光熱電站采用超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統論證

袁曉旭 張小波

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

太陽能被認為是取之不盡用之不竭的能源，利用太陽能作為能源是最為經濟環保、 安全可靠的手段， 同時太陽能不會造成任何環境污染， 勢必成為未來發展的主流。 利用太陽能進行發電目前主要有兩種形式， 即太陽能光伏發電及太陽能光熱發電。 前者是利用太陽光照射半導體材料，通過光電效應產生出電流， 其技術成熟， 使用方便， 現在用的多， 但光伏發電難大規模儲能， 而且煉硅能耗很大。 太陽熱發電是利用太陽能的輻射能， 通過集熱器和聚熱接收器， 再通過熱機發電， 光熱發電規模較大， 可以直接并網運行， 國內發展速度迅猛。

發展太陽能光熱發電， 我國具有優越的自然資源優勢。 我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一， 年日照時數大于1 700 h 的地區面積約占全國總面積的三分之二以上。 有條件發展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30 萬平方千米[1]。 其中：青海、 西藏、 甘肅、 新疆、 內蒙等西北地區的光熱資源條件較好， 我國光熱資源分布如圖1 所示。

圖1 中國太陽能分布[1]

目前光熱電站主要利用的是蒸汽輪機進行發電， 對水資源要求較高， 但是我國光熱資源主要分布在缺水的西部地區， 因此不可避免的會出現水資源短缺等問題。 超臨界CO2（以下簡稱S-CO2）的布雷頓循環正好為其提供了一種途徑， S-CO2布雷頓循環利用超臨界CO2作為工質， 發電循環為閉式布雷頓循環， 整個系統不需水資源。 并且其具有較高的熱電轉換效率， 對太陽能熱發電極具吸引力。 它的工質無毒無害， 而其體積小效率高的優勢， 有取代傳統蒸汽輪機的趨勢。 光熱電站如采取S-CO2布雷頓循環替代水蒸氣朗肯循環，能夠最大化發揮光熱發電的優勢。

本文基于常規50 MW 光熱電站邊界條件， 對光熱電站采用的S-CO2布雷頓循環進行循環分析和參數優化論證。

1 S-CO2 布雷頓循環研究現狀

S-CO2循環發電技術于上世紀60 年代由Angelino[2]和Feher[3]率先提出， 但當時由于工業技術和高性能換熱器的限制而沒有發展起來。 21 世紀初， 由于發展新一代核電的需要， S-CO2作為高溫氣冷堆的備選介質受到普遍關注， 其應用研究已經從核電領域擴展到了化石發電廠、 船舶推進系統、 聚光太陽能、 燃料電池、 工業余熱回收等其他領域。

目前， 至少有美國、 日本、 法國、 韓國等13個國家的實驗室和研究所開展S-CO2相關技術研究[4-8]， 并取得了大量有指導意義的研究成果。

國內相關機構[9-12]也逐漸開始了這方面的研究。2018 年2 月， 由中國科學院工程熱物理研究所研制的國內首臺MW 級超臨界二氧化碳壓縮機， 成功交付工程熱物理研究所衡水基地； 2018 年6 月15 日， 首航節能與法國電力在北京舉行S-CO2循環光熱發電技術研發項目啟動儀式； 2018 年9 月21 日， 我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺在衡水基地正式建成； 2018 年11 月， 我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗測試平臺” 在中國科學院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成[13]。 S-CO2布雷頓循環在國內火速發展， 已經逐步開始從實驗成果走向商業應用。

2 循環系統簡介

目前， 國內外主流的S-CO2布雷頓循環包括：簡單布雷頓循環， 再壓縮布雷頓循環和間冷再壓縮式布雷頓循環等。

2.1 簡單布雷頓循環

簡單布雷頓循環是S-CO2循環的基礎， 系統主要部件包括熱源、 透平及發電機組、 壓縮機、 冷凝器、 回熱器等， 系統簡單但整體循環效率相對較低。 簡單S-CO2布雷頓循環具有結構簡單、 設備體積小及投入成本低等優勢， 但是在循環過程中， 可能會發生回熱器“夾點” 問題[4]。 導致回熱性能惡化， 從而降低簡單循環效率。

簡單布雷頓循環示意圖如圖2 所示。

圖2 簡單S-CO2 布雷頓循環系統圖

2.2 再壓縮式布雷頓循環

為避免上述“夾點” 問題發生， MIT 在簡單循環的基礎上提出S-CO2再壓縮式布雷頓循環[6]，在循環中分別設置高溫和低溫回熱器， 并增加再壓壓縮機方案， 以解決回熱器“夾點” 問題。 同時， 此方案減小了冷卻器帶走的熱量， 使得循環效率提高。

再壓縮式布雷頓循環示意圖如圖3 所示。

圖3 再壓縮式S-CO2 布雷頓循環系統圖

2.3 間冷再壓縮式布雷頓循環

壓氣機是閉式布雷頓循環中最主要的耗功單元， 如能降低壓氣機耗功將大大提高循環效率。為此， 在再壓縮式布雷頓循環的基礎上發展了間冷再壓縮式布雷頓循環。 與普通再壓縮式布雷頓循環相比， 增加一臺預壓縮機， 并在主壓縮機及預壓縮機設置一臺間冷器。 間冷器可有效減少主壓縮機耗功， 從而增加系統凈出力， 提高S-CO2發電系統效率。

間冷再壓縮式布雷頓循環示意圖如圖4 所示。

圖4 間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環系統圖

2.4 循環系統計算與優化

根據目前50 MW 等級光熱電站實際運行參數， 選取S-CO2透平進口參數為20 MPa/550 ℃，主壓縮機入口壓力≥7.7 MPa， 入口溫度35 ℃，為了便于控制， 所有壓氣機均采用電動機驅動。同時， 每經過一個換熱器設備， 按壓損0.1 MPa考慮， 換熱器“夾點” 端差為10 ℃。 透平效率取90%， 壓縮機效率取85%， 發電機效率取98.5%，電動機效率取97%。 分別計算3 種S-CO2布雷頓循環， 計算結果匯總見表1。

