Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統的熱力學分析

李博,王順森,宋立明

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

近年來,CO2過量排放導致的全球變暖現象日益明顯,由此引發的生態問題和環保問題給人類的可持續發展帶來嚴峻挑戰[1]。采用化石燃料燃燒發電所導致的碳排放是CO2的重要來源之一。為了實現我國碳達峰和碳中和的規劃目標,低碳發電技術將是未來先進發電技術的發展方向和熱門領域。富氧燃燒是一種非常具有前景的清潔發電技術[2],其基本原理是用高濃度氧氣代替空氣作為燃燒反應的氧化劑,既去除了氮氣的存在,減少有害氣體排放,同時使得燃燒產物中CO2的富集程度大大提升,從而降低碳捕集的功耗。經過幾十年的相關研究,科研工作者基于富氧燃燒的原理提出了許多不同形式的發電系統。國際能源署溫室氣體課題組對幾種典型的富氧燃燒系統進行了熱力學分析和對比,其結果表明,相比于其他循環結構,Allam循環的熱效率和經濟性具有明顯優勢[3]。Allam循環是由NET Power公司的工程師Allam首先提出的,根據理論計算結果,Allam循環可以在完全碳捕集的情況下實現較高的熱效率[4]。目前,50 MW級別的Allam循環示范電站已在美國得克薩斯州完成建設并實際運行[5]。

由于Allam循環良好的熱力學性能和環保特性,相關領域的研究如火如荼。Scaccabarozzi等人對以天然氣為燃料的Allam循環進行了熱力學分析和數值優化,揭示了透平進出口參數和回熱效率對系統性能的影響[6]。Zhao等對一種Allam循環與煤氣化過程相結合的系統進行了參數分析,指出當透平入口溫度為1 200 ℃時,系統效率可達38.87%[7];隨后他們將空分裝置壓縮過程余熱、合成氣余熱和氧氣壓縮機余熱等引入Allam循環回熱器中,解決了由于CO2物性劇烈變化導致的夾點問題,并成功地將系統效率提高到43.7%[8]。Zhu等通過提高透平排氣壓力使得CO2可以被冷凝為液態,進而用泵替代壓縮機實現壓縮過程,降低了系統的復雜度,改善了系統的調峰性能[9]。Mitchell等利用液氧儲存,大大改善了Allam循環的運行靈活性,并提高了系統的峰值功率[10]。Fernandes等利用動態矩陣法對Allam循環進行控制,有效地提高了CO2純度和系統輸出功率[11]。Chan等對再熱Allam循環進行了熱力學分析和優化,發現相比于經典Allam循環,再熱循環的效率減小了5個百分點,但系統的比功是原來的2.2倍[12]。章建徽等對Allam循環性能及其燃燒特性的相關研究進行了總結,指出了我國發展Allam循環的主要問題和有效路徑[13]。

經典Allam循環采用天然氣作為燃料,而液化天然氣(LNG)是存儲、運輸和供給天然氣的重要形式。因為LNG的溫度很低,其低溫能量回收利用問題一直是研究熱點[14]。一種常見的利用LNG的方式是將LNG直接作為動力循環冷源,從而增大冷熱源溫差,提高循環效率[15]。Ahmadi等對一種以太陽能為熱源且以LNG為冷源的跨臨界CO2系統進行了熱經濟性分析,指出冷源溫度對系統性能影響很大[16]。Cha等提出了一種以液化天然氣站為冷源的CO2循環余熱回收系統,其計算結果表明,LNG的利用使得系統效率提高了9.2%[17]。除了直接將LNG作為動力循環的冷源之外,還可以采用串級系統,通過底循環的方式間接利用LNG的冷量。吳毅等人提出了一種超臨界CO2-跨臨界CO2循環聯產系統,其中跨臨界循環以超臨界循環余熱為熱源,以LNG為冷源,系統設計效率可達54.47%[18]。類似地,Cao等提出用超臨界CO2-跨臨界CO2循環串級系統回收燃氣輪機煙氣熱量,其中跨臨界CO2循環作為超臨界CO2循環的底循環,以充分利用LNG的冷能[19]。Sadreddini等提出一種由有機朗肯循環-跨臨界CO2循環組成的發電系統,指出單級動力循環難以有效回收LNG的冷能,而底循環的使用可以大大減小冷凝器中的換熱溫差,提高系統效率[20]。

