陳東旭， 韓中合， 郭董陽， 白亞平， 李 鵬

(1.華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，河北保定 071003；2.華北電力大學(xué) 動力工程系，河北保定 071003)

在“雙碳”背景下，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，需要大力發(fā)展可再生能源以及提高系統(tǒng)能量效率[1]。高比例的可再生能源會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。為平衡波動的可再生能源，除配備相應(yīng)規(guī)模的儲能裝置外[2]，還要依靠煤電的靈活調(diào)節(jié)能力[3]；另一方面，隨著城市規(guī)模不斷擴大，居民對供熱的需求不斷增加[4]。因此，對燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效率及靈活性提升進行研究具有重要意義。

對于以蒸汽為工質(zhì)的傳統(tǒng)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，在效率提升方面，Ma等[5]提出一種新型的超高背壓復(fù)疊供熱系統(tǒng)，結(jié)果表明在整個采暖期，新系統(tǒng)共節(jié)約標準煤7.2萬t。Zhang等[6]在抽凝+背壓的組合機組中引入蒸汽噴射泵，以回收背壓單元的多余排汽熱量，結(jié)果表明設(shè)計工況下新系統(tǒng)的煤耗降低6.77 g/(kW·h)。在靈活性提升方面，Zhao等[7]將靈活性提升技術(shù)分為“電轉(zhuǎn)熱”和“輔助熱源”2類，并對各種技術(shù)進行了對比。Liu等[8]分析了5種熱電解耦技術(shù)對抽凝熱電機組的影響，結(jié)果表明加儲熱罐的方案節(jié)能效果最佳，加熱泵的方案次之。

目前，以超臨界二氧化碳(SCO2)為工質(zhì)的循環(huán)技術(shù)受到廣泛關(guān)注[9]。SCO2循環(huán)具有效率高、設(shè)備緊湊和靈活性好等優(yōu)點[10]，將其應(yīng)用于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是提升系統(tǒng)效率及靈活性的一個新途徑。鄭開云[11]對SCO2循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行初步研究，結(jié)果表明系統(tǒng)的能量利用率最高可達90%。吳佐蓮等[12]對SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行初步設(shè)計，并計算分析了該系統(tǒng)的能量效率和調(diào)峰能力。Sun等[13]對比了不同結(jié)構(gòu)的SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)果表明系統(tǒng)的能量效率和效率最高分別達到91.98%和44.06%。目前鮮有對SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電輸出特性的深入分析以及設(shè)計條件變化對該系統(tǒng)性能影響的研究。

為研究SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能特點，并指出系統(tǒng)性能提升的方向，筆者通過Ebsilon軟件建立該系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)模擬結(jié)果分析系統(tǒng)設(shè)計工況和非設(shè)計工況下的熱力性能，深入分析系統(tǒng)的熱電輸出特性。隨后，研究壓縮機入口壓力、預(yù)冷器出口溫度和限制條件變化對系統(tǒng)熱力性能及靈活性的影響。研究結(jié)果可為SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)流程

圖1為典型SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖[12]，其中G為發(fā)電機，1～10為流程中管道序號。該系統(tǒng)基于簡單回?zé)嵫h(huán)，由于鍋爐尾部煙氣溫度較高，需要從循環(huán)側(cè)分流出一部分工質(zhì)進入鍋爐尾部受熱面吸熱。具體流程如下：SCO2在壓縮機內(nèi)被壓縮升壓，隨后通過分流器進行分流，一股SCO2進入鍋爐尾部受熱面吸收煙氣的熱量，另一股SCO2進入回?zé)崞魑諢醾?cè)SCO2的熱量。2股SCO2經(jīng)混合器混合后進入鍋爐主受熱面吸熱，隨后進入透平膨脹做功，帶動發(fā)電機輸出電能。做功后低壓的SCO2經(jīng)過回?zé)崞骷訜崂鋫?cè)的SCO2，然后通過分流器進行分流，一股SCO2進入熱網(wǎng)加熱器對用戶供熱，另一股SCO2進入預(yù)冷器放熱。2股SCO2經(jīng)混合器混合后進入壓縮機，完成循環(huán)過程。

