張 良

(國(guó)電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

煤炭是天然能源的第二大來(lái)源(約30%)，占全球電力產(chǎn)量的40%以上[1]。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，煤炭是最重要的天然能源。按煤當(dāng)量法計(jì)算，2014年原煤生產(chǎn)和原煤消耗占一次能源總產(chǎn)量的73.6%，約占總能耗的65.6%。然而，在煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的嚴(yán)重的霧霾，據(jù)統(tǒng)計(jì)90%的二氧化硫排放、70%的粉塵排放和67%的氮氧化物排放都來(lái)源于煤炭燃燒[2]。面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)保要求，電力生產(chǎn)中迫切需要提高燃煤電廠的效率，減少污染物排放。蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠已得到廣泛的應(yīng)用，在過(guò)去的幾十年里，其相關(guān)參數(shù)得到了極大的改進(jìn)。其中，二次再熱超臨界(USC)技術(shù)是改進(jìn)最顯著的方法[3]。二次再熱可以通過(guò)提高汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)的平均溫度(吸熱過(guò)程)來(lái)提高效率，在滿足汽輪機(jī)排汽濕度要求的同時(shí)，提高了汽輪機(jī)生產(chǎn)工作的潛力。然而，蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)受到材料問(wèn)題的限制。因此，燃煤電廠用超臨界二氧化碳循環(huán)替代蒸汽朗肯循環(huán)值得深入研究。

1 超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)

1.1 超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)發(fā)展概況

近年來(lái)，超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。與二次再熱超臨界蒸汽朗肯循環(huán)相比，超臨界二氧化碳循環(huán)具有更緊湊的汽輪機(jī)械，并更加靈活高效。 關(guān)于超臨界二氧化碳循環(huán)的研究，始于蘇爾澤兄弟在1948年公布的濃縮二氧化碳布雷頓循環(huán)的專利。20世紀(jì)70年代末，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)被費(fèi)赫和安吉利諾等研究人員進(jìn)一步開發(fā)；70年代中期至90年代末，研究人員發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在解決的高溫高壓特性引起的流體機(jī)械和熱交換電中存在的問(wèn)題具有很好的應(yīng)用效果。從21世紀(jì)初開始，超臨界二氧化碳循環(huán)在基本理論分析、工藝創(chuàng)新優(yōu)化、鍋爐設(shè)計(jì)與優(yōu)化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等方面得到了廣泛的研究。在發(fā)電系統(tǒng)集成方面，大量研究人員在關(guān)于超臨界二氧化碳循環(huán)與太陽(yáng)能、核能、燃?xì)廨啓C(jī)、燃煤電廠的集成上已經(jīng)做了許多工作[4]。

1.2 超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)原理

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)是一種以超臨界二氧化碳作為動(dòng)力循環(huán)工作介質(zhì)的發(fā)電技術(shù)。當(dāng)二氧化碳的工作環(huán)境參數(shù)超出了其臨界點(diǎn)(7.38 MPa/30.98 ℃)時(shí)，流體具有特殊熱物性，可提高循環(huán)熱效率[5]。另一方面，考慮到在帶蒸汽朗肯循環(huán)的大型燃煤電廠中采用了二次再熱技術(shù)，超臨界二氧化碳燃煤電廠也采用了二次再熱技術(shù)。利用AspenPlus軟件進(jìn)行了過(guò)程仿真，LK-PLOCK物性方法在臨界點(diǎn)附近具有最佳趨勢(shì)，在高壓和高溫下的結(jié)果也更加精確[6]。因此，本文選擇了LK-PLOCK物性方法進(jìn)行了仿真。采用二次再熱技術(shù)的超臨界二氧化碳燃煤電廠的流程如圖1所示。

圖1 采用二次再熱技術(shù)的超臨界二氧化碳燃煤電廠的流程Fig.1 Flow sheet of SC-CO2 coal-fired power plant with double-reheat single re-compression cycle

在燃燒過(guò)程中，燃料煤與鍋爐內(nèi)的預(yù)熱空氣一起燃燒。大部分的高溫?zé)崃客ㄟ^(guò)輻射和對(duì)流的方式傳遞到鍋爐的冷卻壁上，其余的熱量部分被空氣預(yù)熱器中的空氣吸收，部分以120 ℃的溫度排放到大氣中，高溫回?zé)崞髦械某R界二氧化碳吸收鍋爐冷卻壁上試管內(nèi)的輻射和對(duì)流熱，并被加熱至620 ℃后再進(jìn)入高壓汽輪機(jī)(HT)發(fā)電。然后，二氧化碳進(jìn)行二次再熱過(guò)程，分別在中壓汽輪機(jī)(MT)和低壓汽輪機(jī)(LT)中發(fā)電。LT出口的二氧化碳參數(shù)為7.9 MPa/561.75 ℃。二氧化碳流入高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鬟M(jìn)行兩階段熱回收。熱回收過(guò)程結(jié)束后，二氧化碳流被分為2個(gè)獨(dú)立的流體。第1個(gè)流體(占總流量的68.3%)在冷凝器中冷卻，并在主壓縮機(jī)(MC)中壓縮至33.45 MPa；然后，通過(guò)回收熱將低溫回?zé)崞髦屑訜岬?30 ℃。第2個(gè)流體(占總流量的31.7%)被壓縮至33.4 MPa[7]。

