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300 MW超臨界二氧化碳發(fā)電機組熱力系統(tǒng)分析

2020-10-14 07:22田瑞青廖健鑫
中國重型裝備 2020年4期
關鍵詞:布雷頓熱效率超臨界

田瑞青 廖健鑫 廖 翔

(東方電氣集團東方汽輪機有限公司,四川618000)

超臨界二氧化碳(簡稱S-CO2)發(fā)電是一種新型發(fā)電技術,以超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì),將熱源的熱量轉(zhuǎn)化為電能,其熱源可采用核能、太陽能、地熱能、工業(yè)廢熱、余熱、化石燃料等多種形式。S-CO2發(fā)電具有效率高、體積小、重量輕、噪聲低等優(yōu)點。S-CO2發(fā)電現(xiàn)在屬于熱門研究方向,各國均有不同程度的研究,部分國家己經(jīng)開展了樣機制造和試驗。美國BMPC公司搭建了100 kW級雙軸帶回熱的閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電試驗系統(tǒng)。NREI于2012年提出以Echogen公司的EPS100系統(tǒng)為基礎的SunShot試驗計劃,開發(fā)了10 MW超臨界二氧化碳渦輪機,計劃2013年設計,2014年制造,2015年運行。美國海軍堆項目組下屬諾爾斯原子能實驗室與貝蒂斯實驗室2010年己建成一座100 kW電功率的整體試驗系統(tǒng),1000~3000 kW電功率的超臨界二氧化碳試驗的前期工作也在進行中。日本東京工業(yè)大學完成了用于核反應堆的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)設計;韓國原子能研究院分析了超臨界二氧化碳循環(huán)與鈉冷快中子堆結合的可行性。

國內(nèi)西安熱工研究院正在進行10 MW以下透平和壓縮機試驗;中國科學院工程熱物理研究所已經(jīng)完成1臺換熱器、1臺冷卻器實驗樣機測試,2018底完成兆瓦級超臨界CO2換熱器綜合試驗平臺建設。

目前國內(nèi)外S-CO2發(fā)電仍處于試驗階段,100 MW以上大功率機組還未商業(yè)運行,但隨著各國工程人員的不懈努力,大功率超臨界二氧化碳機組商業(yè)運行指日可待。對300 MW機組熱力系統(tǒng)進行分析,期望對以后大功率機組熱力設計有所幫助。

1 S-CO2熱力循環(huán)

S-CO2發(fā)電是以超臨界狀態(tài)的二氧化碳為工質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng),整個循環(huán)系統(tǒng)運行在二氧化碳的臨界壓力和臨界溫度之上。超臨界二氧化碳經(jīng)過壓縮機升壓后,被換熱器等壓加熱,經(jīng)升溫后,高溫高壓的工質(zhì)進入透平做功,帶動電機發(fā)電,做功后的二氧化碳壓力降低,進入預冷器降溫到初始狀態(tài),再進入壓縮機形成閉式循環(huán)。

2 典型循環(huán)系統(tǒng)及組成

由于超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)工質(zhì)的物性特點,為了提高整個循環(huán)效率,在循環(huán)中往往采用中間回熱的方式,充分利用透平高溫的排氣來預熱壓縮機出口的工質(zhì)(回熱過程),從而降低冷端損失,循環(huán)還可采用多級壓縮中間冷卻技術進一步提高效率。典型循環(huán)系統(tǒng)及組成如下:

(1)簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng),由壓縮機、透平、預冷器、加熱器和回熱器組成,如圖1(a)所示。

(2)再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),由主壓縮機、再壓縮機、透平、預冷器、加熱器和低溫回熱器、高溫回熱器組成,如圖1(b)所示。

(3)預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),相對于再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)來說,增加了預壓縮機和間冷器,如圖1(c)所示。

(4)再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),由主壓縮機、再壓縮機、驅(qū)動透平、發(fā)電透平、預冷器、加熱器和換熱器組成,如圖1(d)所示。

