300 MW超臨界二氧化碳燃煤發電機組熱經濟性分析

白亞平, 楊伊琳, 李 鵬, 韓中合, 陳東旭, 郭董陽

(1.華北電力大學 河北省低碳高效發電技術重點實驗室,河北保定 071003;2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北保定 071003)

近年來,我國全力推進能源結構轉型,燃煤機組在電力結構中的比重逐年下降[1]。在當前技術條件下,傳統燃煤發電機組發電效率的提高已經受限,開發更加先進高效的熱力循環發電技術成為能源領域的重要課題[2],超臨界二氧化碳(SCO2)布雷頓循環受到廣泛關注[3-4]。與傳統蒸汽朗肯循環相比,在高主汽溫度下,SCO2循環的熱效率更高[5]。此外,CO2腐蝕率低,更易突破高溫材料的技術瓶頸[6]。綜上,將SCO2循環與燃煤發電系統相結合的前景較好。

熱力學評價[7]是一種最常見的熱力系統評價方法,通常以循環熱效率或效率作為評價指標。Li等[8]構建了300 MW的SCO2燃煤發電系統全局數值模型,并以熱效率為指標進行評價。Mohammadi等[9]以效率為評價指標,得到了SCO2燃煤發電系統的節能潛力及內部損分布。Thanganadar等[10]以熱效率為評價指標,對4種SCO2循環系統進行了對比分析,并將其與傳統蒸汽朗肯循環系統進行比較。趙峰等[11]研究了60 MW級SCO2分流再壓縮循環發電系統熱力學參數對熱效率和循環功率的影響,并進行了熱力學參數優化。陳瑋等[12]設計了50 MW級SCO2燃煤發電系統,研究了系統性能受透平入口參數的影響規律。左成藝等[13]研究了500 kW燃煤SCO2再壓縮發電系統內各循環參數對循環熱效率及分流系數的影響,并進行了參數優化。王兵兵等[14]分析了關鍵參數對預壓縮和再壓縮SCO2燃煤發電系統熱效率的影響,得出了最佳預壓縮壓力和循環壓比。

此外,經濟性能也是評價熱力系統的重要指標,通常以平準化度電成本(CLCOE)作為評價指標。Le Moullec[15]以投資成本和CLCOE為評價指標對SCO2燃煤電廠進行了分析評價,并進行了敏感性分析,研究表明系統成本變化受鍋爐成本影響顯著。Park等[16]基于CLCOE指標對SCO2燃煤發電系統的關鍵設備進行了評估。呂勇興等[17]分析了回熱器夾點溫差對SCO2再壓縮循環發電系統熱經濟性能的影響。王雪[18]構建了SCO2燃煤發電系統熱力學和經濟學計算模型,對系統進行了經濟性評價,并對關鍵經濟因素進行了敏感性分析。鄧成剛等[2]對50 MW再壓縮及再壓縮再熱SCO2燃煤發電系統進行了熱經濟性分析。

目前,研究人員大多采用單一指標對SCO2布雷頓循環系統進行評價和分析,關于多指標綜合評價和分析的研究較少[19]?；诖?筆者以300 MW級SCO2燃煤發電系統為研究對象,分別建立部分冷卻及部分冷卻再熱循環系統的熱經濟性模型,并采用Matlab軟件進行參數計算和分析。以循環熱效率、系統效率及平準化度電成本作為評價指標,分析2個系統在設計工況及不同參數下的熱經濟性能。

1 系統描述

1.1 系統結構

分別以部分冷卻SCO2循環、部分冷卻再熱SCO2循環為基礎,建立2個SCO2燃煤電廠系統模型,如圖1和圖2所示。

圖1 部分冷卻SCO2循環示意圖

圖2 部分冷卻再熱SCO2循環示意圖

1.2 系統假設

通過Matlab調用REFPROP函數來確定CO2物性參數,數據來源于REFPROP軟件調用NIST數據庫。為便于計算,進行以下假設:整個系統處于穩態,凈輸出功率為300 MW;環境溫度為25 ℃,環境壓力為0.101 MPa;冷卻水參數為 25 ℃/0.10 MPa,其壓降忽略不計;系統對外的散熱損失忽略不計,工質重力勢能、動能改變對系統的影響忽略不計,壓縮機、回熱器等設備間的管道壓損忽略不計;機組壽命為25 a,每年滿負荷運行7 500 h[20];各設備之間的管道成本忽略不計。

