基于超临界CO2布雷顿循环的燃煤发电系统优化分析

中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：15xxxx基于超临界CO2布雷顿循环的燃煤发电系统优化分析周敬1，凌鹏1,2，张晨浩1，崔晓宁1，徐俊1，许凯1，苏胜1，胡松1，汪一1，向军1，*（1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉4300742长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙，410114）（Tel：87542417-8206，Email：xiangjun@）摘要:本文建立超临界CO2燃煤发电系统全流程优化模型，在32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高参数条件下，分析不同冷却方式、再热级数以及省煤器布置方式对系统性能的影响。结果显示：中间冷却与二次再热在高压缩比下能有效提高S-CO2布雷顿循环热力性能；锅炉受热面压降能降低循环系统热力学性能且对二次再热影响高于一次再热；从高温回热器入口引出部分流到省煤器能有效提升S-CO2发电系统全厂效率；；相同条件下，超临界CO2发电系统全厂效率高于传统蒸汽锅炉。关键词超临界CO2布雷顿循环；燃煤发电系统；热力系统优化；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前言提高发电机组效率、降低污染物的排放是电力行业研究的永恒主题和目标；当前，锅炉系统主要是以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统，其发展受到材料和技术的限制。为了突破传统路线的瓶颈，一些新概念先进动力系统[1,2]，例如超临界CO2布雷顿循环系统，受到越来越多的关注。超临界CO2工质具有合适的临界压力，无毒低成本，能量密度大，传热效率高，系统简单，结构紧凑等特点[3]。超临界CO2布雷顿循环系统最开始被提出应用于核反应装置。Kato等[4]通过测试超临界CO2全压缩、部分压缩以及不压缩三种循环方式，根据热效率、安全性、造价以及装备制造工艺得出其可很好地代替液态金属冷却快堆。Dostal[5]研究指出S-CO2再压缩布雷顿循环在中高温450~700℃温度是最优的布置方式，能很好克服回热器夹点问题导致的传热恶化问题。很多研究表明超临界CO2布雷顿循环在服回热器夹点问题导致的传热恶化与系统效率下降问题[6,7]。很多研究表明超临界CO2布雷顿循环在集中于核能、太阳能、余热利用、化石能源等展现了良好热力学性能[8-10]。目前，超临界CO2布雷顿循环在燃煤锅炉的应用目前研究仅处于起步的阶段。Le等[11]通过构建了超临界CO2布雷顿循环和煤粉锅炉耦合概念模型，其系统循环效率高达50%，全厂效率高于传统蒸汽锅炉5%左右。然而，该研究并没有考虑适用于超临界CO2燃煤发电机组的超临界CO2布雷顿循环热力优化分析，本文建立一套超临界CO2燃煤发电系统全流程模型，基于超临界CO2锅炉32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高参数特性对超临界CO2布雷顿循环中冷却方式、再热级数以及省煤器布置进行优化，并与相同参数下传统蒸汽锅炉燃煤发电系统进行性能对比分析。1模型建立1.1超临界CO2布雷顿循环简单的超临界CO2布雷顿再压缩循环包括主压缩机、辅助压缩机、两个回热器、预冷器以及热源和S-CO2透平。如图1所示，进入预冷器前一部分流股7通过旁路压缩机压缩至高温回热器高压端，另一部分流股进入预冷器、主压缩机和低温回热器与其汇合一同进入高温回热器，经过回热的流股4进入热源吸热通过S-CO2透平做功，之后依次通过高温回热器以及低温回热器换热。超临界CO2布雷顿循环模型与输入参数见表1[12]，其中回热器采用HEATX换热器，可使用TQ-CURVES功能分析回热器高压端与低压端温差分布。图1简单超临界CO2布雷顿再压缩循环示意图基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0601802）；国家自然科学基金（51576086，51576081）表1超临界CO2循环参数[12]ItemParameterValueUnit主压缩机入口压力/温度78/32bar/℃超临界CO2循环组件压降0.1MPa锅炉受热面压降0.5MPaS-CO2压缩机绝热效率89.00%—电动机效率99.60%—S-CO2透平绝热效率93.00%—机械效率98.50%—由图2可知，将以上建立模型与文献[5]进行对比，其中压缩机入口压力在15-30MPa，S-CO2透平入口温度在550-850℃，其热效率基本保持一致，效率误差在1.2%之内。