在煤富氧燃烧下的超临界CO2再压缩循环的热力学分析

冯雪佳,王顺森

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)

近年来,碳捕集技术[1-2]因能大幅降低CO2排放被看作为重要的节能减排措施之一[3-5],然而碳捕集模块的加入会增加发电系统的能耗,降低电站的供电效率。燃烧前捕集主要应用于整体煤气化联合循环(IGCC)技术,该技术会导致IGCC电站供电效率降低7%～11%[6-7]。燃烧后捕集理论上适用于所有的燃煤机组[8],该技术会导致燃煤机组供电效率降低8%～13%[9-12]。解决这一问题的有效方法是降低碳捕集的能耗或者尽可能地提高电站整体供电效率。

富氧燃烧技术[13]可以减少碳捕集的能耗,但由于空分装置能耗大,导致供电效率下降接近10%[14]。目前超临界CO2循环因具有高效的供电效率受到广泛的关注[15-16],已有研究表明,在相同的条件下,超临界CO2循环发电效率比水蒸气朗肯循环的发电效率高。Park等学者研究了一种超临界CO2循环耦合传统燃煤锅炉的发电系统,与现有的水蒸气朗肯循环对比,发现其供电效率可以提高6.2%～7.4%[17]。Allam等开发了一种新型的超临界CO2循环,称作Allam循环,燃料在燃烧室内进行富氧燃烧,产生的烟气进入透平膨胀作功,发电效率可以高达52%[18]。

超临界CO2循环耦合常规燃煤锅炉发电系统的优越性已被广泛地验证,可是少有文献对超临界CO2循环耦合煤富氧燃烧的复合系统进行相关研究,实际上这种复合系统的性能是很受期待的。煤的富氧燃烧有助于减少碳捕集的能耗,而超临界CO2循环可以提高整个循环发电效率。在富氧燃烧系统中,空分装置存在较大的能耗,降低空分能耗或者回收空分装置中的能量是非常必要的。赵永明等考虑在煤气化超临界CO2系统中集成空分余热,结果表明利用空分余热可以提高供电效率1.68%[15],因此对这种复合系统可以考虑集成空分装置的可利用能量,从而提高系统发电效率。针对上述思路,本文提出一种基于煤富氧燃烧的超临界CO2再压缩循环复合发电系统,将空分装置与循环进行热集成,并对系统进行了详细的热力学分析,同时对相关参数进行了优化。文中还开展了该系统的概念设计和循环的热力学分析,评价了系统的整体特性。

1 系统描述

1.1 循环流程

图1给出了超临界CO2循环耦合煤富氧燃烧复合发电系统的流程图,主要部件包括压缩机、冷凝器、回热器、常压锅炉、透平、空分装置等。经过预处理后的煤进入常压锅炉在纯氧与CO2环境中燃烧,产生含高浓度CO2的高温烟气,该烟气一部分携带空分装置提供的纯氧进入锅炉,用于控制锅炉的燃烧温度,其余烟气进入回热器回收余热。循环侧高压CO2在锅炉中经加热到最高温度,然后进入透平膨胀做功,透平乏气进入回热器预热循环工质。回热器出口的CO2分为两部分:一部分经冷凝器放热后压缩到循环最高压力,然后进入低温回热器、高温回热器预热后再进入锅炉加热;另一部分直接压缩到循环最高压力,然后进入高温回热器预热后进入锅炉加热。

图1 超临界CO2循环耦合煤富氧燃烧发电系统的流程图

该复合发电系统中由于加入了空分装置会导致较大的能耗损失,因此考虑将空分装置中空压机的低品位热能集成到循环回热器中,尽可能地回收空分装置中可利用的余热,达到能量梯级利用的目的。回热器中CO2在低压区和高压区的比热容存在较大差异,从而导致回热器在相同的流量下存在热源不足以及较大的端差温度,因此布局再压缩循环分流冷源来调节回热器的最小夹点温差。

1.2 数学模型

为了简化系统的数学模型,本文做了如下假设:

