张一童 周涛
(1 东南大学能源与环境学院 江苏南京 210096 2 核热工安全与标准化研究团队 江苏南京 210096)
随着科技的发展和时代的进步,对环境污染的预防和对高效能源的利用越来越受到重视。当CO2在达到临界状态时,作为工质循环可以得到相比于其他工质更高的热效率,在20世纪60~70 年代就曾掀起过研究的热潮,只是由于当时相关技术还不够成熟,比如材料耐高温能力不足、缺少高效紧凑的换热器等,并未得到很好的推广。随着关键技术的进步,Michael[1]曾提 出3 种S-CO2冷却快堆的设计方案,其中高性能的设计方案净效率可高达49%;赵全斌等[2]的研究表明SCO2动力转换系统对于我国大型钠冷快堆的研究有着相当重要的意义。根据Simon 等[3]的研究,S-CO2动力循环也不存在钠和水的反应,具备循环效率高等诸多优势。CO2属于温室气体,如果作为工质替代蒸汽,在无泄漏的情况下循环利用,可以实现CO2的零排放,对保护环境、实现碳中和有很大的帮助。已经有诸多研究表明S-CO2布雷顿循环的优势和应用前景,在火力发电、核电和太阳能发电领域都有所应用。通过对S-CO2在不同领域中的循环效率和建设成本等进行比较,得到S-CO2在火力发电、核电和太阳能发电领域的应用特点,以更好地帮助S-CO2在不同能源领域发挥优势。
超临界二氧化碳的部分性质如表1 所示。
从表1 可以看出,超临界CO2(S-CO2)有着高密度、低黏度和低压缩系数的特点,同时具备液体的高密度和传热载热能力和气体的良好流动性。S-CO2的临界温度较为接近环境温度,更便于完成从热源的吸热和向冷源的放热。其具备的高密度的优点,可以增加设备的紧凑程度,节省占地面积。S-CO2动力循环还有着最高温度和压力适中的特点,因此并不需要采用较高耐温等级的材料,使得设备成本下降。一般来说,处于压缩机进口的CO2处于刚达到超临界的状态,工质的可压缩性很小,可以当作不可压缩流体来看待,使得压缩机在这个区域的耗功很小。
表1 超临界二氧化碳性质
布雷顿循环在理想情况下的p-v 曲线和T-S 曲线如图1、图2 所示。
图1 布雷顿循环p-v 图
图2 布雷顿循环T-S 图
从图1 和图2 可以看出,超临界CO2布雷顿循环包括4个基本过程:绝热压缩(1-2)、绝热膨胀(3-4)、定压加热(2-3)和定压放热(4-1)过程。
根据叶侠丰等[4]的研究,基本的布雷顿循环工艺流程如图3 所示。
图3 布雷顿循环工艺流程
从图3 可以看出:在布雷顿循环过程中,首先,低温低压的S-CO2工质在压缩机中进行压缩,变为高压工质,然后先经由回热器中的乏汽进行第一步的预热处理,被热源进一步加热,达到符合要求的高温高压工质。这些高温高压工质将会在透平膨胀机中进行绝热膨胀,带动发电机发电,而已经做完功的乏汽将进入回热器中进行余热余能的回收,用来对压缩机送入的低温高压工质进行预热处理,最后进入压缩机中压缩,至此完成了整个布雷顿循环。
2.1.1 循环方式
根据冯岩等[5]的研究,这里以部分冷却循环方式为例来进行分析,流程如图4 所示。
图4 部分冷却及改进回热循环流程
从图4 可以看出,部分冷却S-CO2的温度较低,吸热温差大,可以提高换热效率,同时工质的流量也可以大大减少。以便选择从主压缩机出口或者高温回热器入口处采用工质分流,这部分工质可以送往冷却锅炉的烟气,降低锅炉排烟温度,这样做会使得循环效率降低,但是由于降低了排烟温度,所以从整体角度思考,系统的热效率更高。在传统的火力发电厂中,一般是采用朗肯循环来进行火力发电,可以直接用SCO2布雷顿循环直接代替朗肯循环,并依据布雷顿循环与朗肯循环的区别来对对应设施进行改进,就可以得到符合要求的大容量机组。