圖1 SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)節(jié)方式

在系統(tǒng)運行過程中，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的發(fā)電功率和供熱功率，滿足用戶的熱電負荷需求。該系統(tǒng)主要有3種調(diào)節(jié)方式：流量調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)[14]和分流調(diào)節(jié)[12]。對應(yīng)調(diào)節(jié)的參數(shù)為系統(tǒng)流量、透平入口溫度和供熱分流系數(shù)。系統(tǒng)流量為系統(tǒng)中未經(jīng)分流的管路處流量。供熱分流系數(shù)為供熱管路處流量與系統(tǒng)流量的比值。具體說明如下：

(1) 流量調(diào)節(jié)：通過改變系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的發(fā)電功率和供熱功率。

(2) 溫度調(diào)節(jié)：保持系統(tǒng)流量不變，通過改變透平入口溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的發(fā)電功率和供熱功率。

(3) 分流調(diào)節(jié)：通過改變熱網(wǎng)加熱器前的分流器的分流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的供熱功率。當供熱分流系數(shù)為1時，系統(tǒng)循環(huán)側(cè)的冷端熱量全部用于供熱；當供熱分流系數(shù)小于1時，部分熱量從預(yù)冷器排出。因此為避免熱量浪費，優(yōu)先選擇前兩種調(diào)節(jié)方式。

2 模型描述

2.1 模型驗證

采用Ebsilon軟件對系統(tǒng)建模，首先需要驗證Ebsilon建模的準確性。文獻[12]基于 FORTRAN平臺通過編寫程序?qū)CO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了熱力計算，所得結(jié)果具有可信度。因此按照該文獻中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和輸入?yún)?shù)進行建模，各參數(shù)模擬值與文獻值的對比如表1所示。其中，鍋爐輸熱率為單位時間內(nèi)向鍋爐輸入的熱量。通過計算可得，系統(tǒng)輸出參數(shù)的誤差均小于0.1%，可證明Ebsilon模擬結(jié)果的準確性。

表1 模擬值與文獻值的對比

2.2 設(shè)計工況模型

通過Ebsilon軟件建立SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，同時進行以下假設(shè)：(1) 整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；(2) 不考慮工質(zhì)機械能的變化；(3) 不考慮除鍋爐、鍋爐與透平間管道外的散熱損失；(4) 不考慮連接管道的壓損[15]；(5) 不考慮輔助設(shè)備的用電情況[15]。工質(zhì)的物性參數(shù)取自軟件內(nèi)置的物性數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)來源于NIST的REFPROP軟件?；趨⒖紶顟B(tài)的參數(shù)為0.1 MPa/25 ℃[16]，軟件可自動計算各狀態(tài)點的值。設(shè)計工況下的系統(tǒng)輸入?yún)?shù)如表2[12-13,17-18]所示。

表2 設(shè)計工況下的系統(tǒng)輸入?yún)?shù)

2.3 非設(shè)計工況模型

在Ebsilon軟件中設(shè)定各部件的特性曲線，以反映系統(tǒng)非設(shè)計工況下各部件的運行狀態(tài)。特性曲線的基本形式如下：

(1)

式中：Y為因變的特征參數(shù)；X為自變的特征參數(shù)；f為函數(shù)；下標N表示設(shè)計工況下。

對于透平的壓力-流量特性，采用軟件內(nèi)置的Stodola公式：

(2)

式中：p為壓力，MPa；T為溫度，K；qm為SCO2質(zhì)量流量，kg/s；下標in表示入口，out表示出口。

透平效率[14]為：

(3)

式中：η為效率；ρ為SCO2密度，kg/m3；下標t表示透平。

壓縮機效率[19]為：

(4)

式中：下標c表示壓縮機。

回?zé)崞鱾鳠嵯禂?shù)[20]為：

(5)

式中：K為傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；下標r表示回?zé)崞鳌?/p>

根據(jù)文獻[18]的數(shù)據(jù)擬合得到鍋爐效率為：

1.020 3

(6)

鍋爐壓損包含重力壓損和摩擦壓損，其中重力壓損與質(zhì)量流量無關(guān)，摩擦壓損與質(zhì)量流量的二次方成正比。對于鍋爐冷卻壁壓損，根據(jù)文獻[17]的計算結(jié)果可知，摩擦壓損約占總壓損的71%。除冷卻壁壓損外，還需考慮鍋爐其他受熱面的摩擦壓損。綜上，取鍋爐的摩擦壓損占總壓損的80%，則有：

