李博,王順森,宋立明

(西安交通大學(xué)葉輪機械研究所,710049,西安)

近年來,CO2過量排放導(dǎo)致的全球變暖現(xiàn)象日益明顯,由此引發(fā)的生態(tài)問題和環(huán)保問題給人類的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)[1]。采用化石燃料燃燒發(fā)電所導(dǎo)致的碳排放是CO2的重要來源之一。為了實現(xiàn)我國碳達峰和碳中和的規(guī)劃目標(biāo),低碳發(fā)電技術(shù)將是未來先進發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向和熱門領(lǐng)域。富氧燃燒是一種非常具有前景的清潔發(fā)電技術(shù)[2],其基本原理是用高濃度氧氣代替空氣作為燃燒反應(yīng)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(chǎn)物中CO2的富集程度大大提升,從而降低碳捕集的功耗。經(jīng)過幾十年的相關(guān)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(fā)電系統(tǒng)。國際能源署溫室氣體課題組對幾種典型的富氧燃燒系統(tǒng)進行了熱力學(xué)分析和對比,其結(jié)果表明,相比于其他循環(huán)結(jié)構(gòu),Allam循環(huán)的熱效率和經(jīng)濟性具有明顯優(yōu)勢[3]。Allam循環(huán)是由NET Power公司的工程師Allam首先提出的,根據(jù)理論計算結(jié)果,Allam循環(huán)可以在完全碳捕集的情況下實現(xiàn)較高的熱效率[4]。目前,50 MW級別的Allam循環(huán)示范電站已在美國得克薩斯州完成建設(shè)并實際運行[5]。

由于Allam循環(huán)良好的熱力學(xué)性能和環(huán)保特性,相關(guān)領(lǐng)域的研究如火如荼。Scaccabarozzi等人對以天然氣為燃料的Allam循環(huán)進行了熱力學(xué)分析和數(shù)值優(yōu)化,揭示了透平進出口參數(shù)和回?zé)嵝蕦ο到y(tǒng)性能的影響[6]。Zhao等對一種Allam循環(huán)與煤氣化過程相結(jié)合的系統(tǒng)進行了參數(shù)分析,指出當(dāng)透平入口溫度為1 200 ℃時,系統(tǒng)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(huán)回?zé)崞髦?解決了由于CO2物性劇烈變化導(dǎo)致的夾點問題,并成功地將系統(tǒng)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(tài),進而用泵替代壓縮機實現(xiàn)壓縮過程,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,改善了系統(tǒng)的調(diào)峰性能[9]。Mitchell等利用液氧儲存,大大改善了Allam循環(huán)的運行靈活性,并提高了系統(tǒng)的峰值功率[10]。Fernandes等利用動態(tài)矩陣法對Allam循環(huán)進行控制,有效地提高了CO2純度和系統(tǒng)輸出功率[11]。Chan等對再熱Allam循環(huán)進行了熱力學(xué)分析和優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)相比于經(jīng)典Allam循環(huán),再熱循環(huán)的效率減小了5個百分點,但系統(tǒng)的比功是原來的2.2倍[12]。章建徽等對Allam循環(huán)性能及其燃燒特性的相關(guān)研究進行了總結(jié),指出了我國發(fā)展Allam循環(huán)的主要問題和有效路徑[13]。

經(jīng)典Allam循環(huán)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(huán)冷源,從而增大冷熱源溫差,提高循環(huán)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(tǒng)進行了熱經(jīng)濟性分析,指出冷源溫度對系統(tǒng)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(huán)余熱回收系統(tǒng),其計算結(jié)果表明,LNG的利用使得系統(tǒng)效率提高了9.2%[17]。除了直接將LNG作為動力循環(huán)的冷源之外,還可以采用串級系統(tǒng),通過底循環(huán)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(huán)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),其中跨臨界循環(huán)以超臨界循環(huán)余熱為熱源,以LNG為冷源,系統(tǒng)設(shè)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(huán)串級系統(tǒng)回收燃氣輪機煙氣熱量,其中跨臨界CO2循環(huán)作為超臨界CO2循環(huán)的底循環(huán),以充分利用LNG的冷能[19]。Sadreddini等提出一種由有機朗肯循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)組成的發(fā)電系統(tǒng),指出單級動力循環(huán)難以有效回收LNG的冷能,而底循環(huán)的使用可以大大減小冷凝器中的換熱溫差,提高系統(tǒng)效率[20]。

由以上可知,采用串級系統(tǒng)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(huán)而言,CO2物性變化導(dǎo)致的回?zé)崞鲓A點問題是影響其系統(tǒng)效率的關(guān)鍵問題。串級系統(tǒng)的使用,可以在實現(xiàn)LNG冷能充分利用的同時,又不會導(dǎo)致回?zé)徇^程的惡化。而跨臨界CO2循環(huán)由于其優(yōu)異的熱力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)緊湊性而被選作底循環(huán)。本文提出一種基于液化天然氣站的Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),以實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)化和清潔利用。本文對系統(tǒng)中所涉及的主要設(shè)備進行了建模,并分析了主要熱力學(xué)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。本系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)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(tǒng)描述

