低溫場景超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)研究

鄭開云

（上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司，上海市 閔行區(qū) 200240）

0 引言

近年來，隨著風力和光伏發(fā)電成本的不斷下降，可再生能源發(fā)電的裝機容量快速增大，并且不斷壓縮煤電的份額。但我國煤炭儲量豐富，風光資源相對有限的能源稟賦決定了煤電仍將長期占據(jù)主力能源地位，并在保障我國的能源安全方面發(fā)揮重要作用。煤電在繼續(xù)發(fā)揮作用的同時，如何實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展成為當前能源轉型的關鍵點，而提高燃煤發(fā)電機組的效率始終是最重要的實現(xiàn)路徑之一[1]。

目前，高效發(fā)電機組的代表是620～630 ℃溫度等級的二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機組，全廠凈效率為46%～47%，正在建設中的最先進的高低位布置的機組，預期全廠凈效率可達49%[2]。通過進一步提高超超臨界機組參數(shù)至700 ℃溫度等級，受到高溫材料技術及設備制造成本的限制，很難走向實際應用，所以行業(yè)內(nèi)轉而探索新型的超臨界CO2循環(huán)熱力發(fā)電技術[3-5]。

Mounir 等[6]提出，初參數(shù)620 ℃/30 MPa 的1 000 MW二次再熱超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機組的循環(huán)熱效率為52.4%，全廠凈效率為47.8%。Bai 等[7]提出，初參數(shù)620 ℃/32 MPa 的300 MW一次再熱超臨界CO2循環(huán)熱效率為50.03%，設計的鍋爐熱效率為94%～95%，考慮廠用電及其他因素，預計全廠凈效率約45%。Sun 等[8]提出，初參數(shù)620 ℃/32 MPa 的1 000 MW 二次再熱超臨界CO2循環(huán)熱效率為51.08%，全廠凈效率為47.04%。以上文獻結論表明超臨界CO2循環(huán)的熱效率高，但是與燃煤鍋爐組成的發(fā)電機組的理論效率并沒有顯著高于現(xiàn)有的超超臨界汽輪機組，并且還稍低于高效二次再熱超超臨界機組。主要原因是超臨界CO2循環(huán)壓比小、回熱溫度高，導致從熱源吸熱的溫度區(qū)間窄，與燃煤鍋爐的加熱溫度區(qū)間不能很好地匹配。針對這一問題，可采取分流工質(zhì)冷卻煙氣、預壓縮、提高壓力等措施來解決，但效果有限[9]。因此，對于常規(guī)的應用場景，超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機組的高效率優(yōu)勢無法得到體現(xiàn)。根據(jù)CO2的物性，它的凝結溫度低，理論上可以在低至-50 ℃條件下工作。因此，對于具備低溫條件的應用場景，如高緯度地區(qū)，可以通過降低熱力循環(huán)的終溫來提高循環(huán)熱效率、擴大壓比、增大吸熱溫度區(qū)間，從而更好地匹配鍋爐加熱溫度區(qū)間。

本文結合我國北方地區(qū)的氣候特點，構建適合于冬、春季節(jié)低溫環(huán)境下的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)，對其發(fā)電效率加以估算，并對經(jīng)濟和社會效益進行初步探討。

1 低溫場景分析

低溫環(huán)境對于熱力發(fā)電是有利的，可以降低汽輪機低壓缸的排汽壓力，提升機組熱力性能。但是，會增大蒸汽濕度，汽輪機相對效率下降，并且需要更長的末級葉片，增加汽輪機排汽口尺寸和數(shù)量，使汽輪機低壓部分復雜化，所以汽輪發(fā)電機組的終溫不宜過低[10]。超臨界CO2循環(huán)可以在極低的終溫下運行，獲得更高的循環(huán)效率，由于循環(huán)壓比仍然較小，不會使透平排氣口尺寸過大，也沒有濕蒸汽的問題。因此，尋找適用的低溫場景，可以發(fā)揮超臨界CO2循環(huán)的優(yōu)勢。

從我國的地理和氣溫特點來看，北方地區(qū)冬、春季氣溫低，特別是東北和北疆等高緯度地區(qū)氣溫處于0 ℃下的時間可達4 個月以上。考慮到最好在燃煤電廠廠址附近有煤炭資源，則蒙東和北疆煤炭基地的區(qū)位優(yōu)勢最為突出。蒙東地區(qū)冬、春季極其嚴寒，以呼倫貝爾為例，從11月中旬至第二年的2 月中旬，長達近3 個月的最高氣溫在-10 ℃以下，極端氣溫可達-50 ℃；北疆也有類似氣候條件。因此，在蒙東和北疆地區(qū)的低溫天氣，可以為超臨界CO2循環(huán)提供非常優(yōu)越的低溫冷端條件，可將工質(zhì)冷卻至15 ℃以下。