表1 3 種S-CO2 循環計算匯總表

根據計算結果可以看出， 簡單布雷頓循環系統簡單， 但效率不高； 間冷式再壓縮循環系統雖復雜， 但效率比其他循環明顯提高， 且收益可觀。實際上， 光熱電站投資主要費用集中在集熱島和儲熱島， 動力島部分相對投資較小， 動力循環效率的提升意味著如果發出同樣功率的電力， 所需的熱源熱量更少。 因此， 采用間冷再壓縮式循環，雖然系統成本會增加， 但集熱島和儲熱島的投資將會減小， 遠大于動力島系統增加的投資。 同時冷源需帶走的熱量也在減少， 因此冷源投資也會減小。

基于以上分析， 選取間冷式再壓縮循環作為研究對象， 對循環系統參數進行優化論證。

3 循環系統參數優化論證

3.1 循環參數對循環效率影響

上文對不同循環系統進行了分析及初步核算，并選取了間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統作為最終的研究對象， 下面對此循環進行循環參數的優化選取。

圖5 所示為間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環效率隨壓氣機入口溫度、 透平入口溫度、 透平入口壓力、 透平出口壓力變化的曲線。 壓氣機入口壓力與透平出口壓力為對應關系， 不需單獨計算。

圖5 間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環系統參數優化

由圖5 可知：

（1）循環效率隨主壓縮機入口溫度的升高逐漸降低。 這是因為隨著主壓縮機入口溫度的升高，主壓縮機功率增大， 透平輸出功率變化不大， 循環輸出凈功率減小， 工質吸熱功率也減少， 但其減幅較循環輸出凈功率更大， 導致循環效率下降。

（2）隨著透平入口溫度的升高， 循環效率近似線性提高， 壓縮機總功率逐漸減小， 透平輸出功率逐漸增大。 因此循環輸出凈功率逐漸增大， 其增幅與工質吸熱功率的增幅相差不大.這使得循環效率逐漸提高。

（3）隨著透平入口壓力的升高， 循環效率逐漸提高， 但透平入口壓力越高， 循環效率提高的幅度越小。

（4）透平排氣壓力存在一個效率最優點， 且對于不同初參數， 對應的效率最優點不同， 排氣壓力最優點一般是使得壓氣機入口壓力略高于臨界壓力。

3.2 透平入口參數優化

表2 循環參數優化計算匯總表

3.3 系統再熱優化

以上結果均基于非再熱布雷頓循環系統， 參考朗肯循環， 系統設置再熱后相較非再熱循環效率明顯提升。 因此， 在非再熱間冷再壓縮式SCO2布雷頓循環系統基礎上， 增加一次再熱并對系統效率進行尋優， 原則性熱力系統圖如圖6 所示。

圖6 再熱間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環系統

圖7 所示為3 種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環效率隨再熱壓力變化的曲線。 可以看出， 再熱壓力存在最佳點使得循環效率最高， 因此將再熱壓力均選在最佳點， 計算結果匯總見表3。

圖7 3 種間冷再壓縮式S-CO2 布雷頓循環效率隨再熱壓力變化的曲線

透平入口溫度對循環效率影響較大， 考慮到光熱電站實際情況， 基準方案透平入口溫度為550℃，高效率方案透平入口溫度為620 ℃， 透平入口壓力分別為20 MPa 和25 MPa， 壓氣機入口溫度越低越有利于循環效率， 但工質在接近臨界溫度（31.1 ℃） 時， 物性變化劇烈， 同時由于局部冷卻可能在壓氣機中發生冷凝， 因此壓氣機入口溫度均選為35 ℃， 避免出現不利影響， 透平排氣壓力根據系統參數進行優化。 經過計算， 間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環系統參數優化結果匯總見表2。

表3 循環再熱后計算匯總表

由表3 計算結果可知， 一次再熱比無再熱循環效率能夠再提高1.3%左右。 二次再熱相比一次再熱系統效率提升已經不明顯， 更多次再熱時循環效率甚至變低， 這是由于換熱器和管道壓損的存在， 多次再熱的收益甚至不足以彌補壓損造成的損失。 而且隨著再熱次數增加， 系統復雜程度增加、 可靠性降低、 流動阻力增大。 因此工程應用時， 再熱循環推薦采用一次再熱方案。

4 結論

S-CO2簡單循環系統簡單， 但效率不高； 間冷式再壓縮循環系統雖較為復雜， 但效率相比其他循環有明顯提高， 且收益可觀。 綜合考慮效率與系統投資成本， 光熱電站如采用S-CO2布雷頓循環推薦采用間冷式再壓縮循環；

S-CO2循環參數對循環效率有較大影響， 尤其是透平入口溫度及壓氣機入口溫度與循環效率近乎是線性關系。 因此， 降低壓氣機入口溫度、提高透平入口溫度有利于循環效率的提升；

透平入口壓力的提高也能一定程度上提高循環效率， 但系統壓力的提高對循環系統及部件的要求大大提高， 增加了壓氣機、 換熱器及相關部件的設計難度和制造成本。 因此， 透平入口壓力不宜過高。

再熱對S-CO2布雷頓循環效率也有較為可觀的提升。 一次再熱以后系統循環效率相比無再熱時有1.3%左右的提升， 兩次再熱及以上時， 效率提升不明顯， 且會大大增加系統復雜程度， 因此，如系統采用再熱式S-CO2布雷頓循環， 推薦采用一次再熱方案。