本文選擇采用綜合蒸汽朗肯循環(huán)和10級(jí)熱回收以及二次再熱工藝的燃煤電廠作為參考電廠，其工作流程如圖2所示，其中，主蒸汽參數(shù)為32 MPa/620 ℃，再熱蒸汽參數(shù)為620 ℃/620 ℃。汽輪機(jī)由2臺(tái)單流超高壓汽輪機(jī)(VHT)、2臺(tái)雙流高壓汽輪機(jī)(HT)、2臺(tái)雙流中壓汽輪機(jī)(MT)和2臺(tái)雙流低壓汽輪機(jī)(LT)組成。超高壓汽輪機(jī)和雙流高壓汽輪機(jī)的蒸汽出口經(jīng)過(guò)2個(gè)再加熱過(guò)程，并轉(zhuǎn)移到雙流中壓汽輪機(jī)和雙流低壓汽輪機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步膨脹[8]。電廠采用10級(jí)熱回收系統(tǒng)，配備4臺(tái)高壓熱回收加熱器(HRH1—HRH4)，1級(jí)除氧器(DEA)和5個(gè)低壓再生加熱器(LRH6—LRH10)。從雙流低壓汽輪機(jī)進(jìn)入冷凝器的排汽壓力設(shè)置為4.5 kPa。

圖2 蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠流程Fig.2 Flow sheet of coal-fired power plant with steam Rankine cycle

2 分析與對(duì)比

表1 燃料煤的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果Tab.1 Elemental analysis and industrial analysis results of fuel coal

采用蒸汽朗肯循環(huán)方式進(jìn)行蒸汽處理的燃煤電廠10級(jí)熱回收率的蒸汽提取參數(shù)見(jiàn)表2[9]。為了簡(jiǎn)化電廠的模擬過(guò)程，將回?zé)崞鞯淖畹蜏囟确椒ㄔO(shè)置為5 ℃，氣體換熱器設(shè)置為30 ℃±1 ℃，高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鞯膲航捣謩e為0.05 MPa，超臨界二氧化碳鍋爐和電熱水鍋爐的壓降分別為1.5 MPa和5.9 MPa，忽略軸密封損失、機(jī)械損失、管道和分離器的壓力損失，葉輪機(jī)械和壓縮機(jī)的等熵效率分別設(shè)置為93%和90%。

表2 熱回收器的蒸汽提取量參數(shù)Tab.2 Parameters of the steam extractions of the regenerative heaters

電廠內(nèi)關(guān)鍵流量參數(shù)見(jiàn)表3。在超臨界二氧化碳燃煤電廠中，由于二氧化碳通過(guò)渦輪的膨脹比較小，低壓出口的排氣二氧化碳溫度高達(dá)561.75 ℃。因此，應(yīng)實(shí)施熱回收過(guò)程，可以保持較高的能源效率。假設(shè)壓縮機(jī)是由渦輪軸而不是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，預(yù)熱空氣進(jìn)入鍋爐的溫度分別為506.53、263.64 ℃，目前條件下，預(yù)熱空氣的高溫特性是超臨界二氧化碳燃煤電廠所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)[10]。另一方面，在相同的鍋爐熱負(fù)荷條件下，鍋爐內(nèi)二氧化碳的質(zhì)量流量為39.565 kg/s，幾乎是水的10倍。當(dāng)二氧化碳通過(guò)鍋爐時(shí)，質(zhì)量流量越大，壓降就越大。

表3 電廠中的關(guān)鍵參數(shù)Tab.3 The key parameters in the power plants

3 結(jié)果和討論

3.1 電廠的能量平衡

電廠的能量平衡是基于各單位的能量平衡。超臨界二氧化碳燃煤電廠的能量平衡如圖3所示，方塊和長(zhǎng)寬的乘積表示能量的數(shù)量。該電廠唯一的能量輸入是燃料煤的焓，為12.70 MW。