2 發(fā)電效率估算

超臨界CO2循環(huán)采用分流再壓縮方式，其循環(huán)效率高。圖1給出了分流再壓縮超臨界CO2循環(huán)的基本流程，以主泵入口為起點，工質(zhì)經(jīng)主泵壓縮增壓，通過低溫回熱器，與分流壓縮機出來的工質(zhì)匯合，經(jīng)高溫回熱器，進入鍋爐吸收熱量，通過透平膨脹做功推動發(fā)電機轉換為電能。透平排出工質(zhì)經(jīng)高溫回熱器和低溫回熱器，一股分流進入分流壓縮機增壓，另一股進入冷卻器冷卻后再回到主泵入口。

圖1 分流再壓縮超臨界CO2循環(huán)流程Fig.1 Process of splitting-recompression supercritical CO2 cycle

考慮到超臨界CO2循環(huán)與鍋爐加熱溫度區(qū)間的合理匹配，鍋爐進氣溫度不宜過高，所以循環(huán)沒有采用再熱。這樣，循環(huán)系統(tǒng)簡化，設備較少，非常適合運用透平高位布置方法來縮減高溫高壓主管道長度，并降低管道阻力損失。

循環(huán)熱力學計算中選取終溫，即主泵入口溫度為3～15 ℃的工況，主泵入口壓力略高于所對應的飽和壓力，且設定低溫回熱器高壓側出口溫度與分流壓縮機出口溫度相等，循環(huán)系統(tǒng)的其他給定參數(shù)如表1 所示，鍋爐效率、管道效率、機械效率、發(fā)電機效率和廠用電率均參考大型超超臨界汽輪發(fā)電機組[2]。

表1 超臨界CO2循環(huán)參數(shù)Tab.1 Parameters for supercritical CO2 cycle

主泵、分流壓縮機內(nèi)的壓縮過程以及透平內(nèi)的膨脹做功過程均視為絕熱過程，等熵效率分別用ηc和ηt表示。

壓縮過程的等熵效率為

式中：ht，in、ht，out分別為實際透平入口和出口工質(zhì)焓值；ht，out，is為等熵情況下透平出口工質(zhì)焓值。

采用美國國家標準與技術研究所(NIST)發(fā)布的REFPROP物性數(shù)據(jù)庫，根據(jù)能量守恒，可求得穩(wěn)態(tài)時循環(huán)回路各設備入口和出口工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)值，以及進入分流壓縮機的分流量比例[11]。

循環(huán)達到穩(wěn)態(tài)時的熱效率η可表示為

式中：Wt為透平功率；Wp為主泵功耗；Wc為分流壓縮機功耗；Q為工質(zhì)從鍋爐吸收的熱量。

全廠凈效率ηnet可表示為

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；ηm為機械效率；ηg為發(fā)電機效率；ξap為廠用電率。

“家長用超標電動車，學校或扣孩子道德分”，不久前，山東菏澤某學校這一規(guī)定引發(fā)網(wǎng)友熱議。事后當?shù)亟逃块T回應稱，拒絕此類做法，對學生不會有任何懲罰性措施。強行將父母騎超標電動車的行為與孩子捆綁在一起，既容易誤導孩子成長，更容易傷害孩子與父母之間的感情。誠然，開展超標電動車專項整治行動需要標本兼治，但政策實施不可無限擴大，把八竿子打不著的教育部門納入其中，甚至把孩子作為“尚方寶劍”，讓孩子充當整治超標電動車的“排頭兵”。教育部門職責非常明確，不要遇到什么事兒都和孩子“捆綁”。唯有如此，學校才能專心培養(yǎng)學生。從根本上講，也更有利于超標電動車的徹底整治。

圖2 給出了鍋爐進氣溫度與主泵入口溫度的關系，由圖2 可見，鍋爐進氣溫度隨著主泵入口溫度遞增，當主泵入口溫度≤9 ℃時，鍋爐進氣溫度低于355 ℃，可與鍋爐加熱溫度區(qū)間較好匹配。當主泵入口溫度＞9 ℃時，如有必要，可以通過從高溫回熱器高壓側中間或出口抽取少量工質(zhì)，進一步冷卻鍋爐尾部排煙[11]。

圖2 鍋爐進氣溫度與主泵入口溫度的關系Fig.2 Relationship between the inlet temperatures of boiler and main pump

圖3 給出了循環(huán)熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關系，由圖3 可見，效率隨著主泵入口溫度遞減，且主泵入口溫度每升高2 ℃，效率降低0.002～0.003。主泵入口溫度在9 ℃以下時，循環(huán)熱效率在53.5%以上，全廠凈效率達到48%以上，高于現(xiàn)有的二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機組1%～2%。