1.1 循環(huán)流程

本文所提出的Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Allam循環(huán)為頂循環(huán),跨臨界CO2循環(huán)為底循環(huán),二者通過底循環(huán)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(yīng),一股CO2循環(huán)物流13作為燃燒室冷卻劑。反應(yīng)產(chǎn)物進入透平膨脹做功,因為燃燒室反應(yīng)產(chǎn)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(huán)物流12作為冷卻劑給透平降溫。透平排氣進入回?zé)崞黝A(yù)熱循環(huán)物流,同時空分裝置中的壓縮空氣也進入回?zé)崞鞣艧?。燃燒產(chǎn)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(dāng)循環(huán)物流。循環(huán)物流5首先被壓縮到超臨界狀態(tài),本文中壓縮機1出口壓力固定為8 MPa。超臨界工質(zhì)對底循環(huán)放熱,同時使自身冷卻。經(jīng)泵1初步壓縮后,CO2循環(huán)物流再次被分為兩部分,一部分與氧氣混合作為燃燒反應(yīng)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?zé)崞髦屑訜?完成頂層的Allam循環(huán)。

圖1 Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(huán)中,CO2被液化天然氣冷凝,而后經(jīng)過泵壓縮,進入底循環(huán)加熱器吸收Allam循環(huán)余熱,轉(zhuǎn)化為高溫高壓狀態(tài)。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(huán)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(shè)備模型

Allam循環(huán)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(zhì)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(huán)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(shè)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(huán)中的回?zé)崞魇嵌喙闪鲹Q熱器,同時有多種流體進行換熱過程。為了準確地描述其復(fù)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(qū)間,在每個區(qū)間內(nèi)流體物性設(shè)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?zé)崞鞯淖钚Q熱溫差設(shè)為5 ℃。此外,考慮到回?zé)崞鞲邷貐^(qū)間的換熱性能和材料特性,回?zé)崞魃隙瞬钤O(shè)為20 ℃[6]。

燃燒室運行參數(shù)可由物料平衡和能量平衡導(dǎo)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(diào)節(jié)。

空分裝置(ASU)在本文中采用黑箱模型,不考慮內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)。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(huán)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(huán)(Allam循環(huán))的輸出功率為

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

Wp2-WASU-Wp5

(3)

式中:Wnet,Allam為Allam循環(huán)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(huán)(跨臨界CO2循環(huán))的輸出功率為

Wnet,tCO2=Wtur2-Wp3-Wp4

(4)

冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的輸出功率為

Wnet=Wnet,Allam+Wnet,tCO2

(5)

冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(huán)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(jié)果與已有文獻中的數(shù)據(jù)進行對比。因為目前尚鮮見關(guān)于Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)聯(lián)合循環(huán)的實驗研究或仿真模擬,所以,本文分別對Allam循環(huán)和跨臨界CO2循環(huán)進行模型驗證,對比結(jié)果分別列于表1和表2?？梢钥闯?系統(tǒng)主要指標(biāo)的相對誤差均在可接受范圍內(nèi),從而證明了模型的準確性。

表1 Allam循環(huán)模型驗證結(jié)果Table 1 Validation of Allam cycle model

表2 跨臨界CO2循環(huán)模型驗證結(jié)果Table 2 Validation of transcritical CO2 cycle model

2 結(jié)果與討論

首先給出了聯(lián)合循環(huán)在設(shè)計工況下的性能,通過分析本文所提出的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計工況下的運行情況,從不同角度揭示其性能優(yōu)勢。然后,探究了典型熱力學(xué)參數(shù)對聯(lián)合循環(huán)性能的影響,為實際工程設(shè)計提供參考。聯(lián)合循環(huán)設(shè)計參數(shù)如表3所示,各設(shè)備壓力損失系數(shù)如表4所示。

表3 聯(lián)合循環(huán)設(shè)計參數(shù)表[6,23-24]Table 3 Design parameters of the cogeneration system

表4 聯(lián)合循環(huán)壓力損失表[12]Table 4 Pressure loss of the cogeneration system[12] %

2.1 設(shè)計性能分析

本文所提出的Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計工況下的性能如表5所示。

表5 冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)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(huán)以Allam循環(huán)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(tǒng)的凈輸出功率增加。計算結(jié)果表明,頂循環(huán)的凈輸出功率為23.48 MW,底循環(huán)的凈輸出功率為2.24 MW,聯(lián)合循環(huán)的凈輸出功率為25.72 MW。采用跨臨界CO2循環(huán)作為底循環(huán)的布置使得系統(tǒng)凈輸出功率提高了9.54%,而且可以對外供應(yīng)5.15 MW的制冷量。同時,由于Allam循環(huán)的循環(huán)物流被底循環(huán)冷卻,因此所需冷卻水的量也有所減少。

2.2 參數(shù)分析

頂循環(huán)透平進口溫度對聯(lián)合循環(huán)功率的影響見圖2。當(dāng)頂循環(huán)透平進口溫度增高時,頂循環(huán)的凈輸出功率先增大后減小,而底循環(huán)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(zhì)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(dǎo)致透平進口流量減小。透平進口溫度增高還會導(dǎo)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(dǎo)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(lián)合循環(huán)物流的流量略微增大,頂循環(huán)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(huán)凈輸出功率先增大后減小。

