研究 | 光热电站采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统论证
发布者:xylona | 0评论 | 1244查看 | 2023-03-24 11:47:47    

摘要:针对太阳能光热电站采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统,以常规50 MW等级光热电站边界条件为基准,分析了不同循环系统循环效率,选取了间冷式再压缩循环作为研究对象,对循环参数进行了分析和优化。结果表明:透平入口温度及压气机入口温度对循环效率影响较为明显,透平排气压力存在最优点,透平进气压力需综合考虑选取,再热对循环效率提升效果较为显著,实际工程应用时,采用一次再热时综合收益最高。


引入:太阳能被认为是取之不尽用之不竭的能源,利用太阳能作为能源是最为经济环保、安全可靠的手段,同时太阳能不会造成任何环境污染,势必成为未来发展的主流。利用太阳能进行发电目前主要有两种形式,即太阳能光伏发电及太阳能光热发电。前者是利用太阳光照射半导体材料,通过光电效应产生出电流,其技术成熟,使用方便,现在用的多,但光伏发电难大规模储能,而且炼硅能耗很大。


太阳热发电是利用太阳能的辐射能,通过集热器和聚热接收器,再通过热机发电,光热发电规模较大,可以直接并网运行,国内发展速度迅猛。发展太阳能光热发电,我国具有优越的自然资源优势。我国属于太阳能资源储量丰富的国家之一,年日照时数大于1 700 h的地区面积约占全国总面积的三分之二以上。有条件发展太阳能电站的沙漠和戈壁面积约为30万平方千米[1]。其中:青海、西藏、甘肃、新疆、内蒙等西北地区的光热资源条件较好,我国光热资源分布如图1所示。


image.png

图1:中国太阳能分布[1]


目前光热电站主要利用的是蒸汽轮机进行发电,对水资源要求较高,但是我国光热资源主要分布在缺水的西部地区,因此不可避免的会出现水资源短缺等问题。超临界CO2(以下简称S-CO2)的布雷顿循环正好为其提供了一种途径,S-CO2布雷顿循环利用超临界CO2作为工质,发电循环为闭式布雷顿循环,整个系统不需水资源。并且其具有较高的热电转换效率,对太阳能热发电极具吸引力。它的工质无毒无害,而其体积小效率高的优势,有取代传统蒸汽轮机的趋势。光热电站如采取S-CO2布雷顿循环替代水蒸气朗肯循环,能够最大化发挥光热发电的优势。


本文基于常规50 MW光热电站边界条件,对光热电站采用的S-CO2布雷顿循环进行循环分析和参数优化论证。


1、S-CO2布雷顿循环研究现状


S-CO2循环发电技术于上世纪60年代由Angelino[2]和Feher[3]率先提出,但当时由于工业技术和高性能换热器的限制而没有发展起来。21世纪初,由于发展新一代核电的需要,S-CO2作为高温气冷堆的备选介质受到普遍关注,其应用研究已经从核电领域扩展到了化石发电厂、船舶推进系统、聚光太阳能、燃料电池、工业余热回收等其他领域。


目前,至少有美国、日本、法国、韩国等13个国家的实验室和研究所开展S-CO2相关技术研究[4-8],并取得了大量有指导意义的研究成果。


国内相关机构[9-12]也逐渐开始了这方面的研究。2018年2月,由中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台MW级超临界二氧化碳压缩机,成功交付工程热物理研究所衡水基地;2018年6月15日,首航节能与法国电力在北京举行S-CO2循环光热发电技术研发项目启动仪式;2018年9月21日,我国首座大型超临界二氧化碳压缩机实验平台在衡水基地正式建成;2018年11月,我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳(S-CO2)换热器综合试验测试平台”在中国科学院工程热物理研究所廊坊中试基地建成[13]。S-CO2布雷顿循环在国内火速发展,已经逐步开始从实验成果走向商业应用。


2、循环系统简介


目前,国内外主流的S-CO2布雷顿循环包括:简单布雷顿循环,再压缩布雷顿循环和间冷再压缩式布雷顿循环等。


2.1简单布雷顿循环


简单布雷顿循环是S-CO2循环的基础,系统主要部件包括热源、透平及发电机组、压缩机、冷凝器、回热器等,系统简单但整体循环效率相对较低。简单S-CO2布雷顿循环具有结构简单、设


备体积小及投入成本低等优势,但是在循环过程中,可能会发生回热器“夹点”问题[4]。导致回热性能恶化,从而降低简单循环效率。简单布雷顿循环示意图如图2所示。


image.png

图2:简单 S-CO2 布雷顿循环系统图


2.2再压缩式布雷顿循环


为避免上述“夹点”问题发生,MIT在简单循环的基础上提出S-CO2再压缩式布雷顿循环[6],在循环中分别设置高温和低温回热器,并增加再压压缩机方案,以解决回热器“夹点”问题。同时,此方案减小了冷却器带走的热量,使得循环效率提高。再压缩式布雷顿循环示意图如图3所示。


image.png

图3:再压缩式 S-CO2 布雷顿循环系统图


2.3间冷再压缩式布雷顿循环


压气机是闭式布雷顿循环中最主要的耗功单元,如能降低压气机耗功将大大提高循环效率。为此,在再压缩式布雷顿循环的基础上发展了间冷再压缩式布雷顿循环。与普通再压缩式布雷顿