(1)系统处于稳定流动状态;

(2)透平和压缩机与环境无换热;

(3)冷却水温度和环境保持一致;

(4)回热器和连接管道的压力损失忽略不计。

基于上述假设根据质量守恒定律和能量守恒定律,对各设备建立数学模型。各部件损以及效率的定义如表1所示。

系统净输出功为

Pe=(Wt-Wc)ηm-WASU-Wp-Wpul

(1)

考虑系统主要耗功部件如循环水泵、空分、磨煤机、压缩机等,系统供电效率计算公式为

ηe=Pe/Qf

(2)

式中:Qf为锅炉输入热负荷。

ηexg=Pe/Xf

(3)

式中:Xf为锅炉输入。

表1 部件损以及效率定义

表1 部件损以及效率定义

部件损效率锅炉Iboi=Xfuel+Xin-XoutηII,boi=(Xout-Xin)/Xfuel回热器Ireg=∑Xin-∑XoutηII,reg=1-Ireg/∑Xin透平Itur=Xin-Xout-WtηII,tur=1-Itur/(Xin-Xout)压缩机Icom=Xin-Xout+WcomηII,com=1-Icom/Wcom冷凝器Icon=∑Xin-∑XoutηII,con=1-Icon/∑Xin

2 计算与分析

2.1 基本工况下系统的热力性能分析

系统工质热物理性质按照NIST数据库提供的REAFPROP软件进行计算,在Matlab平台上搭建系统的仿真程序。表2列出了在环境温度为25 ℃、环境压力为0.1 MPa下的基本工况的计算条件以及系统各部件的效率值[19]。

表2 基本工况计算条件及系统各部件的效率值

基于基本工况计算条件,系统分析了空分热集成对热力学性能的影响,结果如表3所示。结果表明,无热集成系统的供电效率为41.82%,通过空分装置与热力系统集成可以使系统基本工况供电效率提高到43.75%,可见空分余热集成利用具有显著的热经济性,供电效率可提高1.93%。这是因为在回热器中冷源CO2的比热容相对较大,回热器在低品位区存在热源不足的情况(这也是采用再压缩提高CO2循环效率的主要机理),利用空分余热集成,可在低品位区提供热源,达到能量梯级利用的目的,进而降低再压缩分流系数,减少压缩机耗功以及锅炉热负荷。基于基本工况的计算结果,表4给出了热集成系统在基本工况下的分析结果,同时系统的能量流图、流图如图2、图3所示。可以看出,系统的效率为42.81%,在整个系统中锅炉的损比例最大,占循环损的82.29%,其次是回热器的损,占循环损的8.85%。若考虑从部件着手来提高系统的热力学性能,锅炉、回热器等高损部件需特别关注。

表3 系统热力学性能结果

表4 系统的分析结果

表4 系统的分析结果

部件损/kW损比例/%效率/%锅炉137.18982.2949.71回热器14.7538.8598.05透平8.0114.8195.51压缩机3.0191.8191.96冷凝器3.7492.2498.77系统42.81

图2 系统能量流图

图3 系统流图

文献[20]已对CO2再压缩循环透平入口温度、透平效率、压缩机效率的热力学敏感性进行了分析,本文加入再压缩是为了使回热器满足最低夹点温差,因为分流系数与回热器的最低夹点温差是相关联的。在本节热力学性能分析中,主要考虑透平入口压力、出口压力、循环最低温度对系统的影响。图4给出了不同循环最低温度、透平出口压力对系统性能的影响,可以看出随着循环最低温度的升高,对应的最佳透平出口压力也随之增大。在较低的透平出口压力下,循环最低温度越低,效率提高越显著,而随着透平出口压力的升高,尤其是当压力超过临界压力(7.38 MPa)后,则存在最佳的循环最低温度。此外可以发现,循环最低温度对应的最佳透平出口压力基本等于该温度对应的饱和压力。

