度(-56.6 ℃)．

2 GSMC系統(tǒng)計(jì)算模型

根據(jù)質(zhì)量和能量守恒控制方程建立了GSMC系統(tǒng)和設(shè)備部件的熱力學(xué)模型．在以下討論中,每個(gè)GSMC系統(tǒng)設(shè)備部件的進(jìn)、出口狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)的下標(biāo)均與圖1中的數(shù)字一致．并假設(shè):① NG視為100% CH4,NG和O2的流量按完全燃燒的理論比例值．② 工質(zhì)混合物中的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在透平膨脹過(guò)程和抽汽中均為恒定值．③ 進(jìn)入燃燒室的給水溫度為恒定值300 ℃,給水加熱過(guò)程以等溫差分為8段．④ 所有熱交換器的最小節(jié)點(diǎn)溫差均為6 K．⑤ 設(shè)備以及連接管道中的壓力損失和散熱損失均被忽略．但二氧化碳?jí)嚎s機(jī)功率消耗、泵功率消耗則均增大10%以克服流動(dòng)阻力．其他模型計(jì)算所需的部分已知參數(shù)和約束條件見(jiàn)表1．表2為GSMC系統(tǒng)部分設(shè)備模型的計(jì)算公式．

表1 GSMC系統(tǒng)計(jì)算的部分參數(shù)

表2 GSMC部分設(shè)備的數(shù)學(xué)模型

注:f()表示狀態(tài)方程;h,ρ,s,t和p分別為工質(zhì)的焓、密度、熵、溫度和壓力;ξ為混合工質(zhì)中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù);G為流量;E為NG的熱值,取為50 MJ/kg;下標(biāo)a, b和c分別表示O2, NG和CO2;下標(biāo)CP, e和sat分別表示燃燒產(chǎn)物、透平抽汽和飽和參數(shù);下標(biāo)in, out, T, C和P分別表示進(jìn)口、出口、透平、壓縮機(jī)和泵;下標(biāo)數(shù)字表示圖1所示的狀態(tài)點(diǎn);下標(biāo)s表示透平、泵或壓縮機(jī)的等熵過(guò)程點(diǎn)．

3 結(jié)果與討論

圖3為GSMC系統(tǒng)發(fā)電輸出效率和等效凈效率隨透平進(jìn)口溫度和壓力的變化關(guān)系,等效凈效率是指按谷電與峰電價(jià)格的比值，其中將ASU制氧所消耗的谷電折算為1/4的峰電,從發(fā)電輸出功率中扣除后所得效率,兩者只相差一個(gè)常數(shù)．由圖3(a)可見(jiàn),在恒定透平進(jìn)口壓力下發(fā)電輸出效率和等效凈效率均隨透平進(jìn)口溫度的增加而升高．圖3(b)為恒定透平進(jìn)口溫度下發(fā)電輸出效率和等效凈效率隨透平進(jìn)口壓力的變化曲線(xiàn)．可見(jiàn)每條曲線(xiàn)都具有極大值,并且其峰值隨著透平進(jìn)口溫度的增加而移動(dòng)到更高的壓力區(qū)域．圖3表明，GSMC系統(tǒng)效率受透平進(jìn)口溫度的影響比受透平進(jìn)口壓力的影響更大;透平進(jìn)口壓力的選取應(yīng)考慮與透平進(jìn)口溫度的最佳匹配．

由圖4可見(jiàn),透平焓降隨著透平進(jìn)口溫度的升高而增加;焓降相對(duì)值為透平進(jìn)口壓力為30,35或40 MPa時(shí)透平焓降與壓力為25 MPa時(shí)透平焓降的比值．可見(jiàn),在恒定溫度下透平焓降并不總是隨著透平進(jìn)口壓力的升高而增大．此外，CO2氣體的存在使得透平末級(jí)排汽的干度增大,在計(jì)算范圍內(nèi)干度均在0.85～1.0之間．