2.1.2 与蒸汽工质的循环效率比较
依据王为术等[6]和周海澜等[7]对火电机组效率的研究,可以得到不同工质机组的循环效率如表2 所示。
表2 火电机组效率
从表2 可以看出,S-CO2机组的循环效率比传统的蒸汽循环效率高3%~10%,但是平均成本也会高出5%~8%。从经济上来讲,与目前燃煤发电的方式相比较,S-CO2机组的循环效率其实并没有显著的提高。由于其需要大量的回热器,参照当前国际上的价格,版型回热器[8]一般为500 元/kWth~600 元/kWth,如果折算为单位装机容量,差不多为2 500 元/kWe~3 000 元/kWe。虽然有着循环效率高和其他方面的优势,但是经济性方面稍有不足。如果能够降低所需的成本,那么对于S-CO2的推广必然有着很大的帮助。
2.2.1 循环方式
以钠冷快堆为例,根据齐少璞等[9]的研究,循环原理如图5 所示。
图5 钠冷快堆采用S-CO2 动力循环流程
从图5 可以看出,在钠冷快堆中使用S-CO2作为工质可以避免钠水反应的发生,提高安全性。CO2是1 种良好的一回路冷却剂,同时S-CO2应用于第4 代核反应堆可以获得更高的循环热效率和安全性。第4 代堆型可以达到500 ℃~900 ℃,以往的蒸汽工质已经无法满足需求。
2.2.2 与蒸汽工质的循环效率比较
S-CO2与He 和水蒸气在堆芯出口温度变化时,其循环热效率[10]的变化如图6 所示。
图6 3 种工质在不同温度下的循环效率
从图6 可以看出,当温度处于500 ℃~800 ℃的时候,SCO2的循环热效率明显高于He 和水蒸气,这就是S-CO2的显著优势。如果使用He 作为工质,想要达到较高的循环效率,就需要工质拥有较高的温度,对于容器的材料要求很高,用水蒸气作为工质,其温度适应范围较小。
从阎昌琪[11]和Dostal 等[12]对核电机组效率的研究,可以得到表3。
表3 核电机组效率
从表3 可以得知,我们在第4 代反应堆中选择使用S-CO2作为工质,可以使循环效率提升12%左右。由于S-CO2布雷顿循环系统可以使用较小的占地面积,设备更加紧凑,因此在小型堆的应用前景很好。在常规岛中使用代替传统的汽轮机组,节省占地面积。按照目前的发展方向,小型机组的研发越来越受到广泛关注。在小型机组中,如果采用压水堆,二回路中温度相对较低(290 ℃左右),采用汽轮机组的效率本来就不高,而使用S-CO2时效率更低,S-CO2与压水堆匹配结合效果并不好。而S-CO2与高温气冷堆,钠冷快堆等的组合都相对较好,兼具设备紧凑,规模小和循环热效率高的优势,在小规模堆型中有着很好的应用前景。
2.3.1 循环方式
根据程虎等[13]的研究,基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式光热发电系统如图7 所示。
图7 基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式光热系统图
由图7 可知,在该系统中,S-CO2与高温熔融盐换热,最后到涡轮机中膨胀做功。目前太阳能光热发电仍以水蒸气的朗肯循环为主要方式,Sarkar[14]认为用S-CO2布雷顿循环代替朗肯循环可以获得更好的效果。首先,减少了水资源的消耗,其次S-CO2高密度的特性可以使得设备更加紧凑,在干旱缺水、光照充足的地区应用有着显著的优势。太阳能光热发电的1个问题在于投资成本较高,国际上光热电站单位投资约为4 200 美元/kW~4 800 美元/kW,国内某光热电站投资约为17 亿元,相比较于火电站,成本高了数倍。部分关键设备和材料,比如镍基合金钢和耐高温涂层等仍需要从国外进口,也使得成本居高不下,光热发电难以得到推广。