图4 循环最低温度对系统性能的影响

图5 透平入口压力对系统性能的影响

图5给出了不同透平入口压力、出口压力对系统供电效率的影响,可以看出不同的透平入口压力存在相同的最佳透平出口压力。结合图4可知,系统的最佳透平出口压力是由循环最低温度决定的。在较低的透平出口压力下,透平入口压力越低供电效率越高,而在较高的透平出口压力下,透平的入口压力越高,则供电效率越高,这是由于系统回热器压缩机空分耦合集成的原因。回热器中,CO2在低压区和高压区的比热容存在较大差异,以及压缩机CO2状态变化时物性突变导致了系统对透平入口压力、出口压力以及循环最低温度的较大敏感性。此外,透平出口压力处于最佳值时,压比越大,供电效率越高,但效率增加趋势有所减缓。

2.2 热力学优化与对比

为进一步分析本文提出的复合系统的优劣,与现运行的某超超临界燃煤机组进行对比,对比参考的某1 000 MW超超临界燃煤机组热力系统图如图6所示,其主蒸汽温度为600 ℃,主蒸汽压力为26.25 MPa,与本文系统主要运行条件基本相同。此外,该机组采用循泵变频的方式调节循环水系统进行了冷端综合优化,利用循泵变频技术,宽负荷地调节循环水量至最佳,从而保障机组在不同的冷却水温度变化过程中,尽可能地提高供电效率,降低供电煤耗。

图6 某1 000 MW超超临界燃煤机组热力系统图

采用遗传算法对超临界CO2系统进行优化,以供电效率为优化的目标函数,透平出口和入口压力两个关键热力学参数作为决策变量,其中透平出口压力取值范围为2～10 MPa,透平入口压力取值范围为20～30 MPa。考虑到系统实际运行会受到一年四季环境因素的影响,针对不同的循环最低温度进行优化计算,可得出系统随冷却水温度变化的最优效率曲线。本文提出的复合系统与采用冷端优化后的1 000 MW超超临界燃煤机组随冷却水温度变化的最优供电效率曲线对比结果如图7所示。

图7 系统供电效率及对应最佳透平出口压力随冷却水温度的变化

经遗传算法优化计算得出,最佳透平入口压力始终保持在30 MPa。从图7可以看出,在临界温度31.2 ℃下,最佳透平出口压力曲线基本与CO2饱和压力曲线重合。此外,与经冷端综合优化改造的某1 000 MW超超临界燃煤机组进行对比,可以发现超临界CO2系统对循环水温度的变化更敏感。这是因为本系统中的超临界CO2循环是采用压缩机进行加压,而压缩机耗功对进气初始温度比较敏感,尤其是当进气初始温度超过临界温度后,CO2处于超临界状态,压缩机耗功大幅上升[19]。另外还可以发现,当平均冷却水温度低于27 ℃时,本系统供电效率更高,热经济性更好。

3 结 论

本文提出一种基于煤富氧燃烧的超临界CO2再压缩循环复合发电系统,将空分装置与循环进行热集成,对该系统进行了详细的热力学分析。利用遗传算法对系统进行热力学优化并与采用了冷端优化的1 000 MW超超临界燃煤机组进行对比,所得结论如下:

(1)在基本工况下,无热集成系统的供电效率为41.82%,通过空分装置与热力系统集成可以使系统基本工况供电效率提高到43.75%,比无集成系统提高1.93%。基本工况下锅炉的损比例最大,占循环损的82.29%,其次是回热器的损,占循环损的8.85%。

(2)在回热器最低夹点温差保持一定的条件下,系统的最佳透平出口压力是由循环最低温度所决定的,最佳透平出口压力曲线基本与CO2饱和压力曲线重合。透平出口压力处于最佳值时,压比越大,供电效率越高,但效率增加趋势有所减缓。

(3)与采用了冷端优化的1 000 MW超超临界燃煤机组对比,尽管本系统供电效率对冷却水温度更加敏感,但在平均冷却水温度低于27 ℃的区域,本系统具有更高的供电效率以及更好的热经济性。