超臨界二氧化碳與空氣聯合循環效率分析

鄭開云

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 閔行 200240)

0 引言

基于化石能源的分布式發電系統主要采用往復式發動機或小型燃氣輪機將熱能轉換為電能，其熱電轉換效率低于集中式發電系統所采用的大型汽輪機或燃氣輪機，并且所使用的一次能源為天然氣或燃油，燃料成本高，這兩方面因素弱化了化石能源分布式發電系統的經濟性優勢。我國能源結構“多煤少油缺氣”，在一次能源消費中，煤炭占70%以上；同時，我國的煤炭清潔燃燒技術全球領先，正在全面推進燃煤電廠超低排放?？紤]此國情，有必要開展基于煤炭的分布式發電系統的研究，依靠現有的燃煤技術，開發適用于分布式發電系統的高效動力循環，進一步提高煤電轉換效率，這對于發展分布式煤電有重要意義。

分布式發電系統主要為50 MW以下的中、小容量機組，在此容量范圍，閉式循環的發電效率可顯著高于廣泛使用的蒸汽朗肯循環[1]，并且可超過開式循環[2]。閉式循環可采用空氣、氮氣、超臨界二氧化碳(sCO2)、氦氣等作為工質，其中空氣循環技術最為成熟，具有幾十年的運行歷史[3]。同等參數條件下，sCO2閉式循環的熱效率高于的其他工質循環[4]，是第4代核電、聚光太陽能熱發電、生物質燃燒發電等發電系統的優選動力循環[5]。sCO2閉式循環的各種布置方式中，簡單回熱sCO2閉式循環熱效率相對低一些，但是系統簡化，適合于熱電聯供系統[6]；分流再壓縮循環熱效率高，并且幾乎是熱效率最高的循環布置方式，可用于高效發電系統[7]?？傮w而言，分流再壓縮循環是sCO2閉式循環在各類發電系統中首選的布置方式，也適用于分布式發電。盡管分流再壓縮sCO2閉式循環效率高，但是仍需要進一步提高效率，使燃煤分布式發電效率接近甚至達到集中式發電的效率水平。

本文首先分析分流再壓縮sCO2閉式循環的優點，并指出其不足之處；其次將sCO2閉式循環與空氣閉式循環組成聯合循環；最后對聯合循環發電系統進行效率分析，并與分流再壓縮sCO2閉式循環進行對比。

圖1 分流再壓縮sCO2閉式循環流程及壓焓圖Fig.1 Process and p-h diagram for shunting-recompression sCO2 closed cycle

1 分流再壓縮sCO2閉式循環

經典的簡單閉式循環，即布雷頓循環，包括絕熱壓縮、等壓加熱、絕熱膨脹、等壓冷卻4個過程[8]。等壓加熱和等壓冷卻過程之間可通過回熱器，構成簡單回熱循環，回熱過程可實現熱量回收，從而提高循環熱效率[8]。在簡單回熱sCO2閉式循環基礎上，再增加一個并行的絕熱壓縮過程，可構成分流再壓縮sCO2閉式循環[9]，流程示意及對應的壓焓圖如圖1所示。分流再壓縮sCO2閉式循環的流程為：假設從熱源開始，由熱源(如：燃煤鍋爐)出來的高溫高壓工質經透平膨脹做功，推動發電機工作，透平排出的低壓工質經高溫回熱器和低溫回熱器將熱量傳遞給高壓側的工質，工質在進入預冷器前分流成兩路，一路工質進入預冷器(主流)，再經主壓縮機和低溫回熱器，然后與進入再壓縮機的另一路工質(分流)匯合進入高溫回熱器，最后回到熱源。