由以上可知,采用串級系統以LNG為冷能是一種常見且有效的方式。文獻[6,8,10]都指出,對于Allam循環而言,CO2物性變化導致的回熱器夾點問題是影響其系統效率的關鍵問題。串級系統的使用,可以在實現LNG冷能充分利用的同時,又不會導致回熱過程的惡化。而跨臨界CO2循環由于其優異的熱力學性能和結構緊湊性而被選作底循環。本文提出一種基于液化天然氣站的Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統,以實現能量的高效轉化和清潔利用。本文對系統中所涉及的主要設備進行了建模,并分析了主要熱力學參數對系統性能的影響。本系統不僅可以實現碳捕集,而且能夠滿足不同的負荷條件,具有良好的工程前景。

1 系統描述

1.1 循環流程

本文所提出的Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統的結構如圖1所示。其中Allam循環為頂循環,跨臨界CO2循環為底循環,二者通過底循環加熱器耦合。天然氣燃料(LNG6)與氧化劑物流14在燃燒室中進行燃燒反應,一股CO2循環物流13作為燃燒室冷卻劑。反應產物進入透平膨脹做功,因為燃燒室反應產物1的溫度遠高于葉片材料的耐受溫度,所以需要另一股CO2循環物流12作為冷卻劑給透平降溫。透平排氣進入回熱器預熱循環物流,同時空分裝置中的壓縮空氣也進入回熱器放熱。燃燒產物中的水蒸氣在冷凝器中冷凝為液體并排除,得到高純度的CO2。之后,部分CO2被捕集并儲存,部分CO2被壓縮到更高壓力,充當循環物流。循環物流5首先被壓縮到超臨界狀態,本文中壓縮機1出口壓力固定為8 MPa。超臨界工質對底循環放熱,同時使自身冷卻。經泵1初步壓縮后,CO2循環物流再次被分為兩部分,一部分與氧氣混合作為燃燒反應的氧化劑,另一部分作為燃燒室和透平的冷卻劑。氧化劑和冷卻劑被進一步壓縮,進入到回熱器中加熱,完成頂層的Allam循環。

圖1 Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統流程圖Fig.1 A flowchart of the proposed combined cooling and power system

在底層的跨臨界CO2循環中,CO2被液化天然氣冷凝,而后經過泵壓縮,進入底循環加熱器吸收Allam循環余熱,轉化為高溫高壓狀態。之后CO2在透平2中膨脹,乏汽進入冷凝器中被LNG冷凝。有兩股液化天然氣進入冷凝器中,其中一股天然氣(LNG1～3)進入管道輸送給用戶,另一股(LNG4～6)作為燃料進入Allam循環燃燒室燃燒。本文中,燃燒室燃料的流量為1 kg/s,輸送給用戶的天然氣流量為30 kg/s。

1.2 設備模型

Allam循環中透平進口溫度一般高于1 000 ℃,遠遠超過葉片材料的耐受溫度(本文中取葉片材料耐受溫度為860 ℃)。為保證透平的正常運行,需要引入低溫工質對透平葉片進行冷卻。因此,本文建立了透平冷卻模型來模擬Allam循環中透平的運行情況。在透平冷卻模型中,膨脹過程被分為N+1個子過程,在前N個子過程中,透平先進行膨脹再與冷卻物流混合,且假設其壓比相同,最后一個子過程僅進行膨脹。具體計算公式見文獻[6]。顯然,需要對前N級膨脹過程的壓比進行迭代來滿足第N+1級膨脹過程進口溫度為860 ℃。