圖3 循環(huán)熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關系Fig.3 Relationship between thermal efficiency,net plant efficiency and main pump inlet temperature

將主泵入口溫度為9 ℃的工況作為最佳工況，循環(huán)的熱力學狀態(tài)如圖4 所示，其中分流比為0.38。由圖4可見，在低溫下，主泵入口的二氧化碳工質(zhì)為液態(tài)，主泵做功減小，有利于提高循環(huán)的熱效率。在適合的低溫條件應用場景，如蒙東、北疆地區(qū)的冬春季節(jié)，上述工況的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機組非常適合。

圖4 主泵入口溫度為9 ℃工況的溫熵圖Fig.4 T-s diagram for the case with the inlet temperature of main pump of 9 ℃

3 經(jīng)濟和社會效益分析

超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)的設計選取低的終溫，那么在較高環(huán)境溫度條件下，機組無法通過自然冷卻而正常工作，可能需要停機，或者采取人工制冷手段來調(diào)節(jié)終溫，所以機組的高效運行具有季節(jié)性特點。從整個能源結構來看，水電、光伏等可再生能源發(fā)電也具有季節(jié)性波動特點，冬、春季時水電和光伏發(fā)電量大幅減少，此時又恰逢用電高峰，通過運行上述的超臨界CO2循環(huán)燃煤機組可以補充冬、春季的用電需求。如果機組可以在冬、春季節(jié)滿發(fā)運行4 個月以上，則年利用時間也可達2 880 h以上，雖低于全國火電平均利用時間(2019 年為4 293 h)，但高于四川、云南等水電資源豐富省份的火電利用時間。

對于有低溫條件且煤炭資源豐富的廠址區(qū)域，如蒙東、北疆地區(qū)，冬春季節(jié)氣溫低，且煤炭就地利用的價格便宜，電煤價格低于300元/t，僅為全國平均價格的60%。采用前文優(yōu)選的終溫為9 ℃工況的超臨界CO2循環(huán)燃煤機組，機組發(fā)電凈效率可達48%，對應的供電煤耗為256 g/(kW·h)。雖然超臨界CO2循環(huán)由于換熱器用量大，在機組造價上相比汽輪機組存在劣勢[2]，但其系統(tǒng)結構簡單，仍具有一定的降本空間，特別是用于低溫場景的循環(huán)布置，循環(huán)壓比大，回熱熱量較小，并且無需再熱，使機組更加簡化。超臨界CO2循環(huán)燃煤機組在發(fā)電效率上的突出優(yōu)勢，使其經(jīng)濟性得以保障。假設600 MW機組的年發(fā)電時間為2 880 h，按照供電煤耗比二次再熱超超臨界汽輪機組減少10 g/(kW·h)計算，每年可省煤17 280 t，節(jié)省費用約500萬元。同時，由于煤耗低，CO2和污染物排放減少，符合煤電清潔低碳的發(fā)展方向。

隨著西南水電資源開發(fā)殆盡，“西電東送”潛力上升有限，貴州、安徽等傳統(tǒng)電力外送基地自身煤炭資源開發(fā)程度較高，近年來電煤供應逐步趨緊，沒有進一步擴大外送的潛力，受多方面因素影響，自身電源發(fā)展?jié)摿τ邢蓿磥韺⒅饾u出現(xiàn)季節(jié)性缺口。因此，我國正在研究增加“北電南送”的電力新格局，通過跨省跨區(qū)的遠距離輸電通道傳送至京津冀、長三角等用電負荷大的地區(qū)。蒙東和北疆地區(qū)具備優(yōu)越的煤電發(fā)展條件，除現(xiàn)有的煤電供給方式以外，在冬、春季電力緊張時段，投入高效的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機組，借助“北電南送”通道向外供電，更有利于保障我國能源供應安全。

4 結論

結合我國北方地區(qū)的氣候特點，構建了適合于冬、春季節(jié)低溫環(huán)境下運行的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電系統(tǒng)，得出以下結論：

1）通過降低終溫、擴大循環(huán)壓比、降低工質(zhì)的回熱溫度，超臨界CO2循環(huán)可與燃煤鍋爐很好地結合，組成高效的燃煤發(fā)電機組。

2）考慮到氣溫和煤炭分布，我國北方煤炭基地(如蒙東、北疆)低溫季節(jié)長，可以構建高效的超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機組。

3）對于終溫9 ℃的工況，620 ℃/30 MPa 初參數(shù)的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機組可獲得48%的全廠凈發(fā)電效率，高于二次再熱超超臨界汽輪發(fā)電機組。

4）超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電可以補充可再生能源發(fā)電在冬、春季節(jié)的發(fā)電量缺口，通過“北電南送”實現(xiàn)北方煤炭資源的高效利用。