2013 年,美国可再生能源实验室(NREL)对S-CO2在塔式太阳能发电中的研究[15]表明,S-CO2循环包括直接循环和间接循环两种方式,S-CO2在太阳能吸热器中直接吸收热量叫做直接循环,而间接循环则是太阳能先传递给熔融态的盐类等工质,再进一步传递给S-CO2。2 种方式的比较如表4 所示。
表4 太阳能发电中2 种不同S-CO2 循环方式比较
2.3.2 与蒸汽工质的循环效率比较
以S-CO2为工质的光热系统[16]发电效率如表5 所示。
表5 不同运行场景下某光热系统的日均运行效率 (%)
从表5 可以看出,太阳能发电的一个问题是效率不高,虽然S-CO2的使用可以使得发电效率有所提升,但是与传统的火力发电相比较效率还是较低,而且会受到天气与环境的影响。
将S-CO2和蒸汽工质在3 种领域中的应用特点进行比较,得到表6。
表6 不同领域不同工质机组比较
从表6 可以看出,在3 种领域中,以S-CO2为工质的机组循环效率都高于蒸汽工质机组,但在不同领域中也分别存在相应的问题,各自存在其应用特点。
从表6 可以看出,超临界二氧化碳布雷顿循环在火力发电、核电和太阳能领域中存在共性特点。
(1)循环效率高。在火力发电、核电和太阳能领域中都可以提高循环效率,只是效率提高的比例有所不同,分别为2%~4%、10%~12%和3%~4%。
(2)对换热器要求较高。S-CO2对于换热器等关键部件和材料需求较高,要求换热性能和设备紧凑性好,因此关键部件成本也会比蒸汽工质要高。
(3)工作温度范围广。S-CO2可在400 ℃~700 ℃应用,大于蒸汽工质的工作温度范围。
从表6 可以看出,超临界二氧化碳布雷顿循环在火力发电、核电和太阳能领域中也有各自特点。
(1)火电机组的设备改动成本低。S-CO2布雷顿循环可以在原有的朗肯循环基础上对设备进行改动,省去了新建造新设备的费用。
(2)小堆在军民融合的前景良好。钠冷快堆里S-CO2可以避免钠水反应的发生,提高核电站的安全性。核电站的问题是建设成本较高,S-CO2的高密度可以使得设备更加紧凑,节省占地面积,可以促使其在小堆和军民融合中广泛应用。
(3)光热电站在干旱地区的前景较好。由于受天气影响较大,在光照充足而干旱的地方,无法提供水作为工质,S-CO2的应用前景比较好。但主要问题在于光热电站本身的成本远高于火电站,使用S-CO2为工质,成本仍然居高不下,虽然光热电站省去了燃料费,但是设备的整体造价和成本还是高于汽轮机组。
在3 种不同能源领域中,依据循环方式对S-CO2布雷顿循环和传统蒸汽工质的循环效率和建造成本等进行分析比较,得到在3 种领域中的应用特点。
(1)S-CO2布雷顿循环应用于火电领域循环效率可以提高2%~4%,如果能够解决高效紧凑换热器的问题,可以在原有的朗肯循环基础上对设备进行改进,进而实现大规模推广。
(2)在核电领域中,S-CO2具备诸多优势,循环效率可以比蒸汽工质高出12%左右,安全性好,设备更加紧凑,在核电厂小规模化和军民融合中的应用广泛,是应用前景最好的能源领域。
(3)S-CO2布雷顿循环在太阳能发电中可以提高效率3%~4%,在光照充足的干旱地区优势显著,但无论直接式循环还是间接式循环的整体效率都只有20%左右,和火力发电、核电相比差距明显,加之高昂的建造成本,短时间内很难实现推广。