圖2 系統(tǒng)性能隨頂循環(huán)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(huán)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(huán)向底循環(huán)釋放的余熱會增大,底循環(huán)的輸出功率也會增大。與此同時,底循環(huán)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制冷量隨頂循環(huán)透平入口溫度的增高而減小。綜合頂?shù)籽h(huán)輸出功率的變化趨勢,當(dāng)頂循環(huán)透平入口溫度增高時,聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(huán)透平出口壓力對頂循環(huán)和底循環(huán)輸出功率的影響。如圖所示,當(dāng)頂循環(huán)透平出口壓力從3 MPa增大到5 MPa時,頂循環(huán)的凈輸出功率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,而跨臨界CO2底循環(huán)的輸出功率持續(xù)減小。隨著頂循環(huán)透平出口壓力的增高,單位工質(zhì)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?zé)崞骼鋫?cè)的循環(huán)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(huán)的壓縮過程而言,盡管循環(huán)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(huán)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(huán)和底循環(huán)性能隨頂循環(huán)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(lián)合循環(huán)總輸出功率和制冷量隨頂循環(huán)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(dāng)頂循環(huán)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(huán)透平膨脹功大大減小,最終底循環(huán)的凈輸出功率隨頂循環(huán)透平出口壓力的增高而減小。頂循環(huán)余熱的減少使得底循環(huán)冷凝過程消耗的冷量減小,因此聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)制冷量增大。綜合頂、底循環(huán)輸出功率的變化,聯(lián)合循環(huán)總輸出功率先增大后減小,當(dāng)頂循環(huán)透平出口壓力在3.5 MPa左右時取得最大值。

圖4 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能隨頂循環(huán)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(huán)透平出口壓力對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。可以看出,跨臨界CO2循環(huán)凈輸出功率隨底循環(huán)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(huán)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(huán)凈功率仍然減小。由于底循環(huán)吸熱量不變,輸出功率減小,根據(jù)能量守恒定律,其冷凝過程所需熱量增大,所以聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸出的制冷量也同步減小?？梢缘贸鼋Y(jié)論,底循環(huán)透平出口壓力的增高會使聯(lián)合循環(huán)性能明顯惡化。這主要是因為當(dāng)?shù)籽h(huán)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(huán)的輸出功率顯然不受底循環(huán)的影響,聯(lián)合循環(huán)的總輸出功率的變化趨勢和底循環(huán)是一致的。這兩個指標(biāo)的變化趨勢未繪于圖中,此處不予討論。

圖5 底循環(huán)透平出口壓力對系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)輸出功率和制冷量的變化曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。這是因為當(dāng)天然氣流量高于此臨界值時,底循環(huán)可以完全吸收Allam循環(huán)余熱,底循環(huán)的工質(zhì)流量和輸出功率受制于頂循環(huán)余熱的數(shù)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(huán)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(dāng)液化天然氣流量小于臨界值時,底循環(huán)不能充分利用余熱,需要在頂循環(huán)增加冷卻器,用冷卻水進一步將壓縮機出口物流冷卻到預(yù)設(shè)溫度。底循環(huán)的工質(zhì)流量和輸出功率受制于液化天然氣的流量。因此,當(dāng)天然氣流量較小時,底循環(huán)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(tǒng)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(lián)合循環(huán)遵循模塊化設(shè)計思想,頂循環(huán)和底循環(huán)容量可以根據(jù)實際的工程要求來選取。當(dāng)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(huán)運行狀態(tài)不變;當(dāng)向用戶輸送的天然氣較多時,可以進一步利用回?zé)崞饔酂嶙鳛榈籽h(huán)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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以滿足各種實際的設(shè)計條件,具有良好的工程前景。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于液化天然氣站的Allam循環(huán)-跨臨界CO2循環(huán)冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),對主要設(shè)備建立了詳細的數(shù)學(xué)模型。通過仿真計算,分析了聯(lián)合循環(huán)在設(shè)計點的性能,并進一步對系統(tǒng)進行了參數(shù)分析,討論了主要熱力學(xué)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,主要結(jié)論如下。

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

(2)當(dāng)頂循環(huán)透平入口溫度或頂循環(huán)透平出口壓力增高時,聯(lián)合循環(huán)總輸出功率先增大后降小。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制冷量隨頂循環(huán)透平入口溫度的升高而減小,隨頂循環(huán)透平出口壓力的增高而增大。

(3)底循環(huán)透平出口壓力增高時,底循環(huán)冷凝過程換熱不可逆性大大增加,底循環(huán)輸出功率和聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)制冷量都有明顯減小。

(4)本文所提出的聯(lián)合循環(huán)中頂循環(huán)和底循環(huán)具有模塊化設(shè)計的特點,可以根據(jù)實際工程的需求調(diào)節(jié)頂循環(huán)和底循環(huán)的容量和參數(shù),同時可以實現(xiàn)碳捕集,具有良好的工程前景。