(a)簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

3 系統(tǒng)參數(shù)設定

根據(jù)當前火力發(fā)電廠汽輪機和超臨界二氧化碳參數(shù)配置以及國內(nèi)材料性能的可實現(xiàn)性,設定熱力計算參數(shù)為:透平進氣壓力32 MPa,進氣溫度620℃,再熱二氧化碳進氣溫度600℃,透平出口(壓縮機進口)壓力7.6 MPa,壓縮機對應進口溫度32℃,根據(jù)試驗測試,選取換熱器效率為97%,發(fā)電機效率97%,計算中不考慮所有管路、閥門等的損失。

3.1 簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

簡單S-CO2布雷頓循環(huán)所需設備較少,循環(huán)流程簡單,初期投入較低,但循環(huán)效率較低,適用于低參數(shù)、功率等級較小的發(fā)電機組。換熱器熱端出口工質(zhì)溫度為89.5℃,而壓縮機進口溫度32℃,由于有溫差為57.5℃的熱量在冷端損失,使整個循環(huán)熱效率降低,最大壓比時效率為41.2%。簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)見表1,其壓比對循環(huán)熱效率影響見圖2。

表1 簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of simple S-CO2 Breton cycle system

圖2 簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)壓比對循環(huán)熱效率影響Figure 2 Effects of simple S-CO2 Breton cycle system pressure ratio on cycle thermal efficiency

3.2 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)

保持壓縮機進口壓力不變,隨著壓比增大,機組效率增加,當壓比達到4.079時,機組效率達到最高,見圖3(a)。保持壓縮機進口壓力不變,分流比增大,機組的效率增加,當分流比達到0.6451時,機組效率達到最高,見圖3(b)。

圖3 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)壓比、分流比對循環(huán)熱效率影響Figure 3 Effects of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio, split ration on cycle thermal efficiency

與簡單布雷頓循環(huán)相比,帶分流再壓縮系統(tǒng)進入低溫換熱器中冷側流體的流量減少,通過低溫換熱器和高溫換熱器的加熱,進入熱源的新工質(zhì)溫度得到提升,當分流比選取合適時,可以使低溫換熱器冷側溫升與熱側溫降數(shù)值相當;同時分流再壓縮系統(tǒng)中進入預冷器的二氧化碳流量減少,減少了系統(tǒng)向外界放熱,從而進一步提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。盡管換熱器熱端出口和壓縮機進口溫度仍有57.5℃溫差,但由于再壓縮流量的分流,約36%的熱量被利用,冷端損失減少,整個系統(tǒng)效率提高。再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

3.3 預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)

保持預壓縮機進口壓力不變,隨著壓比增大,機組效率增加,預壓縮機壓縮比越小,機組效率越高。因為壓縮耗功后,工質(zhì)溫度升高,為了降低主壓縮機耗功,工質(zhì)在進主壓縮機前需要預冷到接近臨界溫度。因此,預壓縮壓比越小,冷卻損耗也少,整個機組效率就越高。

換熱器熱端出口和壓縮機進口溫差降低,溫差只有28.4℃,再加上再壓縮機流量的分流,進預壓縮機前冷端損失減少,由于增加了間冷器,使中間損失增加,整個系統(tǒng)冷端損失減少,循環(huán)熱效率的收益也減少。預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)見表3,其壓比、分流比對循環(huán)熱效率影響見見圖4。

表3 預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)Table 3 Parameters of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

圖4 預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)壓比、分流比對循環(huán)熱效率影響Figure 4 Effects of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

由于增加了預壓縮機和間冷器,初期成本投入增加。印刷電路板式換熱器具有耐高溫、高壓、泄漏少、結構緊湊、高效等優(yōu)點,S-CO2發(fā)電具有較廣闊的前景,國內(nèi)正處于攻堅階段,設計和工藝技術還不夠成熟,中科院工程熱物理研究所雖完成換熱器、冷卻器樣機試驗,但未達到商業(yè)化,目前換熱器基本以進口為主,價格非常高。

3.4 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)