2 數學模型

2.1 能量分析模型

2.1.1 壓縮機和透平

基于假定的等熵效率計算工質出口參數[21]。壓縮機出口工質實際比焓hout,c為

(1)

式中:hin,c為壓縮機入口工質實際比焓,kJ/kg;hout0,c為壓縮機出口工質的理想比焓,kJ/kg;ηis,c為壓縮機等熵效率,%。

單位質量工質在主、再壓縮機內耗功wc1和wc2分別為

wc1=(1-x)(hout,c-hin,c)

(2)

wc2=x(hout,c-hin,c)

(3)

式中:x為分流系數,定義為循環總質量流量中工質分流入再壓縮機質量流量的占比[22]。

透平出口工質實際比焓hout,t為

hout,t=hin,t-(hout0,t-hin,t)ηis,t

(4)

式中:hin,t為透平入口工質實際比焓,kJ/kg;hout0,t為透平出口工質理想比焓,kJ/kg;ηis,t為透平等熵效率,%。

單位質量工質在透平內做功wt為

wt=hin,t-hout,t

(5)

2.1.2 換熱設備

換熱設備能量平衡關系滿足以下約束:

Qe=qm,h,in(hh,in-hh,out)=qm,c,in(hc,in-hc,out)

(6)

式中:Qe為總換熱量,kW;qm,h,in、qm,c,in分別為工質在熱端和冷端的質量流量,kg/s;hh,in、hh,out分別為熱端入口和出口比焓,kJ/kg;hc,in、hc,out分別為冷端入口和出口比焓,kJ/kg。

為防止在回熱器內出現“夾點”問題,設高、低溫回熱器內最小換熱溫差為Δt,則滿足以下約束關系式[23]:

th,out=tc,in+Δt

(7)

th,in-tc,out≥Δt

(8)

式中:th,in、th,out分別為回熱器熱端進、出口溫度,K;tc,in、tc,out分別為冷端進、出口溫度,K。

2.1.3 系統性能

單位質量工質在循環內的吸熱量qb為

qb=(h1-h12)+(h3-h2)

(9)

式中:hi為狀態點i的工質比焓,kJ/kg。

單位質量工質在循環內的凈功wnet為

wnet=ηg×(wt-wc)

(10)

式中:ηg為發電機效率,%;wc為單位質量工質在壓縮機內總耗功,kJ/kg。

系統循環熱效率ηt為

ηt=wnet/qb

(11)

循環工質總質量流量qm,0為

qm,0=P/wnet

(12)

式中:P為SCO2循環系統的凈輸出功率,kW。

SCO2系統能量分析計算流程圖如圖3所示。其中,上標1、2、3、4分別代表再壓縮、再壓縮再熱、部分冷卻和部分冷卻再熱循環;虛線框表示再壓縮循環以外的循環計算流程所需步驟;ti和pi分別為各狀態點i下的工質溫度和壓力;LTR表示低溫回熱器;HTR表示高溫回熱器。

圖3 SCO2系統能量計算流程圖

ex,i=(hi-h0)-t0(si-s0)

(13)

式中:h0、s0分別為環境狀態下的工質比焓和比熵,kJ/kg、kJ/(kg·K);t0為環境溫度,K;si為狀態點i的工質比熵,kJ/(kg·K)。

在假定的環境狀態下,工質狀態參數為:h0=505.85 kJ/kg,s0=2.74 kJ/(kg·K)。

(14)

式中:war(O)、war(A)、war(M)分別為燃煤收到基中氧、水和灰分的質量分數,%。

ex,f=q1·ξ

(15)