(7)

式中：Δp為壓損，MPa。

為保證非設(shè)計工況下系統(tǒng)的安全運行，需要滿足以下限制條件：(1) 系統(tǒng)流量不能超過設(shè)計值；(2) 系統(tǒng)流量不能小于30%設(shè)計值；(3) 透平入口溫度tt,in不能低于300 ℃；(4) 鍋爐輸熱率不能超過設(shè)計值；(5) 為保證鍋爐穩(wěn)定燃燒，鍋爐輸熱率不能小于30%設(shè)計值。以上限制條件的公式表示如下：

(8)

2.4 系統(tǒng)評價指標

系統(tǒng)的能量效率ηen為：

(9)

其中,供熱功率為：

(10)

(11)

式中：κf為單位質(zhì)量燃料燃燒所釋放的熱量與熱量的比值，取1.026 67[16]。

系統(tǒng)的運行域為系統(tǒng)可輸出的熱電功率范圍。為在二維坐標系上繪制系統(tǒng)的運行域，對系統(tǒng)的發(fā)電功率和供熱功率進行量綱轉(zhuǎn)換。采用轉(zhuǎn)換系數(shù)?將功率單位轉(zhuǎn)換成長度單位，轉(zhuǎn)換系數(shù)?定義為坐標系上單位長度所對應(yīng)的功率，取100 MW/m。轉(zhuǎn)換后的發(fā)電功率LW和供熱功率LQ如下：

(12)

(13)

運行域面積Sopr的計算采用梯形公式：

(14)

式中：LW,i和LQ,i分別為第i個工況下轉(zhuǎn)換后的發(fā)電功率和供熱功率，m。

極限面積Slim為系統(tǒng)最大可輸出的熱電功率范圍的面積，計算公式如下：

Slim=LW,N·LQ,N

(15)

覆蓋率ξ定義為運行域面積與極限面積的比值，即

(16)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 設(shè)計工況

表3列出了系統(tǒng)設(shè)計工況下的模擬結(jié)果。由表3可知，系統(tǒng)設(shè)計工況下的鍋爐輸熱率為922.11 MW，輸出的發(fā)電功率為300 MW，供熱功率為527.53 MW，其中包含116.84 MW的供熱率。最終系統(tǒng)的能量效率和效率分別為89.74%和44.03%。由此可見，相比于能量效率，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效率較低。

表3 系統(tǒng)設(shè)計工況下的模擬結(jié)果

圖2 系統(tǒng)的能量分配

3.2 系統(tǒng)運行域

圖3展示了系統(tǒng)的熱電輸出特性。其中，陰影區(qū)域為系統(tǒng)的運行域，虛線方框內(nèi)的空余區(qū)域為系統(tǒng)待開發(fā)的熱電功率范圍。在系統(tǒng)運行域上標有4個交點、4條線和3塊區(qū)域，具體說明如下：

圖3 系統(tǒng)的熱電輸出特性

交點1(C1)：設(shè)計工況點。

交點2(C2)：流量調(diào)節(jié)至最低鍋爐輸熱率時的工況點。

交點3(C3)：最低鍋爐輸熱率和最低透平入口溫度時的工況點。

交點4(C4)：溫度調(diào)節(jié)至最低透平入口溫度時的工況點。

線1(L1)：流量調(diào)節(jié)線。

線2(L2)：最低鍋爐輸熱率限制線。

線3(L3)：最低透平入口溫度限制線。

線4(L4)：溫度調(diào)節(jié)線，也是最大系統(tǒng)流量限制線。

區(qū)域1(R1)：采用流量調(diào)節(jié)和分流調(diào)節(jié)的區(qū)域。

區(qū)域2(R2)：采用流量調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)的區(qū)域。

區(qū)域3(R3)：采用流量調(diào)節(jié)、分流調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)的區(qū)域。

通過計算，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行域面積為11.40 m2。文獻[7]中給出了傳統(tǒng)300 MW燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行域，通過計算，該系統(tǒng)的運行域面積為5.89 m2。因此，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性指標相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)提高了93.55%。此外，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的極限面積為15.83 m2，覆蓋率為72.05%。其中，R1的面積最大，為7.69 m2；R3的面積最小，為0.62 m2。由圖3可見，運行域面積與設(shè)計工況點C1、工況點C3和工況點C4的位置有關(guān)，與工況點C2的位置無關(guān)。在發(fā)電功率相同時，溫度調(diào)節(jié)方式下的供熱功率高于流量調(diào)節(jié)，說明溫度調(diào)節(jié)的可運行范圍更廣。