圖3 超臨界二氧化碳燃煤電廠的能量平衡Fig.3 Energy balance diagram of SC-CO2coal-fired power plant

在超臨界二氧化碳燃煤電廠中，高壓汽輪機(jī)、中壓汽輪機(jī)和低壓汽輪機(jī)的發(fā)電量為8.63 MW，而主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)的消耗量分別為1.07、1.33 MW，因而工作輸出為6.23 MW，導(dǎo)致凈發(fā)電效率為49.06%。鍋爐的排氣能量(包括高溫灰焓和煙氣焓)為1.11 MW，鍋爐效率可以通過(guò)電力循環(huán)中工作流體吸收的熱量與煤焓比來(lái)計(jì)算，超臨界二氧化碳燃煤電廠的鍋爐為91.26%。超臨界二氧化碳循環(huán)中冷凝器的排氣能量為5.36 MW，高溫和低壓的換熱容量分別為14.54、7.14 MW?；?zé)崞鲬?yīng)有效設(shè)計(jì)以滿足大容量熱交換。

蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠的能量平衡如圖4所示。與超臨界二氧化碳燃煤電廠相同，該電廠的能量輸入只是燃料煤的焓。超高壓汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、中壓汽輪機(jī)和低壓汽輪機(jī)的發(fā)電量為6.41 MW，電廠的泵耗電0.30 MW。因此，該電廠的工程發(fā)電量為6.11 MW，凈發(fā)電效率為48.12%。該鍋爐的排氣能量為0.83 MW，因此該鍋爐的排氣效率為93.46%。冷凝器內(nèi)的排氣能量為5.76 MW，高壓再生加熱器、除氣器和低壓再生加熱器的換熱容量為5.68 MW。水進(jìn)入鍋爐的焓值為5.98 MW，溫度為300 ℃。

圖4 蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠能量平衡Fig.4 The energy balance diagram of coal-fired power plant with steam Rankine cycle

再生加熱器的換熱容量分布如圖5所示?？倱Q熱容量為5.68 MW，最大的換熱容量位于除氣器，約占總換熱容量的22.31%。5個(gè)低壓再生加熱器的換熱能力非常接近?？梢钥闯?，超臨界二氧化碳燃煤電廠的鍋爐效率低于蒸汽朗肯循環(huán)電廠；另一方面，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的效率高于蒸汽朗肯循環(huán)。結(jié)果表明，超臨界二氧化碳燃煤電廠的凈發(fā)電效率高于帶蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠。

圖5 再生加熱器的換熱容量分布Fig.5 Heat exchange capacity distribution of the regenerative heaters

研究中，超臨界二氧化碳燃煤電廠的鍋爐效率僅為91.26%，低于蒸汽朗肯循環(huán)電廠的鍋爐效率(93.46%)。這主要是由于超臨界二氧化碳燃煤電廠中一氧化碳的不完全燃燒損失較大，如圖6所示。

圖6 電廠鍋爐內(nèi)的能量損失分布Fig.6 The energy loss distribution in boiler of the power plants

由于進(jìn)入超臨界二氧化碳燃煤電廠的二氧化碳溫度(515.48 ℃)和預(yù)熱空氣溫度(506.53 ℃)高于進(jìn)入鍋爐的水溫度(300 ℃)和預(yù)熱空氣溫度(263.64 ℃)，超臨界二氧化碳鍋爐的平均溫度高于水蒸汽鍋爐。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)，超臨界二氧化碳鍋爐的煙氣中會(huì)存在更多的一氧化碳，從而導(dǎo)致較大的不完全燃燒損失。為避免這種情況，提高超臨界二氧化碳鍋爐效率，應(yīng)采用新的鍋爐配置設(shè)計(jì)。該部分介紹了電廠能量平衡的比較。由于鍋爐平均溫度較高，導(dǎo)致一氧化碳不完全燃燒較大。因此，超臨界二氧化碳鍋爐的鍋爐排氣量小于水蒸汽鍋爐。但由于超臨界二氧化碳循環(huán)的循環(huán)效率高于蒸汽朗肯循環(huán)，超臨界二氧化碳燃煤電廠的凈發(fā)電效率達(dá)到49.06%，高于采用蒸汽朗肯循環(huán)的燃煤電廠(48.12%)。

結(jié)合電廠的能量平衡可以看出，盡管超臨界二氧化碳鍋爐的鍋爐效率低于水蒸汽鍋爐，但超臨界二氧化碳鍋爐系統(tǒng)的燃燒效率高于水蒸汽鍋爐。超臨界二氧化碳循環(huán)和蒸汽朗肯循環(huán)的燃燒效率分別為84.28%和89.16%。對(duì)于冷凝器，雖然超臨界二氧化碳燃煤電廠和蒸汽朗肯循環(huán)電廠的能量損失分別為5.36、5.76 MW，但能耗損失分別僅為0.356、0.204 MW。