式中:q1為燃煤低位發熱量,kJ/kg。

選取文獻[12]中所用煤種,煤質分析見表1。

表1 所用煤種的煤質

ηex=P/(qm,Bex,f)

(16)

式中:qm,B為鍋爐的輸入燃煤量,kg/s。

2.3 經濟性分析模型

選取平準化度電成本CLCOE作為SCO2燃煤發電系統的經濟性評價指標。

CLCOE=(rCRFCTPC+CO&M)/P

(17)

(18)

CTPC=Cmain+Caux=Cb+Ccyc+Caux

(19)

CO&M=Ccoal+Cmaint+Clab+Cins+Cele

(20)

Ccyc=Ct+Cc+Cp+CTR+Cgen

(21)

式中:CTPC為機組初投資成本,美元;CO&M為系統運營維護成本,美元;rCRF為資金回收率;i為折現率,取值為8%;n為機組壽命,a;Cmain為發電系統成本,美元;Caux為輔助系統成本,美元;Cb為鍋爐成本,美元;Ccyc為循環系統成本,美元;Ccoal、Cmaint、Clab、Cins、Cele分別為機組全生命周期內燃煤成本、維護成本、人力成本、保險成本和用電成本,美元;Ct、Cc、Cp、CTR、Cgen分別為透平、壓縮機、預冷器、回熱器和發電機的成本,美元。

對于鍋爐、透平、壓縮機、回熱器和發電機,基于國家能源技術實驗室(NETL)[25]的成本比例縮放估算建立模型,引入壓力和溫度修正系數fp和ft。

Cb=a·(Qhd/1 000)b·ft·fp

(22)

Ct=a·(Wt/1 000)b·ft·fp

(23)

Cc=a·(Wc/1 000)b·fp

(24)

CTR=a·(AR·1 000)b·ft·fp

(25)

Cgen=a·(We/1 000)b

(26)

式中:Qhd為鍋爐輸入熱負荷,kW;Wt為透平總做功,kW;Wc為壓縮機總耗功,kW;U為回熱器傳熱系數,kW/(m2·K);AR為回熱器面積,m2;We為循環做功,kW;a、b為擬合系數。

溫度修正系數ft為

(27)

式中:c、d為擬合系數;ttop為組件各狀態點的最高溫度。

壓力修正系數fp[21,26]為

(28)

式中:ptop為組件各狀態點的最高壓力。

對于預冷器,采用文獻[27]中估算印刷電路板式換熱器(PCHE)質量的成本計算方法。

(29)

式中:pprice,ss為不銹鋼的價格,美元/kg;ρ為不銹鋼的密度,取值為7.85 t/m3;rv,metal為預冷器中金屬的體積占比,取值為0.564[27];λUA,PC為預冷器的熱導率,kW/K;U為冷卻水的傳熱系數,取值為400 W/m2;AV為PCHE的面積與體積比,m2/m3,通過線性擬合[23,28]得到。

AV=-1.626 9·ptop+1 463.8

(30)

SCO2燃煤發電機組的其他成本[20,23,29]計算方法如表2所示。其中,γPRF為現值因子,γPRF=1/(1+i)n;mcoal為第n年的煤耗,kg;Pcoal為煤價,美元/kg;Jcoal為燃料成本上升率,取值為6.6%;Jmaint=7.4%;Jlab=10%;Jins=10%。假設維護成本、人工成本、保險成本和用電成本在總投資成本中占比分別為1.5%、2%、1%和1%[30]。

表2 SCO2燃煤發電機組的其他成本計算公式

2.4 模型驗證

對2個循環系統數學模型[8,31]進行準確性驗證,如圖4所示。

圖4 循環系統數學模型的準確性驗證

將部分冷卻循環、部分冷卻再熱循環模型的主要工況參數分別設置為與文獻[8]和文獻[31]相同,得到2個循環下循環熱效率隨透平入口溫度的變化曲線。部分冷卻循環下循環熱效率的平均誤差為0.43%,部分冷卻再熱循環下循環熱效率的平均誤差為0.62%。上述誤差均在合理范圍內,溫度模型合理可靠。