相比簡單回熱sCO2閉式循環，分流再壓縮sCO2閉式循環的熱效率可提高5個百分點以上[10]。為更清晰地解釋循環熱效率提高的原理，可將分流再壓縮循環等同變換為兩個簡單回熱循環的聯合循環，其頂循環和底循環分別對應于循環的分流部分和主流部分，如圖2所示。頂循環和底循環中工質的參數分別等于分流工質的流量和主流工質的參數。相應地，高溫回熱過程拆分為頂循環高溫回熱過程和底循環高溫回熱過程，低溫回熱過程變成頂循環向底循環傳熱和底循環低溫回熱過程兩部分。相比底循環，頂循環的絕熱壓縮過程遠高于臨界溫度，耗功要大得多。雖然頂循環熱效率低于底循環，但是頂循環釋放的余熱全部傳遞給了底循環，可認為沒有熱量損失。底循環中接收頂循環余熱的是主壓縮機出來的工質，具有大比熱容的特性，除了吸收底循環自身的低溫回熱熱量外，還容納了來自頂循環的余熱，最終使底循環吸收外部熱源的熱量大幅減少。綜上所述，頂循環、底循環和兩者聯合的分流再壓縮循環的熱效率計算式為

圖2 分流再壓縮sCO2閉式循環拆分Fig.2 Breakdown of shunting-recompression sCO2 closed cycle

式中：ηt、ηb、ηr分別為頂循環、底循環和分流再壓縮循環的熱效率；hi為圖1、2中各狀態點的比焓；r為分流比。因為h4-h3=h6-h7，所以有

因為ηb>ηt，所以ηr>ηb>ηt，分流再壓縮方法可提高sCO2閉式循環熱效率。

根據以上分析可知，分流再壓縮sCO2閉式循環實際上是兩個簡單回熱循環的聯合循環。由于頂循環和底循環的工質相同，透平兩端參數一致，所以兩個循環可合并到一個回路中，僅保留兩個并行的絕熱壓縮過程，系統得到簡化。但是，分流再壓縮sCO2閉式循環存在不足之處：一方面頂循環和底循環難以解耦以實現獨立的運行參數和過程控制；另一方面頂循環熱效率不高。由此考慮到，可將頂循環的功能由其他更高效率的替代循環來實現，從而提高聯合循環的熱效率。

2 sCO2與空氣聯合循環方案

將分流再壓縮循環的原理推廣開來，引入其他循環作為圖2(b)中簡單回熱sCO2閉式循環的頂循環?？紤]到技術成熟度、熱效率、經濟性等多方面因素，選擇空氣閉式循環作為頂循環，代替圖2(a)的sCO2閉式循環。圖3為sCO2與空氣聯合循環布置的示意圖，兩個循環通過中間換熱器實現熱量集成。

a為二氧化碳壓縮機； b為二氧化碳低溫回熱器； c為二氧化碳高溫回熱器； d為熱源； e為二氧化碳透平， f為發電機1； g為中間換熱器； h為預冷器； i為空氣壓縮機； j為空氣回熱器； k為空氣透平； l為發電機2。圖3 sCO2與空氣聯合循環布置Fig.3 sCO2-air combined cycle

熱源采用循環流化床鍋爐，其適用于分布式發電系統，且有兩方面的優點[11]：一是燃料靈活性好，能清潔高效利用高硫煤和低熱值燃料，并可按任何比例混燒生物質燃料；另一方面僅通過爐內脫硫和低溫燃燒抑氮即能實現達標排放，特定條件下爐內SO2或NOx單項指標可實現超低排放，有望在今后實現爐外不設置或設置簡易脫硫脫硝裝置。此外，循環流化床鍋爐可達90%以上的熱效率。

循環流化床鍋爐的床溫在900 ℃以下，工質的最高溫度宜不超過850 ℃。循環流化床鍋爐同時為sCO2閉式循環和空氣閉式循環提供熱量，需要設置兩種工質的鍋爐受熱面。對于空氣閉式循環，鍋爐高溫部件材料可采用具有優良抗氧化性能和較高強度的高溫合金，如：INCOLOY 800H[12]，工質最高溫度不超過800 ℃。對于sCO2閉式循環，sCO2工質的高溫腐蝕機制不同于空氣氧化，它包括氧化和碳化腐蝕，已有研究表明：金屬材料在CO2環境中的腐蝕較為嚴重[13]，工質溫度不宜過高，并且sCO2閉式循環壓力高，鍋爐高溫部件材料可采用高強度耐熱不銹鋼材料，如Super304H、TP347HFG、HR3C等[14]，工質最高溫度不超過620 ℃。

