600MW S-CO2循环燃煤发电系统的构建

李智远

(电力工业新疆发电用煤质量监督检验中心,新疆 乌鲁木齐 830000)

燃煤发电是现阶段我国主要的电力能源供应形式，提高燃烧发电效率是降低二氧化碳排放量的重要手段之一。在国家大力提倡节能减排的大背景下，提高燃煤发电效率，充分利用工质自身热量，是优化燃煤发电系统能量循环体系的主要思路。经过长期的研发投入，我国在该领域已经有了较为丰富的技术积累。超临界二氧化碳(supercritical CO2，简称S-CO2)技术具有透平等关键设备体积小、循环效率高等方面的优势，对锅炉金属材质的腐蚀性也相对较弱，应用前景十分广阔[1-3]。为进一步提升S-CO2循环燃煤发电效率，还需要在超临界二氧化碳技术的基础上构建S-CO2循环燃煤发电系统，实现“一次再热+中间冷却+两级压缩”的S-CO2动力循环，同时建立合适的循环参数体系[4-6]。利用抽流烟气冷却器和多回程空气预热器对常规S-CO2循环燃煤发电系统加以优化，合理应对该发电系统普遍存在的排烟温度过高问题。在此基础上，重点分析S-CO2循环燃煤发电系统循环效率与再压缩分流比、锅炉余热利用抽流比、高压透平进口压力、低压透平进口压力等主要参数之间的关系，进而提出S-CO2循环燃煤发电系统各项设备的合理布置方案以及相关的参数体系，使该发电系统达到较为理想的循环效率。

1 循环计算模型

本次研究将常规S-CO2循环燃煤发电系统和一次再热再压缩技术结合起来，所建立的燃煤发电工质流程如图1所示，图1中各项标识的含义如表1所示，燃煤发电系统T-S图如图2所示。工质在预冷器中完冷凝处理后，再交由主压缩机实施压缩处理，进入低温回热器吸热后流入高温回热器中吸热，经锅炉的冷壁加热后分别流入外置高温加热器和炉膛内置高温加热器中加热，待工质温度达到高压透平入口温度后共同注入高压透平内做功。工质在完成做功再次进入锅炉，经低温再热器和高温再热器处理后分别进入内置、外置高温再热器，待工质温度达到低压透平入口温度后进入低压透平做功。完成做功的工质依次进入高温、低温回热器，该状况下工质作为热源释放热量并转变为循环工质，完成一次 S-CO2发电循环[7-10]。

图1 S-CO2循环燃煤发电工质流程

表1 工质流程示意图标识含义

图2 S-CO2循环燃煤系统T-S图

1.1 循环参数计算方法

本次研究以能量和质量平衡方程为基础建立S-CO2循环燃煤发电的计算模型，并于REFPROP软件中采集工质物性参数。出于简化计算过程中的要求，本次研究对S-CO2循环燃煤系统作出以下5点假设：

(1)循环设备均在稳定状态下运行；

(2)循环参数的变化不影响循环设备中工质的压降，且在锅炉以外设备中，工质的压降均为常数，S-CO2循环燃煤模型相关设定参数如表2所示；

(3)各支流工质的温压参数相同；

(4)通过锅炉效率对锅炉热损失加以评价，不考虑工质在管道内流动及其他设备中的热交换损失；

(5)设定管道效率ηb=100%，即不考虑工质在管道流动过程中的压降损失和泄漏损失。

表2 S-CO2循环燃煤模型相关设定参数

19-CO2循环燃煤系统中各个动力设备节点的能量平均方程如下：

工质流量：D=(WHT+WLT)ηG-WMC-WRC

锅炉：QB=D[hHT,i-hHTR,ce+X2(hHTR,ce-hLTR,ce)+hLT,i-hHT,e]

低温回热器：D(hLTR,hi-hLTR,he)=DX1(hLTR,ce-hLTR,ci)

高温回热器：D(hHTR,hi-hHTR,he)=D(1-X2)(hHTR,ce-hHTR,ci)

预冷器：QPC=D(1-X1)(hPC,i-hPC,e)

发电效率：ηe=ηthηbηpηg

1.2 计算模型的验证

本次研究通过某公司生产的N660-25型600 MW等级超临界机组锅炉的运行状态数据来验证计算模型的可靠性。得到如图3所示的验证结果。

图3 计算模型验证结果

经实验研究发现，本次研究所提出的计算结果对于能够精确计算出N660-25型600 MW等级超临界机组锅炉的运行效率，在透平温度处于650～700 ℃的情况下，即使再循环含有再热，所得循环效率的偏差仍然被控制0.5%以内。由此可知，本次研究所构建的600 MW S-CO2循环燃煤发电模型能够用来界定循环效率与循环参数之间的关系，进而对循环参数的设定加以优化，达到提升循环效率的目的。

2 循环参数分析

2.1 再压缩分流比

不同锅炉高压透平进口压力下，再压缩分流比与循环效率之间的关系如图4所示。根据图4可知，通过对再压缩分流比进行优化的方式能够使循环效率达到最高水平，而高压透平进口压力与再压缩分流比直接相关，再压缩分流比与高压透平进口压力成反比。当高压透平进口压力为20 MPa时，最优再压缩分流比为0.41；当高压透平进口压力为30 MPa时，最优再压缩分流比为0.32。出现该状况的原因主要在于，高压透平进口压力的变化会改变工质进出口温度，进而使回热器换热效能发生变化。在进入低温回热器的工质流量份额因回热器的换热效能达到最高而发生变化，最终引起最优再压缩分流比发生变化[11-13]。