循环相比,增加一台预压缩机,并在主压缩机及预压缩机设置一台间冷器。间冷器可有效减少主压缩机耗功,从而增加系统净出力,提高S-CO2发电系统效率。间冷再压缩式布雷顿循环示意图如图4所示。


image.png

图4:间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环系统图


2.4循环系统计算与优化


根据目前50 MW等级光热电站实际运行参数,选取S-CO2透平进口参数为20 MPa/550℃,主压缩机入口压力≥7.7 MPa,入口温度35℃,为了便于控制,所有压气机均采用电动机驱动。同时,每经过一个换热器设备,按压损0.1 MPa考虑,换热器“夹点”端差为10℃。透平效率取90%,压缩机效率取85%,发电机效率取98.5%,电动机效率取97%。分别计算3种S-CO2布雷顿循环,计算结果汇总见表1。


image.png


根据计算结果可以看出,简单布雷顿循环系统简单,但效率不高;间冷式再压缩循环系统虽复杂,但效率比其他循环明显提高,且收益可观。实际上,光热电站投资主要费用集中在集热岛和储热岛,动力岛部分相对投资较小,动力循环效率的提升意味着如果发出同样功率的电力,所需的热源热量更少。因此,采用间冷再压缩式循环,虽然系统成本会增加,但集热岛和储热岛的投资将会减小,远大于动力岛系统增加的投资。同时冷源需带走的热量也在减少,因此冷源投资也会减小。基于以上分析,选取间冷式再压缩循环作为研究对象,对循环系统参数进行优化论证。


3、循环系统参数优化论证


3.1循环参数对循环效率影响


上文对不同循环系统进行了分析及初步核算,并选取了间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环系统作为最终的研究对象,下面对此循环进行循环参数


的优化选取。图5所示为间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环效率随压气机入口温度、透平入口温度、透平入口压力、透平出口压力变化的曲线。压气机入口压力与透平出口压力为对应关系,不需单独计算。


image.png

image.png

图5:间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环系统参数优化


由图5可知:(1)循环效率随主压缩机入口温度的升高逐渐降低。这是因为随着主压缩机入口温度的升高,主压缩机功率增大,透平输出功率变化不大,循环输出净功率减小,工质吸热功率也减少,但其减幅较循环输出净功率更大,导致循环效率下降。


(2)随着透平入口温度的升高,循环效率近似线性提高,压缩机总功率逐渐减小,透平输出功率逐渐增大。因此循环输出净功率逐渐增大,其增幅与工质吸热功率的增幅相差不大.这使得循环效率逐渐提高。


(3)随着透平入口压力的升高,循环效率逐渐提高,但透平入口压力越高,循环效率提高的幅度越小。


(4)透平排气压力存在一个效率最优点,且对于不同初参数,对应的效率最优点不同,排气压力最优点一般是使得压气机入口压力略高于临界压力。


3.2透平入口参数优化


透平入口温度对循环效率影响较大,考虑到光热电站实际情况,基准方案透平入口温度为550℃,高效率方案透平入口温度为620℃,透平入口压力分别为20 MPa和25 MPa,压气机入口温度


越低越有利于循环效率,但工质在接近临界温度(31.1℃)时,物性变化剧烈,同时由于局部冷却可能在压气机中发生冷凝,因此压气机入口温度均选为35℃,避免出现不利影响,透平排气压力根据系统参数进行优化。经过计算,间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环系统参数优化结果汇总见表2。


image.png


3.3系统再热优化


以上结果均基于非再热布雷顿循环系统,参考朗肯循环,系统设置再热后相较非再热循环效率明显提升。因此,在非再热间冷再压缩式SCO2布雷顿循环系统基础上,增加一次再热并对系统效率进行寻优,原则性热力系统图如图6所示。


image.png

图6:再热间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环系统


图7所示为3种间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环效率随再热压力变化的曲线。可以看出,再热压力存在最佳点使得循环效率最高,因此将再热压力均选在最佳点,计算结果汇总见表3。


image.png

图7:3种间冷再压缩式S-CO2布雷顿循环效率随再热压力变化的曲线


image.png


由表3计算结果可知,一次再热比无再热循环效率能够再提高1.3%左右。二次再热相比一次再热系统效率提升已经不明显,更多次再热时循环效率甚至变低,这是由于换热器和管道压损的存在,多次再热的收益甚至不足以弥补压损造成的损失。而且随着再热次数增加,系统复杂程度增加、可靠性降低、流动阻力增大。因此工程应用时,再热循环推荐采用一次再热方案。


4、结论


S-CO2简单循环系统简单,但效率不高;间冷式再压缩循环系统虽较为复杂,但效率相比其他循环有明显提高,且收益可观。综合考虑效率与系统投资成本,光热电站如采用S-CO2布雷顿


循环推荐采用间冷式再压缩循环;S-CO2循环参数对循环效率有较大影响,尤其是透平入口温度及压气机入口温度与循环效率近乎是线性关系。因此,降低压气机入口温度、提高透平入口温度有利于循环效率的提升;透平入口压力的提高也能一定程度上提高循环效率,但系统压力的提高对循环系统及部件的要求大大提高,增加了压气机、换热器及相关部件的设计难度和制造成本。因此,透平入口压力不宜过高。


再热对S-CO2布雷顿循环效率也有较为可观的提升。一次再热以后系统循环效率相比无再热时有1.3%左右的提升,两次再热及以上时,效率提升不明显,且会大大增加系统复杂程度,因此,如系统采用再热式S-CO2布雷顿循环,推荐采用一次再热方案。


注:本文转自《东方汽轮机》,联合作者为东方电气集团东方汽轮机有限公司袁晓旭、张小波。转载此文是出于传递更多信息之目的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请作者与本网联系。

最新评论
0人参与
马上参与