3 sCO2與空氣聯合循環效率分析

采用美國國家標準與技術研究所(NIST)發布的Refprop物性數據庫，對圖3的sCO2與空氣聯合循環進行熱效率分析，同時對圖1的分流再壓縮sCO2閉式循環進行熱效率分析，然后將兩者進行對比研究。作為分布式發電系統，機組凈發電功率取50 MW。sCO2與空氣聯合循環中sCO2閉式循環透平進口參數取620 ℃/30 MPa，空氣閉式循環透平進口參數分別取670 ℃/8 MPa(Case1)、700 ℃/6 MPa(Case2)、750 ℃/5 MPa(Case3)、800 ℃/4 MPa(Case4)。分流再壓縮sCO2閉式循環中，透平進口參數取620 ℃/30 MPa。假設循環系統有較好的環境冷源條件，聯合循環中的sCO2閉式循環和分流再壓縮sCO2閉式循環冷端工質溫度均取32 ℃，壓力均取8 MPa。鍋爐熱效率取90%，其他主設備性能參數的選取如表1所示。為簡化計算，不單獨考慮設備的其他次要性能參數，如：壓損、散熱、漏氣、機械損失及其他可能的損失，保守地將它們合并為循環熱效率的3%。此外，輔助設備用電簡化為發電功率的0.5%。

表1 主設備性能參數Table 1 Parameters of main equipment

sCO2與空氣聯合循環熱效率可表達為

sCO2與空氣聯合循環和分流再壓縮sCO2閉式循環發電系統的凈發電效率可分別表達為

式中：ηcnet、ηrnet分別為聯合循環和分流再壓縮sCO2閉式循環的凈發電效率；ηrt為分流再壓縮sCO2閉式循環的熱效率；ηbt為鍋爐熱效率；ηloss為效率損失率；ηgen為發電機效率；ηaux為輔助設備用電率。經計算，求得系統的熱效率和凈發電效率，如表2所示。

由表2計算結果可知，隨著空氣閉式循環溫度參數的提高，聯合循環的效率也不斷提高：當空氣閉式循環最高溫度670 ℃時，聯合循環熱效率與分流再壓縮循環相當；當空氣閉式循環透平進口溫度為700 ℃以上時，聯合循環熱效率顯著高于分流再壓縮循環；空氣閉式循環透平進口溫度為800 ℃時，聯合循環系統的發電效率進一步提高，達到620 ℃等級大型超超臨界煤粉燃燒發電機組的發電效率水平(約45%)[15]?？梢?，sCO2與空氣聯合循環用于分布式燃煤發電的潛力很大。另外，由表2計算結果可見，聯合循環的工質流量高于分流再壓縮循環，特別是空氣閉式循環的流量較大，且壓力較低，對工質的換熱能力有不利影響，所以對空氣回熱器和中間換熱器的性能要求很高。

4 結論

通過對sCO2與空氣聯合循環和分流再壓縮sCO2閉式循環的熱效率進行對比分析，得到兩方面結論：

表2 系統的凈發電效率Table 2 Net power efficiency of system

1) sCO2與空氣聯合循環和分流再壓縮sCO2閉式循環提高sCO2閉式循環熱效率的原理是一致的，采用聯合循環可使頂循環和底循環解耦，頂循環可采用更高效率的循環；

2) sCO2與空氣聯合循環的熱效率可顯著超過分流再壓縮sCO2閉式循環，其用于分布式發電的效率可達到大型超超臨界燃煤電站的水平。