3 關鍵設計參數分析

以300 MW超臨界SCO2機組為研究對象,分別建立2個不同循環布局發電系統數學模型,分別從熱力學第一定律、熱力學第二定律、經濟性3個角度探究關鍵參數對機組的影響。系統關鍵熱力學設計工況參數[31-33]見表3。

表3 系統關鍵熱力學設計參數

3.1 設計工況

對于所研究的2個SCO2循環發電系統,在設計工況下,系統熱力學及經濟學性能指標見表4。由表4可以看出,相較于部分冷卻循環,部分冷卻再熱循環下系統循環凈功高1.92 kJ/kg,循環吸熱量高1.95 kJ/kg,循環熱效率高0.33個百分點,系統效率高0.35個百分點,機組初投資成本高2.6×106美元,但運營維護成本可節約6.38×106美元。

表4 不同系統設計工況下計算結果對比

圖5為設計工況下2個SCO2循環發電機組各部分的成本比例。由圖5可以看出,各部分成本在2個系統中所占比例基本相同,其中燃煤消耗成本占比最高,超過70%,發電系統成本約占12%,其他成本占比均較小。

(a) 部分冷卻SCO2循環

進一步分析發電系統成本內各設備成本,計算結果見圖6。由圖6可以看出,相比其他設備,鍋爐投資成本高得多,這主要是由于鍋爐系統較為龐大,且需要配套煙氣處理、空氣預熱、供煤等系統。相比部分冷卻循環,部分冷卻再熱循環增加了一個透平做功,透平投資成本高出1.02×106美元;高溫回熱器成本高1.64×106美元,主要是由于高溫回熱器熱導率升高。

圖6 SCO2燃煤發電系統各設備成本

3.2 不同設計參數分析

3.2.1 主壓縮機入口壓力的影響

圖7給出了主壓縮機入口壓力對2個SCO2循環系統熱力、經濟性能指標的影響規律。由圖7(a)可以看出,循環熱效率ηt和系統效率ηex隨著主壓縮機入口壓力的增大先上升后下降,平準化度電成本CLCOE則是先降低后升高。這主要是由于入口壓力的增大使得透平做功和壓縮機耗功同時減小,存在最優的入口壓力(7.8 MPa左右),使ηt和ηex達到最大,CLCOE達到最小。這主要是由于此時機組燃煤量達到最小,且燃煤消耗成本在機組總成本中占比很大,故CLCOE也達到最優值。

(a) 熱力-經濟分析

由圖7(b)可以看出,隨著主壓縮機入口壓力的增大,機組運營維護成本總是遠高于初投資成本,這與設計工況分析結果一致。機組運營維護成本和初投資成本隨入口壓力的增大均呈先降低后升高的趨勢。相較于初投資成本,運營維護成本變化范圍更大,2個系統的熱力性能和經濟性能差異也很明顯,且部分冷卻再熱循環系統具有明顯優勢。

3.2.2 主壓縮機入口溫度的影響

圖8給出了主壓縮機入口溫度對2個SCO2循環系統熱力性能和經濟性能指標的影響規律。由圖8(a)可以看出,循環熱效率ηt和系統效率ηex隨著主壓縮機入口溫度的增大逐漸降低,平準化度電成本CLCOE逐漸升高,但入口溫度達到33 ℃后,CLCOE的變化趨勢變緩。在SCO2超臨界溫度(31 ℃)附近,性能指標變化不明顯,且熱力性能和經濟性能最佳。這主要是由于隨著主壓縮機入口溫度的升高,高溫工質使得壓縮機耗功增加,ηt和ηex降低,CLCOE升高,但同時透平做功也增加。主壓縮機入口溫度從31 ℃增至39 ℃時,部分冷卻循環下ηt降幅為3.96%,ηex降幅為3.44%,CLCOE增幅為0.005 4美元/(kW·h);部分冷卻再熱循環下ηt降幅為3.93%,ηex降幅為3.40%,CLCOE增幅為0.005 3美元/(kW·h)。