3.3 非設(shè)計工況

表4 5個典型非設(shè)計工況點的模擬結(jié)果

對比工況點A1和工況點A2可知，在發(fā)電功率相同時，溫度調(diào)節(jié)相比流量調(diào)節(jié)有更高的供熱功率和供熱率。這是由于溫度調(diào)節(jié)時系統(tǒng)流量維持在設(shè)計值，導(dǎo)致供熱管路處流量較大。但溫度調(diào)節(jié)時的能量效率和效率比流量調(diào)節(jié)時低，因此要根據(jù)實際的需求選擇合適的調(diào)節(jié)方式。

4 設(shè)計條件變化對系統(tǒng)性能的影響

4.1 壓縮機入口壓力變化

圖4展示了壓縮機入口壓力(p6)變化對系統(tǒng)熱力性能的影響。由圖4可見，隨著p6升高，供熱率逐漸降低，供熱功率和鍋爐輸熱率先降低后升高，最低點在9.6 MPa處。這是由于p6升高導(dǎo)致壓縮機出口溫度降低，回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度(t3)降低，熱網(wǎng)加熱器入口溫度(t4b)隨之降低。同時，p6升高導(dǎo)致透平出口壓力和溫度升高，透平比焓降減小，系統(tǒng)流量增大，熱網(wǎng)加熱器處流量也增大。對于供熱功率，在9.6 MPa之前，t4b的降低占主要影響；在9.6 MPa之后，熱網(wǎng)加熱器處流量的增大占主要影響。對于供熱率，t4b的降低始終占主要影響。

圖4 壓縮機入口壓力變化對系統(tǒng)熱力性能的影響

此外，透平出口溫度的升高和t3的降低導(dǎo)致回?zé)崞鳠醾?cè)放熱功率升高，鍋爐入口溫度(t10)升高。在9.6 MPa之前，t10的升高占主要影響，因此鍋爐輸熱率先降低。在9.6 MPa之后，系統(tǒng)流量的增大占主要影響，因此鍋爐輸熱率后升高。以上變化最終導(dǎo)致，隨著p6升高，系統(tǒng)的能量效率逐漸提高，效率逐漸降低。其中能量效率的增幅較小，效率的降幅較大。

圖5展示了p6變化對系統(tǒng)靈活性的影響。由圖5可見，隨著p6升高，系統(tǒng)運行域面積先減小后增大，最低點在10.4 MPa處。運行域面積的主要影響因素如下：在9.6 MPa之前，運行域上的設(shè)計工況點C1向左移動，工況點C3和工況點C4向左上方移動，因此運行域面積減?。辉?.6～10.4 MPa，工況點C4主要向上移動，因此運行域面積繼續(xù)減??；在10.4 MPa之后，設(shè)計工況點C1向右移動，工況點C3向右下方移動，因此運行域面積增大。

圖5 壓縮機入口壓力變化對系統(tǒng)靈活性的影響

綜上，當p6選取為7.6 MPa或11.2 MPa時，系統(tǒng)具有較好的靈活性和較高的供熱功率。進一步對比兩者，當p6選取為7.6 MPa時系統(tǒng)的供熱率和效率較高，這對于能量品質(zhì)需求高的用戶較為重要；當p6選取為11.2 MPa時系統(tǒng)的能量效率較高，從而可降低單位能量的煤耗。因此，p6的選取要根據(jù)實際的需求。

4.2 預(yù)冷器出口溫度變化

降低壓縮機入口溫度(t6)可降低壓縮機功耗，但由于要保證系統(tǒng)與熱網(wǎng)回水間有一定溫差，熱網(wǎng)加熱器出口溫度不能降低，因此可嘗試降低預(yù)冷器出口溫度(t5a)。通過初步研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計工況下預(yù)冷器管路處無流量，因此t5a變化對系統(tǒng)的設(shè)計工況和運行域沒有影響，僅對供熱分流系數(shù)小于1的非設(shè)計工況有影響。圖6和圖7分別展示了此類工況下t5a變化對系統(tǒng)能量效率和效率的影響。

