超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電實(shí)證平臺的模擬

張俊 王仁寶 安豐路 張建亮

摘 要：對超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)200kW發(fā)電實(shí)證平臺進(jìn)行建模，計(jì)算分析了系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度、壓縮分流系數(shù)、壓縮機(jī)壓比等的變化對平臺發(fā)電效率的影響。得出：系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度，再壓縮分流系數(shù)和壓縮機(jī)壓比對實(shí)證平臺的發(fā)電效率有明顯的影響;尤其重點(diǎn)分析再壓縮超臨界二氧化碳系統(tǒng)中再壓縮機(jī)壓比與分流系數(shù)的耦合關(guān)系，兩者的優(yōu)化可得到發(fā)電系統(tǒng)的最高效率點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：超臨界二氧化碳;布雷頓循環(huán);太陽能

中圖分類號：TK122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0137-02

0 引言

傳統(tǒng)大型火力發(fā)電站和新興太陽能光熱發(fā)電站的熱力系統(tǒng)一般都采用以水蒸氣為工作介質(zhì)的朗肯循環(huán)。水蒸汽容積比功小，循環(huán)中汽輪機(jī)機(jī)及換熱器等主要設(shè)備尺寸大，占地面積大建設(shè)成本高;并且蒸汽汽化潛熱大，循環(huán)中大量熱量被排放到大氣中從而限制了發(fā)電效率。

超臨界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，SCO2）流體是一項(xiàng)新型技術(shù)，其工作溫度和工作壓力均在臨界點(diǎn)以上（CO2的臨界溫度和臨界壓力分別達(dá)到31.1℃和7.38Mpa），化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，即使發(fā)生故障也不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并且兼有良好的流動(dòng)性和熱傳導(dǎo)性，臨界點(diǎn)適中易于達(dá)到，工程可實(shí)現(xiàn)性好。

另外，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)最引人關(guān)注的特點(diǎn)是能夠大幅提高熱力循環(huán)效率。由圖1可見，接近800℃的渦輪入口溫度時(shí)，其熱力循環(huán)效率可超過50%，目前蒸汽郎肯循環(huán)效率的平均值小于35%，其發(fā)電效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

與水蒸汽郎肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳適用的熱源溫度更廣，在100℃～800℃區(qū)間。可使用各種品質(zhì)熱源，包括核反應(yīng)堆、劣質(zhì)的燃油、垃圾焚燒、地?zé)崮堋⑻柲堋⒐I(yè)廢熱等各種不同溫度的熱源。

由于超臨界二氧化碳的獨(dú)特性質(zhì)，循環(huán)熱力裝置具有較高的能量密度，渦輪的級數(shù)大幅減少體積顯著縮小，使得壓縮機(jī)、渦輪機(jī)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊（約為蒸汽系統(tǒng)體積的1/30），固定投資大幅降低。

當(dāng)前我國火力發(fā)電行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級，本文的研究證實(shí)SCO2布雷頓循環(huán)等技術(shù)應(yīng)作為未來發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)突破和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 系統(tǒng)概述和模型

SCO2循環(huán)所需的500℃～650℃溫度，正是目前太陽能熱發(fā)電主流技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的溫度區(qū)間，將SCO2循環(huán)應(yīng)用于聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)并構(gòu)建小型發(fā)電平臺將實(shí)現(xiàn)兩者的高效耦合。

1.1 流程說明

以SCO2傳熱和工作介質(zhì)的太陽能發(fā)電的原則。整個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)太陽能熱吸熱器，定日鏡陣列，冷熱儲罐，渦輪發(fā)電機(jī)組，高溫回?zé)崞鳎蜏鼗責(zé)崞鳎鋮s器，主壓縮機(jī)及再壓壓縮機(jī)。

已有研究表明，500℃～650℃的熱源出口溫度范圍內(nèi)，再壓縮循環(huán)在所有循環(huán)中效率最高，這是因?yàn)樵賶嚎sSCO2循環(huán)，可以充分利用CO2在臨界點(diǎn)附近密度較大、所需壓縮功較小的優(yōu)勢，并且克服了簡單的SCO2循環(huán)中回?zé)崞鞒霈F(xiàn)“夾點(diǎn)”問題而導(dǎo)致的傳熱效率較低等缺點(diǎn)。在主壓縮機(jī)內(nèi)對一部分流體進(jìn)行壓縮，并在低溫回?zé)崞鳎╨ow-T Recuperator）中被預(yù)熱至再壓壓縮機(jī)的出口溫度;兩個(gè)壓縮機(jī)出口流體匯流后進(jìn)入高溫回?zé)崞鳎℉igh-T Recuperator），然后進(jìn)入熔鹽熱交換器利用太陽能吸收的熱量進(jìn)行加熱，并在換熱器出口達(dá)到循環(huán)要求的溫度后直接進(jìn)入透平膨脹做功;做功后的的高溫流體經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鲗崃總鬟f給冷流體;冷卻后的流體在進(jìn)入冷卻器（cooler）之前被分流，一部分直接壓縮至高壓，另一部分經(jīng)冷卻后進(jìn)去主壓縮機(jī)。本文以此循環(huán)為研究模擬對象。