(a) 熱力-經濟分析

由圖8(b)可以看出,隨著主壓縮機入口溫度的增大,機組運營維護成本逐步升高,初投資成本先降低后升高再降低。CLCOE與CO&M變化的相似度較高,這說明CLCOE受CO&M的影響相對較大。機組初投資成本主要受回熱器成本的影響,而回熱器成本主要受回熱器熱導率的影響。隨著主壓縮機入口溫度升高,在31 ℃附近,低溫回熱器吸熱量急劇下降,導致其導熱率降低,進而成本降低,CTPC也降低;溫度為32～35 ℃時,回熱器平均換熱溫差迅速下降,導致其導熱率升高,進而成本升高,CTPC也升高;溫度為36～39 ℃時,回熱器吸熱量下降,平均換熱溫差上升,導致導熱率下降,進而成本降低,CTPC也降低。部分冷卻再熱循環下CO&M較低,但CTPC較高,這主要是由于循環內增加了1個透平做功后,透平投資成本變高,且回熱器成本也變高,導致CTPC增加。

3.2.3 透平入口溫度的影響

圖9給出了透平入口溫度對2個SCO2循環系統熱力性能和經濟性能指標的影響規律。

(a) 熱力-經濟分析

由圖9(a)可以看出,循環熱效率ηt和系統效率ηex隨著透平入口溫度的增大呈線性升高趨勢,平準化度電成本CLCOE則是先降低后升高。這主要是由于循環吸熱溫度隨著透平入口溫度的增大而增大,放熱溫度則保持不變,因此ηt和ηex單調升高。透平入口溫度從500 ℃增至650 ℃時,部分冷卻循環下ηt升高7.22%,ηex升高7.65%;部分冷卻再熱循環下ηt升高3.21%,ηex升高3.40%。提高透平入口溫度對部分冷卻循環下熱效率及效率的提升效果更為顯著,在較低的透平入口溫度下,部分冷卻再熱循環的效率更高,而在較高的透平入口溫度下,部分冷卻循環效率則更高。

由圖9(b)可以看出,隨著透平入口溫度的增大,機組運營維護成本和初投資成本均呈先減小后增加的趨勢,CLCOE前期受CO&M影響較大,后期受CTPC影響較大。這主要是由于隨著透平入口溫度的增大,鍋爐吸熱量逐漸降低,在溫度達到550 ℃之前溫度修正系數保持不變,之后呈幾何倍數增長,因此鍋爐投資成本先減小后增加,進而CTPC先減小后增加。循環效率升高導致煤耗量降低,燃煤成本也隨之降低,進而CO&M也降低,但后期由于維護、人工等成本受CTPC升高的影響而升高,CO&M也略有增加。

4 結論

(1) 在設計工況下,與部分冷卻循環系統相比,在部分冷卻再熱循環下ηt高0.33%,ηex高0.35%,CTPC高2.6×106美元,CO&M低6.38×106美元,因此部分冷卻再熱循環系統的熱經濟性能更優;2個發電機組各部分成本比例大體相同,其中燃煤消耗成本占比均超過70%。在設備總投資成本中,鍋爐成本比其他設備成本高得多,故要降低機組總成本,首先要考慮控制煤耗量,降低設備投資成本要從控制鍋爐成本入手。

(2) 存在最優的主壓縮機入口壓力,使ηt、ηex達到最大,同時CLCOE達到最小;主壓縮機入口溫度的增大使得ηt、ηex逐漸降低,CLCOE逐漸增加;隨著透平入口溫度的升高,ηt和ηex線性升高,CLCOE先迅速減小后略有增加。

(3) 透平入口溫度從500 ℃增至650 ℃時,部分冷卻循環下ηt升高7.22%,ηex升高7.65%;部分冷卻再熱循環下ηt升高3.21%,ηex升高3.40%。在進行系統設計參數選取時,應選取較低的主壓縮機入口溫度和較高的透平入口溫度。