由圖6可見，在不同的發(fā)電功率和供熱功率下，隨著t5a升高，系統(tǒng)的能量效率均逐漸降低。這是由于t5a的升高導(dǎo)致t6升高，壓縮機功耗升高，在發(fā)電量不變的情況下，透平輸出功升高，系統(tǒng)流量增大，鍋爐輸熱率升高，最終導(dǎo)致能量效率降低。此外，隨著供熱功率的下降和t5a的升高，能量效率降低，能量效率變化的幅度增大。隨著發(fā)電功率的下降和t5a的升高，能量效率提高，能量效率變化的幅度增大。

圖6 預(yù)冷器出口溫度變化對系統(tǒng)能量效率的影響

由圖7可見，在不同的發(fā)電功率和供熱功率下，隨著t5a升高，系統(tǒng)的效率均逐漸降低。這是由于t5a升高導(dǎo)致t6和t4b升高，在供熱功率不變的情況下，供熱率升高，但鍋爐輸熱率升幅更大，因此效率降低。此外，隨著供熱功率的下降和t5a的升高，效率降低，效率的變化幅度增大。隨著發(fā)電功率的下降和t5a的升高，效率在75%設(shè)計供熱功率和50%設(shè)計供熱功率時得到提高，效率變化的幅度增大。

圖7 預(yù)冷器出口溫度變化對系統(tǒng)效率的影響

綜上，當系統(tǒng)運行在供熱分流系數(shù)小于1的非設(shè)計工況時，可通過降低t5a的方式提高系統(tǒng)的能量效率和效率。

4.3 限制條件變化

為提高系統(tǒng)的靈活性，可嘗試突破系統(tǒng)運行時的限制條件。具體有以下3種方案：更低的鍋爐輸熱率(方案一)、更低的透平入口溫度(方案二)和更大的系統(tǒng)流量(方案三)。通過初步研究發(fā)現(xiàn)，改變限制條件對系統(tǒng)運行域有影響，但對系統(tǒng)的設(shè)計工況沒有影響。通過不同方案的對比，可提出優(yōu)先選擇的方案。

突破率定義為該方案下參數(shù)的突破量與設(shè)計量之比。圖8展示了不同方案下突破率變化對運行域面積的影響。由圖8可見，隨著突破率的提高，3種方案下運行域面積均逐漸增大，其中方案三的增幅逐漸減小。當突破率在0%～10%時，同一突破率下方案三對運行域面積提升的效果始終最好，方案一的效果始終最差。當突破率從0%增大到10%時，方案三使運行域面積增大9.32%，高于方案一的運行域面積增幅(2.32%)和方案二的運行域面積增幅(7.50%)。因此，在考慮系統(tǒng)靈活性提升時，優(yōu)先選擇方案三。

圖8 不同方案下突破率變化對運行域面積的影響

為清晰地展示不同方案對系統(tǒng)運行域的影響，在系統(tǒng)的熱電輸出特性圖上標出不同方案下增大的運行域面積，如圖9所示。由圖9可見，隨著突破率的提高，采用方案一時，工況點C3向左下方移動；采用方案二時，工況點C3向右下方移動，工況點C4向左下方移動；采用方案三時，工況點C4向右上方移動。3種方案下各交點均是向運行域面積增大的方向移動。

圖9 不同方案對系統(tǒng)運行域的影響

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計工況下，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量效率和效率分別為89.74%和44.03%。非設(shè)計工況下，溫度調(diào)節(jié)的可運行范圍比流量調(diào)節(jié)更廣，但能量效率和效率均比流量調(diào)節(jié)低。

(2) 當壓縮機入口壓力選取為7.6 MPa時，SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的效率和較好的靈活性；當該參數(shù)選取為11.2 MPa時，系統(tǒng)具有較高的能量效率和較好的靈活性。

(3) 當SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行在供熱分流系數(shù)小于1的非設(shè)計工況時，可通過降低預(yù)冷器出口溫度的方式提高系統(tǒng)的能量效率和效率。

(4) SCO2燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行域面積為11.40 m2，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)提高了93.55%。在考慮系統(tǒng)靈活性提升時，優(yōu)先選擇提高系統(tǒng)允許的最大流量。