同时，图3（a）对压缩机入口压力30MPa，透平入口温度650℃情况下中回热器换热量Q与温差△T进行分析，可发现低温回热器会发生温度夹点问题，温差最小处并非发生在低温回热器两端，高温回热器并不会出现以上问题。这是由于低温回热器低压端参数接近超临界点附近，从图3（b）可知超临界CO2流体比热容在超临界点附近出现突变，从而导致低温回热器在端点处温差并非最小。以上是简单的超临界CO2布雷顿循环，为了适应于超临界CO2锅炉超高温超高压参数，可采用二次再热、中间冷却手段提升系统热力学性能，在第二节将进行讨论。（虚线表示文献结果，实现表示模拟结果）（a）回热器Q-T曲线；b）物性随温度变化曲线图2模型验证图3回热器性能分析1.2超临界CO2燃煤锅炉与常规蒸汽锅炉相似，超临界CO2锅炉部分包括燃料燃烧过程与烟气换热过程，见图4，其模型参照前面工作超超临界传统蒸汽锅炉建立[13,14]，采用RYield反应器和RGibbs反应器表示燃烧过程中燃料分解以及燃烧过程，烟气侧换热采用Heater模块，其中烟气侧采用PR-BM物性方法[15]，S-CO2工质侧采用LK-PLOCK物性方法ADDINNE.Ref.{10F7C822-C890-4D59-9702-E5E09F2F264F}[11,12]。尾部烟道中采用分流器FSplit模块，用于控制前烟道与后烟道的烟气比例，以达到S-CO2工质调温的目的，相当于烟道挡板。与传统锅炉不同之处，超临界CO2锅炉中S-CO2工质入口温度较常规锅炉给水温度高，大约100-200℃，因此超临界CO2锅炉余热利用显然不能按照常规方法布置。目前，尾部烟气余热利用常用方式由以下方式：增加空气预热器吸热量；从超临界CO2循环系统引出部分流到省煤器。以上内容在第二节将对省煤器的布置进行讨论。CW1—主S-CO2流冷却壁；CW2—一次再热S-CO2流冷却壁；CW3—二次再热S-CO2流冷却壁；LSH—低温过热器；RH1-2—一次再热高温再热器冷段；RH2-2—二次再热高温再热器冷段；HSH—高温过热器；RH1-3—一次再热高温再热器热段；RH2-3—二次再热高温再热器热段；RH1-1—一次再热低温再热器；RH2-1—二次再热低温再热器；ECO—省煤器；AP—空气预热器图4S-CO2锅炉模型2系统性能计算与分析图5展示了适用于超临界CO2锅炉的超临界CO2布雷顿循环流程图，其中压缩机处红色虚线框代表单级冷却方式，蓝色实线框代表着中间冷却方式；再热部分红色虚线和蓝色实线框分别表示一次再热和二次再热；省煤器部分根据从不同回热器入口引流分为方案一与方案二。本节主要研究S-CO2透平最高入口压在32.5MPa，最高蒸汽温度605℃/610℃/610℃参数下中间冷却、省煤器布置以及再热级数对系统性能分析，同时通过比较传统蒸汽发电系统，研究先进的S-CO2循环系统对系统性能的影响。图5超临界CO2锅炉的超临界CO2布雷顿循环流程图2.1中间冷却对系统性能的影响图6给出了中间冷却和单级冷却两种方式下压缩机入口压力对系统性能的影响。从图中可看出，压缩机入口压力在临界点附近增加，中间冷却和单级冷却两种方式下S-CO2循环效率都是先增加后减少，不同的是单级冷却方式下S-CO2循环效率增加幅度较中间冷却高，这主要是由于超临界CO2在超临界点附近比热容、密度等物性参数发生突变，导致单级冷却压缩时压缩功增加。图6中间冷却和单级冷却下系统循环热效率随压缩机入口压力的影响由图可知，压缩机入口最优工况为77bar，比较两种方式，可知中间冷却方式能有效提高S-CO2燃煤发电系统性能，在压缩机入口压力为77bar，中间冷却方式S-CO2循环效率热效率为51.53%，热效率高大约0.9%。2.2再热级数对系统性能的影响图7给出了一次再热（SR）和二次再热（DR）两种方式下锅炉受热面压降对系统性能的影响。由图可知，在锅炉受热面无压降的情况下，二次再热S-CO2循环热效率比一次再热效率高，显然增加再热次数能保证工质在一次冷却放热前提下，能多次在锅炉吸热并在超临界CO2透平做功，增加S-CO2循环效率。随着锅炉受热面压降增加，一次再热和二次再热热效率都随之降低，其中二次再热系统热效率随锅炉受热面压降影响较大，随着压降增加，一次再热系统热效率反而高于二次再热系统。因此系统性能随再热级数和锅炉受热面压降共同影响。图7一次再热和二次再热下系统循环热效率随锅炉换热器压降的影响2.3省煤器布置对系统性能的影响S-CO2省煤器的布置在S-CO2锅炉余热利用起到至关重要的作用。文献ADDINNE.Ref.{20D5E4C5-0298-453C-B510-B5B7E3CAEE5B}[12,16]显示通过增加空气预热器负荷以利用锅炉余热，然而二次风风温提升有限，同时在工程应用中，二次风温一般未超过400℃。因而需讨论S-CO2省煤器的布置对系统性能的影响。由图5可知，省煤器由两种布置方式：方案一从低温回热器高压端入口引出到省煤器；方案二从高温回热器入口引出到省煤器。省煤器布置在空气预热器前，省煤器的入口烟气温度高R1-1和R2-1中S-CO2入口工质30℃。