1.2 熱力學(xué)模型

1.2.1 壓縮機(jī)和渦輪的計(jì)算模型

壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)具有恒定的等熵效率，設(shè)計(jì)點(diǎn)下的壓比（壓縮機(jī)出口壓力/壓縮機(jī)入口壓力）已知，求得對應(yīng)壓縮機(jī)入口溫度壓力條件下的熵和焓（表示為Sin，hin），假設(shè)從壓機(jī)入口到出口的壓縮過程是等熵過程，則壓縮機(jī)出口熵 Sout=Sin，根據(jù)出口熵和壓力可求得等熵出口焓（hout，i）。

2 流程模擬

基于所得的熱力學(xué)模型，對圖2所示系統(tǒng)建立仿真模型。在確定了渦輪和壓縮機(jī)的效率、換熱器的換熱效率后，還需確定系統(tǒng)流量、壓縮機(jī)壓、渦輪入口壓力和溫度、主壓縮機(jī)入口溫度以及再壓縮的流量份額，這樣循環(huán)過程就可確定并求解。

本文中以功率為200kW的發(fā)電平臺為例進(jìn)行研究，假設(shè)整個(gè)循環(huán)發(fā)電過程是穩(wěn)態(tài)的，并且不考慮設(shè)備之間連接管道的壓力損失并忽略掉系統(tǒng)中組件的熱損失以使問題研究較為清晰突出。

3 參數(shù)變化影響分析

根據(jù)本文建立的模型，結(jié)合SCO2布雷頓循環(huán)的核心特征，從盡可能降低壓縮功耗、提高系統(tǒng)效率的角度考慮，主壓縮機(jī)入口介質(zhì)參數(shù)略微高于臨界點(diǎn)處系統(tǒng)效率比較高，故在模擬中壓縮機(jī)入口溫度取為32℃，對應(yīng)壓力設(shè)置為77bar作為設(shè)計(jì)工況。

通過對設(shè)計(jì)點(diǎn)及非設(shè)計(jì)點(diǎn)各工況條件的詳細(xì)模擬，對比分析了200kW超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中渦輪入口溫度、再壓縮分流系數(shù)、壓縮機(jī)壓比β（即渦輪膨脹比）對發(fā)電效率的影響情況。

模擬過程中，對管道和設(shè)備的水力損失按比例折算到設(shè)備壓力損失中，并且高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鞯膴A點(diǎn)溫度取為7℃，比較符合實(shí)際換熱器情況。主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)在計(jì)算中取相同的壓比。

3.1 系統(tǒng)最高溫度的影響

渦輪入口溫度的變化對循環(huán)凈效率的影響如圖3所示。在預(yù)冷器出口溫度為32°C，換熱器單位化UA為保持不變的情況下，系統(tǒng)的最佳熱效率隨透平入口溫度的變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著透平入口溫度的提高，SCO2布雷頓循環(huán)的熱效率顯著提高，當(dāng)再壓縮分流比α= 0.3，壓縮比β=2.623時(shí)，隨著渦輪入口溫度從450°C增加到700°C，平臺發(fā)電凈效率從22.15%增加到38.41%，系統(tǒng)循環(huán)效率提高了16.26%。溫度每提高20℃，循環(huán)熱效率提高約1.3%。由熱力學(xué)原理可知，隨著二氧化碳透平入口溫度的提高，SCO2做功能力提升明顯，在保持發(fā)電機(jī)總輸出功率的情況下，工質(zhì)的使用量減少，發(fā)電系統(tǒng)自身能耗和系統(tǒng)吸熱量減少從而提高了發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)總效率。

3.2 再壓縮分流系數(shù)α和壓縮比β的綜合影響

對系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行分流系數(shù)變化的影響分析，再相同壓縮機(jī)壓比條件下，分流系數(shù)曲線中最高點(diǎn)為此壓比條件下的最優(yōu)再壓縮分流比。可見分流系數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電凈效率有著關(guān)鍵的影響。同時(shí)分流比也直接高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鞯倪x擇。對系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮回?zé)嵯到y(tǒng)的影響。

并且當(dāng)壓比逐漸增大時(shí)，最優(yōu)分流系數(shù)的位置向左偏移，意味著最優(yōu)分流比逐漸變小。

4 結(jié)語

基于熱力學(xué)第一定律研究并模擬了發(fā)電量為200kW的再壓縮超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的熱力學(xué)特性，得到如下主要結(jié)論：（1）對于發(fā)電量為200kW的小型超臨界二氧化碳發(fā)電實(shí)證平臺，采用再壓縮循環(huán)是可行的并且比簡單循環(huán)具有更高的發(fā)電效率。（2）無論對于簡單循環(huán)系統(tǒng)還是再壓縮循環(huán)，渦輪入口溫度即系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度的變化對發(fā)電效率影響明顯;在維持分流系數(shù)和壓縮比一定，并且保持單位UA幾乎不變的情況下，隨著渦輪入口溫度的調(diào)高系統(tǒng)循環(huán)效率逐漸升高。（3）壓縮機(jī)壓比對發(fā)電效率的影響大;但是與簡單循環(huán)相比，壓比的影響顯著不同，再壓縮分流系數(shù)保持一定的時(shí)候，壓縮機(jī)壓比增加發(fā)電凈效率先增大后減小，也就是說存在最優(yōu)壓縮比使得此種情況下發(fā)電凈效率最高。（4）再壓縮分流系數(shù)和壓縮機(jī)壓比存在相互關(guān)系，當(dāng)壓比逐漸增大時(shí)，使得系統(tǒng)的存在最優(yōu)效率點(diǎn)的分流系數(shù)逐漸變小。

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