图4 再压缩分流比与循环效率关系曲线

2.2 锅炉余热利用抽流比

锅炉余热利用抽流比指的是在总工质流量中，由低温回热器冷侧出口进入锅炉尾部烟气冷却器这部分工质所占的比重。这部分工质可以显示降低锅炉的排烟温度，进而实现锅炉效率的提升。然而，在锅炉余热利用抽流比过大的情况下，冷侧工质充无法充分吸收回热器热侧热量，致使来自回热器热侧的循环工质向预冷器注入较多热量，而这部分热量又无法被外部环境吸收，进而降低循环效率[14-16]。为避免循环效率受到严重影响，需要将锅炉余热利用抽流比严格控制在0.15以内，锅炉余热利用抽流比与循环效率之间的关系曲线如图5所示。

图5 锅炉余热利用抽流比与循环效率关系曲线

根据图5可知，在锅炉余热利用抽流比增加的过程中，循环效率呈线性下降的趋势，循环效率下降速度与高压透平入口压力越小成反比关系。出现该状况的原因在于，发电循环在高压透平入口压力较大的情况下所需工质流量降低，进而降低高温回热器冷侧所需的循环工质流量，获取更多来自锅炉尾部烟气余热[17-18]。而即使在锅炉余热利用抽流比较低的情况下，较小的高压透平进口压力仍然会显著降低循环效率，致使600 MW S-CO2循环燃煤发电系统无法充分发挥出燃煤效率优势。根据实验分析结果，600 MW S-CO2循环燃煤发电系统的锅炉余热利用抽流比应当严格维持在0.05以内。

2.3 高压透平进口压力

本次研究分别针对再压缩分流比X1=0.41、X1=0.36、X1=0.32、和X1=0.28四种工况来分析循环效率与高压透平入口压力之间的关系，所得出的分析结果如图6所示。

图6 高压透平进口压力与循环效率关系曲线

根据图6可知，在再压缩分流比X1=0.28和X1=0.32的情况下，高压透平进口压力与循环效率成正比，符合一般的S-CO2循环规律，说明循环效率受再压缩分流比的影响并不显著。而在再压缩分流比X1=0.36和X1=0.41的情况下，高压透平进口压力对于循环效率的影响逐渐深刻，在高压透平进口压力持续增加的过程中，循环效率呈先增后减的变化趋势。结合如图4所示的研究结果可知，各种不同的高压透平进口压力均存在一个特定的再压缩分流比，该数值可以实现最高的循环效率，并且最优再压缩分流比与高压透平进口压力之间成反比关系。若设定再压缩分流比为0.36，那么在持续提升高压透平进口压力至25 MPa的过程中，对应最优循环效率的最优再压缩分流比也会随之持续降低并最终稳定在0.36，并且该状况下的循环效率也会随之上升。若进一步增加高压透平进口压力，那么对应最优循环效率的最优再压缩分流比将进一步持续降低并逐渐偏离0.36，该状况下的循环效率也会随之下降。

2.4 低压透平进口压力

本次研究分别针对高压透平进口压力P5=20 MPa、P5=25 MPa和P5=30 MPa三种工况来分析低压透平进口压力与循环效率之间的关系，所得出的分析结果如图7所示。

图7 低压透平进口压力与循环效率关系曲线

经实验研究发现，在持续增加低压透平进口压力的过程中，循环效率呈先增后减的变化趋势。在逐级增加高压透平进口压力的过程中，最高循环效率逐渐向右移动，分别出现在低压透平进口压力P7=13 MPa、P7=14 MPa、P7=15 MPa三个位置。出现该状况的原因主要在于，在逐级增加高压透平进口压力的过程中，总压降份额中高压透平所占据的比重随之上升，因此需要通过增加低压透平入口压力的方式来实现高、低压透平中压降的合理分布[19-20]。如表2所示，本次研究将高压透平入口压力设定为P5=29，该状况下可达到53.4%的循环效率水平。

3 循环参数的选定

基于以上研究所得出的结论，本次研究以提高锅炉效率为目标，以充分利用锅炉尾部烟气为手段，以维持合理的循环效率为限制，为600 MW S-CO2循环燃煤发电系统设定了合理的循环参数，参数设定结果如表3所示。

表3 600 MW S-CO2循环燃煤发电系统发电循环参数

600 MW S-CO2循环燃煤一次再热再压缩发电系统的工质流程如图8所示。

根据表3所示的600 MW S-CO2循环燃煤发电系统发电循环参数体系和图8所示的一次再热再压缩发电工质流程，该动力循环可达到53.19%的循环效率水平。

图8 600 MW S-CO2循环燃煤一次再热再压缩发电系统的工质流程

4 结 语

本文详细介绍了600 MW S-CO2循环燃煤发电系统的构建思路，提出了优化后的600 MW S-CO2循环燃煤发电系统的工质流程以及相关的参数体系。经实验研究发现，提高再热出口工质温度和锅炉一次加热可显著提升循环效率，且在高压透平进口压力较大的情况下，提高一次加热出口温度更加有助于循环效率的提升。基于该思路实施适当的参数优化，可以将600 MW S-CO2循环燃煤发电系统的循环效率提升至53.19%。