3.2 超臨界二氧化碳燃煤電廠的節(jié)能機(jī)制

根據(jù)超臨界二氧化碳燃煤電廠和蒸汽朗肯循環(huán)燃煤電廠的能量及能平衡結(jié)果，電廠的能量及能轉(zhuǎn)移路徑如圖7所示。揭示了采用超臨界二氧化碳循環(huán)的燃煤電廠與蒸汽—朗肯循環(huán)相比的節(jié)能機(jī)理。2個(gè)電廠的能量轉(zhuǎn)移分為鍋爐系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)移、電力循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)移、鍋爐系統(tǒng)與動(dòng)力循環(huán)之間的能量轉(zhuǎn)移3個(gè)過(guò)程。實(shí)際上，鍋爐系統(tǒng)與動(dòng)力循環(huán)之間的能量傳遞是在整個(gè)鍋爐的冷卻壁、過(guò)熱器和再加熱器中實(shí)現(xiàn)的。

圖7 超臨界二氧化碳燃煤電廠節(jié)能機(jī)理Fig.7 The energy-saving mechanism diagram of SC-CO2 coal-fired power plant

由圖8可知，2個(gè)電廠的煤能耗相同。在煤的燃燒過(guò)程中，能量供體是煤的燃燒反應(yīng)，能量受體是燃燒產(chǎn)物。超臨界二氧化碳鍋爐中燃燒產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率為81%，高于水蒸汽鍋爐(78%)。這主要是由于超臨界二氧化碳鍋爐的燃燒溫度較高所致。另一方面，由于燃燒產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率較高，超臨界二氧化碳鍋爐對(duì)煤燃燒過(guò)程的燃燒破壞較小。能量從煤的燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)移到燃燒產(chǎn)物后，大部分能量被冷卻壁、過(guò)熱器和再加熱器中的工作介質(zhì)吸收。雖然超臨界二氧化碳電廠鍋爐系統(tǒng)與電力循環(huán)之間的能量傳輸量小于朗肯循環(huán)的電廠，但轉(zhuǎn)化效率(64%)高于朗肯循環(huán)的電廠(58%)。換句話說(shuō)，從鍋爐系統(tǒng)輸送到超臨界二氧化碳的能量比向蒸汽系統(tǒng)更多。

綜上所述，超臨界二氧化碳鍋爐系統(tǒng)的燃燒效率(57.0%)高于蒸汽鍋爐系統(tǒng)(52.8%)，但鍋爐效率則相反(超臨界二氧化碳鍋爐系統(tǒng)和蒸汽鍋爐分別為91.3%和93.5%)。因此，盡管從鍋爐系統(tǒng)輸送到工作介質(zhì)中的能量較小，但更多的可用能源被輸送到超臨界二氧化碳燃煤電廠的工作介質(zhì)中。換句話說(shuō)，超臨界二氧化碳燃煤電廠在鍋爐系統(tǒng)與電力循環(huán)之間傳遞的能量水平高于蒸汽朗肯循環(huán)電廠。另一方面，超臨界二氧化碳循環(huán)的循環(huán)效率(53.8%)高于蒸汽朗肯循環(huán)(51.5%)，將較高的能級(jí)從鍋爐系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到電力循環(huán)的能量在超臨界二氧化碳循環(huán)中產(chǎn)生更多的工作，這有助于提高整個(gè)超臨界二氧化碳燃煤電廠的發(fā)電效率。

4 結(jié)論

采用超臨界二氧化碳循環(huán)作為燃煤電廠的最底循環(huán)，是一種很有前途的高效、清潔利用煤炭發(fā)電的技術(shù)。從能源和能量平衡2方面對(duì)超臨界二氧化碳燃煤電廠與蒸汽朗肯循環(huán)電廠進(jìn)行了比較，揭示了超臨界二氧化碳燃煤電廠的節(jié)能機(jī)理。在32 MPa/620 ℃和二次再熱工藝條件下，超臨界二氧化碳燃煤電廠的發(fā)電效率(49.06%)比蒸汽朗肯循環(huán)電廠(48.12%)更高，揭示了超臨界二氧化碳燃煤電廠的節(jié)能機(jī)理。由于超臨界二氧化碳燃煤電廠鍋爐系統(tǒng)的鍋爐效率較低，燃燒效率較高，轉(zhuǎn)移到超臨界二氧化碳循環(huán)的能量水平高于轉(zhuǎn)移到朗肯循環(huán)的能量水平，二氧化碳所吸收的能量通過(guò)超臨界二氧化碳循環(huán)產(chǎn)生更多的機(jī)械功率。