图8给出了省煤器两种布置方式下省煤器分流比系统性能的影响。由图8（a）可知，方案一S-CO2循环热效率随着省煤器分流比增加线性减少，方案二S-CO2循环热效率热效率随着省煤器分流比增加而不变。显然采用方案二能够在不降低S-CO2循环热效率的情况下尽可能利用S-CO2锅炉省煤器余热。方案一全厂热效率降低是由于旁路压缩分流比减少而导致，由文献ADDINNE.Ref.{77B419E3-C01D-452E-9579-ADC16E119E58}[11]可知，S-CO2布雷顿循环中在最优旁路压缩分流比之前，旁路压缩分流比增加能显著增加S-CO2循环热效率，这是由于减少一部分热量给预冷器放热从而增加系统热效率。超临界CO2燃煤发电系统全厂热效率由S-CO2循环热效率与锅炉效率两部分组成，由图8（b）可知，锅炉热效率随着省煤器分流比先增加，达到省煤器满吸热负荷后，效率不变。所以方案二中全厂热效率先增加后不变，同时远高于方案一。图8不同省煤器布置方式下下系统循环热效率随省煤器分流比的影响2.4优化工况下系统概述本文针对超临界CO2燃煤发电机组高参数32.5MPa/605℃/610℃/610℃/工况下，通过分析S-CO2布雷顿循环中间冷却、再热级数对循环系统性能的影响以及适用于S-CO2锅炉的省煤器布置方式对全厂系统热效率分析，提出了一整套适用于高压高温下适用于锅炉系统中的优化分析方法。由表2可知，通过对比传统蒸汽锅炉，S-CO2锅炉设计受热面应确保炉膛出口烟温1156℃以及排烟温度117℃与传统锅炉一致，前者可防止锅炉结焦结渣问题，后者可保证锅炉热效率不变。传统蒸汽发电系统由于主蒸汽吸热量占总吸热量72.9%，而S-CO2发电系统主蒸汽和再热蒸汽吸热量较为平均，因此冷却壁应分段设计。高温过热器用于调节主蒸汽出口温度，导致吸热量减少。一次低再RH1-1和二次低再RH2-1由于工质入口温度增加，为保证传热，其出口烟温分别较传统蒸汽锅炉提高103.4℃和111.5℃，这显然导致省煤器吸热量增加。表2超临界CO2锅炉参数对比常规蒸汽锅炉受热面吸热量Mw出口烟温℃超临界CO2锅炉受热面吸热量Mw出口烟温℃水冷壁WW936.01311.0冷却壁CW1366.8-冷却壁CW2258.6-冷却壁CW3310.71311.0低温过热器LSH194.91156.0低温过热器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高温过热器HSH219.5890.0高温过热器HSH134.8960.0一再高再热段RH1-380.8773.0一再高再热段RH1-3129.9773.0二再高再热段RH2-358.5773.0二再高再热段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空气预热器AP270.5117.0空气预热器AP270.5117.0由表3比较可知，S-CO2发电机组全厂热效率48.7%，较常规锅炉热效率提高2.0%，其中锅炉热效率94.8%，S-CO2布雷顿循环效率为51.4%。表3超临界CO2发电系统效率汇总类别传统蒸汽锅炉超临界CO2锅炉输入燃料MJ/s2176.72176.7输出有效电能MJ/s1014.71058.6锅炉换热面MJ/s2060.22060.2循环热效率MJ/s49.3%51.4%锅炉热效率MJ/s94.7%94.7%全厂热效率MJ/s46.6%48.6%3结论本文建立超临界CO2燃煤发电系统全流程模型，基于超临界CO2锅炉32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高参数特性对超临界CO2布雷顿循环中冷却方式、再热级数以及省煤器布置进行优化：（1）由于S-CO2锅炉高参数特性，中间冷却在高压缩比下能有效提高S-CO2布雷顿循环热力性能。在压缩机入口压力在超临界点附近，相较于单级冷却，中间冷却循环系统热力效率没有突变；（2）二次再热能有效提高S-CO2布雷顿循环热力性能，然而二次再热随锅炉受热面压降影响高于一次再热，随着锅炉受热面压降增加，一次再热循环反而优于二次再热循环；（3）从高温回热器入口引出部分流到省煤器能有效提升S-CO2发电系统全厂效率；（4）超临界CO2发电系统与传统锅炉主要区别是：再热受热面不足，冷却壁应分段布置再热面；再热S-CO2工质温度提高，省煤器换热量增加；全厂热效率提高，具有广阔发展潜力。参考文献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.吴毅，王佳莹，王明坤，等.基于超临界CO2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统[J].西安交通大学学报.2016(05):108-113.WangK,HeY.Thermodynamicanalysisandoptimizati