Allam循環中的回熱器是多股流換熱器,同時有多種流體進行換熱過程。為了準確地描述其復雜的換熱過程,采用分段法確定換熱過程的夾點和換熱器效率[21]。冷熱流體按流動方向可分為許多小區間,在每個區間內流體物性設為定值,而且冷熱流體溫差不得小于所允許的最小換熱溫差。在本文中,回熱器的最小換熱溫差設為5 ℃。此外,考慮到回熱器高溫區間的換熱性能和材料特性,回熱器上端差設為20 ℃[6]。

燃燒室運行參數可由物料平衡和能量平衡導出。其中燃燒室出口溫度,即透平進口溫度,通過控制冷卻物流13的流量來進行調節。

空分裝置(ASU)在本文中采用黑箱模型,不考慮內部的具體結構。空氣分離裝置采用絕熱壓縮,可以提供壓力為12 MPa的氧氣,功耗為1 391 kJ/kg[6]。

跨臨界CO2循環的透平性能可以用透平膨脹的等熵效率表征

(1)

同理,壓縮機和泵的性能可用壓縮效率表示為

(2)

式中:ηtur為透平等熵效率;hin、hout分別為進、出口焓;hout,s為等熵出口焓;ηcom、ηp分別為壓縮機、泵的等熵效率。

頂循環(Allam循環)的輸出功率為

Wnet,Allam=Wtur1-Wcom1-Wcom2-Wp1-

Wp2-WASU-Wp5

(3)

式中:Wnet,Allam為Allam循環的凈輸出功率;Wtur1為透平1輸出功率;Wcom1、Wcom2為壓縮機1和壓縮機2消耗的功率;Wp1、Wp2、Wp5為泵1、泵2和泵5消耗的功率;WASU為空氣分離裝置消耗的功率。

底循環(跨臨界CO2循環)的輸出功率為

Wnet,tCO2=Wtur2-Wp3-Wp4

(4)

冷電聯產系統的輸出功率為

Wnet=Wnet,Allam+Wnet,tCO2

(5)

冷電聯產系統的制冷量為

Qc=m001(h001-h002)

(6)

式中:m001、h001、h002分別是向用戶供冷的循環水流量、回水焓和供水焓。

1.3 模型驗證

為確保文中所建立模型的準確性,需要將仿真結果與已有文獻中的數據進行對比。因為目前尚鮮見關于Allam循環-跨臨界CO2循環聯合循環的實驗研究或仿真模擬,所以,本文分別對Allam循環和跨臨界CO2循環進行模型驗證,對比結果分別列于表1和表2。可以看出,系統主要指標的相對誤差均在可接受范圍內,從而證明了模型的準確性。

表1 Allam循環模型驗證結果Table 1 Validation of Allam cycle model

表2 跨臨界CO2循環模型驗證結果Table 2 Validation of transcritical CO2 cycle model

2 結果與討論

首先給出了聯合循環在設計工況下的性能,通過分析本文所提出的冷電聯產系統在設計工況下的運行情況,從不同角度揭示其性能優勢。然后,探究了典型熱力學參數對聯合循環性能的影響,為實際工程設計提供參考。聯合循環設計參數如表3所示,各設備壓力損失系數如表4所示。

表3 聯合循環設計參數表[6,23-24]Table 3 Design parameters of the cogeneration system

表4 聯合循環壓力損失表[12]Table 4 Pressure loss of the cogeneration system[12] %

2.1 設計性能分析

本文所提出的Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統在設計工況下的性能如表5所示。

表5 冷電聯產系統設計性能Table 5 Design performance of the cogeneration system MW

從基本原理上講,跨臨界CO2循環以Allam循環壓縮過程余熱為熱源,以液化天然氣為冷源,起到了回收余熱和冷能的作用,顯然會使得系統的凈輸出功率增加。計算結果表明,頂循環的凈輸出功率為23.48 MW,底循環的凈輸出功率為2.24 MW,聯合循環的凈輸出功率為25.72 MW。采用跨臨界CO2循環作為底循環的布置使得系統凈輸出功率提高了9.54%,而且可以對外供應5.15 MW的制冷量。同時,由于Allam循環的循環物流被底循環冷卻,因此所需冷卻水的量也有所減少。