圖5顯示了在A(yíng)SU和GSMC相同運(yùn)行時(shí)間且單位制氧能耗為1.512 MJ/kg時(shí),ASU耗電比RASV(制氧消耗電量與輸出發(fā)電量之比)隨透平進(jìn)口參數(shù)的變化關(guān)系．由圖可見(jiàn),在透平進(jìn)口溫度較低時(shí),不同透平進(jìn)口壓力下的ASU耗電比幾乎相同;但隨著透平進(jìn)口溫度的增加,ASU耗電比降低,且不同透平進(jìn)口壓力曲線(xiàn)之間的差異越來(lái)越大．ASU耗電值大約是發(fā)電量的23%～26%,這表明GSMC的確是一種大規(guī)模電能轉(zhuǎn)移或存儲(chǔ)的方法．圖5還顯示廠(chǎng)用電份額Raux隨著透平進(jìn)口溫度升高而降低,隨著透平進(jìn)口壓力升高而增大．由于現(xiàn)有二氧化碳捕集技術(shù)通常降低循環(huán)效率5%～15%以上[12, 5],其中有大量的電能消耗在流體輸送上,而從GSMC的廠(chǎng)用電數(shù)值看幾乎與沒(méi)有碳捕集的普通電廠(chǎng)相當(dāng)．

(a) 隨透平進(jìn)口溫度

(b) 隨透平進(jìn)口壓力

圖4 透平焓降隨透平進(jìn)口參數(shù)的變化

GSMC綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于現(xiàn)有其他方案．以GSMC的200 MW調(diào)峰電廠(chǎng)為例,假設(shè)透平進(jìn)口參數(shù)為800 ℃,40 MPa,每天滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)高峰電力8 h,ASU制氧消耗低谷電力8 h，扣除廠(chǎng)用電后其發(fā)電輸出效率為49.2%;其ASU制氧消耗低谷電能為393 MW·h,消耗電能占發(fā)電量22.35%．按谷電和峰電的價(jià)格之比為1/4計(jì)算,則系統(tǒng)等效凈效率為46.2%．LNG和液氧的理論消費(fèi)量分別為234和936 t;回收液體二氧化碳和水分別為643和527 t．采用物理方法回收的高品質(zhì)液體CO2亦具有可觀(guān)的商品價(jià)值．

圖5 ASU耗電比和廠(chǎng)用電份額隨透平進(jìn)口參數(shù)的變化

4 結(jié)論

1) GSMC系統(tǒng)的發(fā)電輸出效率在透平進(jìn)口壓力不變時(shí),隨著透平進(jìn)口溫度的提高而增大,而透平進(jìn)口壓力應(yīng)選擇與透平進(jìn)口溫度匹配才能獲得更高的效率．

2) 透平焓降隨透平進(jìn)口溫度升高而增大,但隨著透平進(jìn)口壓力升高到一定數(shù)值后，透平焓降不增，反而下降．

3) ASU耗電比隨透平進(jìn)口溫度或壓力的升高而降低,在GSMC和ASU運(yùn)行相同滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)間且ASU制氧單耗為1.512 MJ/kg時(shí),ASU耗電比大約為23%～26%．

4) 在透平進(jìn)口參數(shù)為800 ℃,40 MPa,冷凝溫度30 ℃條件下,GSMC系統(tǒng)的發(fā)電輸出效率和等效凈效率分別為49.2%和46.2%．

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A novel NG/O2combustion gas and steam mixture with supercritical power cycle

Chen Yaping Wu Jiafeng Zhu Zilong Zhang Baohuai

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A gas and steam mixture cycle (GSMC) was proposed with NG/O2combustion product and feed water mixture as working medium, which integrates features of high efficiency power generation, peak shaving, energy storage and CO2capture. The cryogenic liquids of both LNG and liquid oxygen were pumped to a high pressure and absorbed the heat for CO2liquefaction and then the superheat of the first 4 extraction steam from turbine successively before entering the combustors through the burners. The circulation feed water was heated in the feed water heating system and then injected to the annular channel between the flame tube and the shell cylinder of combustors. The combustion product heats and mixes with the atomized feed water to form supercritical H2O/CO2mixture vapor for power generation in a turbine. The gaseous CO2separated from the condenser was precooled and liquefied by the cryogenic liquids of both LNG and liquid oxygen after being compressed to a higher pressure by two compressors with intercooling. The results show that under the conditions of turbine inlet parameters of 40 MPa/800 ℃ and condensation temperature of 30 ℃, the output power efficiency is 49.2% and the equivalent net efficiency is 46.2%, which accounts for 1/4 consumption of off-peak electricity by ASU for liquid O2production.

gas and steam mixture cycle (GSMC); NG/O2combustion; mixture; energy storage; CO2capture

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.014

2016-09-26. 作者簡(jiǎn)介: 陳亞平(1956—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師, ypgchen@sina.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276035)．

陳亞平,吳嘉峰,朱子龍,等.一種新型NG/O2燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)超臨界動(dòng)力循環(huán)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):277-282.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.014.

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1001-0505(2017)02-0277-06