相對于預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)減少了間冷器這一中間冷卻損失環(huán)節(jié);分流到再壓縮,減少了冷端損失,通過再熱,單位工質(zhì)的做功能力得到增加。保證壓縮機進口參數(shù)不變,隨著壓比和分流比的增加,機組效率增大,循環(huán)熱效率最高可達到48.8%,見圖5。再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)見表4。

表4 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)參數(shù)Table 4 Parameters of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

保證主透平進口參數(shù),分流比,壓縮機壓比不變,隨著主透平出口壓力降低,機組循環(huán)熱效率下降,在主透平出口壓力為16 MPa時,機組的效率最高,見圖6。主透平進口參數(shù)不同時,機組達到最高效率時的分流比基本保持一致。

圖5 再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)壓比、分流比對循環(huán)熱效率影響Figure 5 Effects of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

圖6 主透平出口壓力對循環(huán)熱效率影響Figure 6 Effects of main turbine exit pressure on cycle thermal efficiency

4 對比分析

如圖7所示,通過對不同循環(huán)方式對比可見,再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)整個循環(huán)熱效率最高,預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)和再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)次之,簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)最低。在再熱、再壓縮回熱系統(tǒng)基礎上增加一臺預壓縮機和一臺間冷器,就形成帶預壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),見圖8。

圖7 不同循環(huán)熱效率對比Figure 7 Contrast of different cycle thermal efficiencies

圖8 帶預壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)Figure 8 S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression

和其它典型循環(huán)系統(tǒng)一樣,帶預壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng),隨著總壓比增加,系統(tǒng)循環(huán)熱效率增加。在系統(tǒng)總壓比不變的情況下,隨著預壓縮機出口壓力變化,系統(tǒng)總循環(huán)熱效率先增加,達到某個值后又減少,預壓縮機出口壓力為10 MPa時,機組循環(huán)熱效率最高,見圖9。主透平出口壓力逐漸增加,系統(tǒng)循環(huán)熱效率先增后減,主透平出口壓力為16 MPa時,機組循環(huán)熱效率最高為49.4%,見圖10。相比較再熱、再壓縮回熱系統(tǒng)循環(huán),增加預壓縮后帶來的收益是系統(tǒng)循環(huán)熱效率約提高0.6%,但增加了預壓縮機、間冷器、系統(tǒng)管道配置、土建等的初期投資,后期系統(tǒng)維護費用也相對增加,同時系統(tǒng)運行控制難度增加。因此對于300 MW機組的熱力方案更傾向于選取再熱、再壓縮回熱系統(tǒng)??筛鶕?jù)具體工程核算優(yōu)化選擇相應的循環(huán)系統(tǒng)。300 MW機組熱力基本技術參數(shù)見表5。

圖9 預壓縮機出口壓力對循環(huán)熱效率影響Figure 9 Effects of pre-compressor exit pressure on cycle thermal efficiency

圖10 帶預壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)主透平出口壓力、總壓比對循環(huán)熱效率影響Figure 10 Effects of main turbine exit pressure, total pressure ratio for S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression on cycle thermal efficiency

表5 300 MW機組熱力方案(未考慮相關損失)Table 5 Thermal scheme of 300 MW generator (without related loss)

5 總結

通過對不同熱力循環(huán)系統(tǒng)熱效率、投資成本對比分析,確定300 MW機組熱力方案,并得出如下結論:

(1)通過對不同循環(huán)方式對比可見,帶預壓縮再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)整個循環(huán)熱效率最高,再熱、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)次之,預壓縮、再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)和再壓縮S-CO2布雷頓循環(huán)回熱系統(tǒng)略低,簡單S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)最低。

(2)在壓縮機進口壓力不變情況下,隨著壓比、分流比增大,機組的效率增加。

(3)采用多級壓縮中間冷卻技術,雖能提高效率,但由于中間冷卻增加了過程損失,降低了收益。同時由于增加了預壓縮機和間冷器,初期成本投入增加,且控制系統(tǒng)復雜。

(4)針對具體工程可根據(jù)實際預算及周期選擇相應的循環(huán)系統(tǒng)。

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