2.2 參數分析

頂循環透平進口溫度對聯合循環功率的影響見圖2。當頂循環透平進口溫度增高時,頂循環的凈輸出功率先增大后減小,而底循環的凈輸出功率略微增大。隨著透平進口溫度的增高,單位工質在透平中膨脹的比功會增大。同時,燃燒室出口溫度增高,則所需的冷卻物流13的流量減小,導致透平進口流量減小。透平進口溫度增高還會導致透平冷卻物流12的流量增大,透平中由于不等溫混合過程導致的可用能損失增大。因此,隨著透平進口溫度的升高,透平輸出功率先增大后減小。從整體上看,透平冷卻物流12流量的增大與燃燒室冷卻物流13流量的減小相比而言,其變化更為劇烈,因此,聯合循環物流的流量略微增大,頂循環壓縮過程的功耗也是有所增大的。綜合以上變化趨勢,頂循環凈輸出功率先增大后減小。

圖2 系統性能隨頂循環透平進口溫度的變化Fig.2 Variation of the system performance with inlet temperature of the top-cycle turbine

如前所述,循環物流6的流量有所增大,而其溫度和壓力并沒有變化,因此,頂循環向底循環釋放的余熱會增大,底循環的輸出功率也會增大。與此同時,底循環冷凝過程需要的冷量也有所上升,而液化天然氣所提供的總冷量不變,因此冷電聯產系統的制冷量隨頂循環透平入口溫度的增高而減小。綜合頂底循環輸出功率的變化趨勢,當頂循環透平入口溫度增高時,聯產系統總輸出功率先增大后減小,大約在1 130 ℃時取到極值。

圖3給出了頂循環透平出口壓力對頂循環和底循環輸出功率的影響。如圖所示,當頂循環透平出口壓力從3 MPa增大到5 MPa時,頂循環的凈輸出功率呈現先增大后減小的變化趨勢,而跨臨界CO2底循環的輸出功率持續減小。隨著頂循環透平出口壓力的增高,單位工質在透平中的膨脹做功減小,但透平出口氣流溫度增高,進而使得回熱器冷側的循環物流出口溫度也增高。因此,燃燒室冷卻物流的溫度和流量增大,進入透平做功的總流量增大。對于Allam循環的壓縮過程而言,盡管循環物流流量增大,但由于壓比的降低,總的壓縮功率隨透平出口壓力的增高而減小。整體而言,頂循環的凈輸出功率隨透平出口壓力的增高先增大后減小。

圖3 頂循環和底循環性能隨頂循環透平出口壓力的變化Fig.3 Variation of output power of top-cycle and bottom-cycle with the outlet pressure of the top-cycle

圖4給出了聯合循環總輸出功率和制冷量隨頂循環透平出口壓力的變化趨勢。由于壓縮機1出口壓力固定,因此當頂循環透平出口壓力增加時,壓縮機1的壓比減小,其出口溫度降低,余熱的總量和品位都有所下降,底循環透平膨脹功大大減小,最終底循環的凈輸出功率隨頂循環透平出口壓力的增高而減小。頂循環余熱的減少使得底循環冷凝過程消耗的冷量減小,因此聯產系統制冷量增大。綜合頂、底循環輸出功率的變化,聯合循環總輸出功率先增大后減小,當頂循環透平出口壓力在3.5 MPa左右時取得最大值。

圖4 聯產系統性能隨頂循環透平出口壓力的變化Fig.4 Variation of the cogeneration system performance with the outlet pressure of the top-cycle turbine

圖5給出了底循環透平出口壓力對聯合循環系統性能的影響。可以看出,跨臨界CO2循環凈輸出功率隨底循環透平出口壓力的增高而減小。顯然,透平出口壓力越高,底循環壓比越小,透平輸出功率也會減小。盡管泵的功率略有減小,但變化幅度相對較小,所以底循環凈功率仍然減小。由于底循環吸熱量不變,輸出功率減小,根據能量守恒定律,其冷凝過程所需熱量增大,所以聯產系統輸出的制冷量也同步減小。可以得出結論,底循環透平出口壓力的增高會使聯合循環性能明顯惡化。這主要是因為當底循環透平出口壓力過高時,冷凝器冷凝過程的平均換熱溫差會明顯增大,可用能損失也明顯增大。此外,頂循環的輸出功率顯然不受底循環的影響,聯合循環的總輸出功率的變化趨勢和底循環是一致的。這兩個指標的變化趨勢未繪于圖中,此處不予討論。

圖5 底循環透平出口壓力對系統性能的影響Fig.5 Influence of outlet pressure of the bottom-cycle turbine on the system performance

圖6為輸送給用戶的液化天然氣流量對系統性能的影響。如圖所示,在液化天然氣流量大約為27 kg/s時,底循環輸出功率和制冷量的變化曲線發生明顯轉折。這是因為當天然氣流量高于此臨界值時,底循環可以完全吸收Allam循環余熱,底循環的工質流量和輸出功率受制于頂循環余熱的數量。這種情況下,過多的液化天然氣冷能只能全部作為制冷量輸出,底循環的凈功率不會增大,反而因為天然氣壓縮泵功的增大而略微減小。當液化天然氣流量小于臨界值時,底循環不能充分利用余熱,需要在頂循環增加冷卻器,用冷卻水進一步將壓縮機出口物流冷卻到預設溫度。底循環的工質流量和輸出功率受制于液化天然氣的流量。因此,當天然氣流量較小時,底循環輸出功率隨天然氣流量的增大而迅速增大。同時,由于液化天然氣的大部分冷量都用于冷凝CO2,因此此時制冷量的增加速度較為平緩。

圖6 天然氣流量對系統性能的影響Fig.6 Influence of the mass flow rate of LNG on the system performance

本文所提出的冷電聯合循環遵循模塊化設計思想,頂循環和底循環容量可以根據實際的工程要求來選取。當向用戶輸送的天然氣較少時,可以啟用備用的冷卻器保持頂循環運行狀態不變;當向用戶輸送的天然氣較多時,可以進一步利用回熱器余熱作為底循環熱源,以充分利用天然氣冷能。綜上所述,本文所提出的冷電聯產系統可以滿足各種實際的設計條件,具有良好的工程前景。

3 結 論

本文提出了一種基于液化天然氣站的Allam循環-跨臨界CO2循環冷電聯產系統,對主要設備建立了詳細的數學模型。通過仿真計算,分析了聯合循環在設計點的性能,并進一步對系統進行了參數分析,討論了主要熱力學參數對系統性能的影響,主要結論如下。

(1)跨臨界CO2循環利用了頂層Allam循環的余熱和液化天然氣的冷能,在設計工況下,聯合循環的凈輸出功率比單獨的Allam循環增大了9.54%,而且還可以輸出制冷量5.15 MW。

(2)當頂循環透平入口溫度或頂循環透平出口壓力增高時,聯合循環總輸出功率先增大后降小。聯產系統的制冷量隨頂循環透平入口溫度的升高而減小,隨頂循環透平出口壓力的增高而增大。

(3)底循環透平出口壓力增高時,底循環冷凝過程換熱不可逆性大大增加,底循環輸出功率和聯產系統制冷量都有明顯減小。

(4)本文所提出的聯合循環中頂循環和底循環具有模塊化設計的特點,可以根據實際工程的需求調節頂循環和底循環的容量和參數,同時可以實現碳捕集,具有良好的工程前景。