基于超临界CO2布雷顿循环的燃煤发电系统优化分析

中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：15xxxx 基于超临界CO2布雷顿循环的燃煤发电系统优化分析周敬1，凌鹏1,2，张晨浩1，崔晓宁1，徐俊1，许凯1，苏胜1，胡松1，汪一1，向军1，* （1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉4300742长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙，410114）（Tel：87542417-8206，Email：xiangjun@）摘要:本文建立超临界CO2燃煤发电系统全流程优化模型，在32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高参数条件下，分析不同冷却方式、再热级数以及省煤器布置方式对系统性能的影响。

结果显示：中间冷却与二次再热在高压缩比下能有效提高S-CO2布雷顿循环热力性能；锅炉受热面压降能降低循环系统热力学性能且对二次再热影响高于一次再热；从高温回热器入口引出部分流到省煤器能有效提升S-CO2发电系统全厂效率；；相同条件下，超临界CO2发电系统全厂效率高于传统蒸汽锅炉。

关键词超临界CO2布雷顿循环；燃煤发电系统；热力系统优化；全流程模型Thermodynamics optimization analysis of supercritical CO2 coal-fired power generation system based on Supercritical CO2 Brayton Cycle Zhou Jing1，Ling Peng 1,2, Zhang Chenhao 1, Cui Xiaoning1, Xu Jun 1, Xu Kai 1, Su Sheng 1, Hu Song 1, WangYi 1, Xiang Jun 1, *（1 State Key Laboratory of Coal Combustion, School of Energy and Power Engineering, HuazhongUniversity of Science and Technology, Wuhan 430074, China2 School of Power and Energy Engineering, Changsha University of Science and Technology, ChangshaHunan 410114, China）Abstract:This paper establishes a Thermodynamics optimization model of supercritical CO2 coal-fired power generation system. Under the high-parameter conditions of 32.5MPa/605°C/610°C/610°C/, different cooling modes, reheat stages, and economizer layouts are analyzed for system performance. The results show that the intercooling and double reheat can improve the thermal performance of the S-CO2 Brayton cycle at high compression ratios effectively; double reheat is more affected by the pressure drop at the heated surface of the boiler than the single reheat.; the case that the part flow is introduced from the inlet side of high-temperature recuperator into the economizer can utilize effectively waste heat and improve the whole plant efficiency; Under the same conditions, the whole plant efficiency of supercritical CO2 power generation system is higher than the traditional steam boiler.Key words:Supercritical CO2Brayton cycle; Coal-fired power generation system; Thermodynamics optimization analysis; Process analysis0前言提高发电机组效率、降低污染物的排放是电力行业研究的永恒主题和目标；当前，锅炉系统主要是以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统，其发展受到材料和技术的限制。

为了突破传统路线的瓶颈，一些新概念先进动力系统[1, 2]，例如超临界CO2布雷顿循环系统，受到越来越多的关注。

超临界CO2工质具有合适的临界压力，无毒低成本，能量密度大，传热效率高，系统简单，结构紧凑等特点[3]。

超临界CO2布雷顿循环系统最开始被提出应用于核反应装置。

Kato等[4]通过测试超临界CO2全压缩、部分压缩以及不压缩三种循环方式，根据热效率、安全性、造价以及装备制造工艺得出其可很好地代替液态金属冷却快堆。

Dostal[5]研究指出S-CO2再压缩布雷顿循环在中高温450~700℃温度是最优的布置方式，能很好克服回热器夹点问题导致的传热恶化问题。

很多研究表明超临界CO2布雷顿循环在服回热器夹点问题导致的传热恶化与系统效率下降问题[6, 7]。

很多研究表明超临界CO2布雷顿循环在集中于核能、太阳能、余热利用、化石能源等展现了良好热力学性能[8-10]。

目前，超临界CO2布雷顿循环在燃煤锅炉的应用目前研究仅处于起步的阶段。

Le 等[11]通过构建了超临界CO2布雷顿循环和煤粉锅炉耦合概念模型，其系统循环效率高达50%，全厂效率高于传统蒸汽锅炉5%左右。

然而，该研究并没有考虑适用于超临界CO2燃煤发电机组的超临界CO2布雷顿循环热力优化分析，本文建立一套超临界CO2燃煤发电系统全流程模型，基于超临界CO2锅炉32.5MPa/605℃/610℃/610℃/高参数特性对超临界CO2布雷顿循环中冷却方式、再热级数以及省煤器布置进行优化，并与相同参数下传统蒸汽锅炉燃煤发电系统进行性能对比分析。

1模型建立1.1超临界CO2布雷顿循环简单的超临界CO2布雷顿再压缩循环包括主压缩机、辅助压缩机、两个回热器、预冷器以及热源和S-CO2透平。

如图1所示，进入预冷器前一部分流股7通过旁路压缩机压缩至高温回热器高压端，另一部分流股进入预冷器、主压缩机和低温回热器与其汇合一同进入高温回热器，经过回热的流股4进入热源吸热通过S-CO2透平做功，之后依次通过高温回热器以及低温回热器换热。

超临界CO2布雷顿循环模型与输入参数见表1[12]，其中回热器采用HEATX换热器，可使用TQ-CURVES功能分析回热器高压端与低压端温差分布。

2图1 简单超临界CO2布雷顿再压缩循环示意图基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0601802）；国家自然科学基金（51576086，51576081）表1 超临界CO 2循环参数[12]Item Parameter Value Unit 主压缩机 入口压力/温度78/32 bar/℃ 超临界CO 2循环组件压降 0.1 MPa 锅炉受热面 压降 0.5 MPa S-CO 2压缩机 绝热效率 89.00% — 电动机效率 99.60% — S-CO 2透平绝热效率 93.00% — 机械效率98.50%—由图2可知，将以上建立模型与文献进行对比，其中压缩机入口压力在15-30MPa ，S-CO 2透平入口温度在550-850℃，其热效率基本保持一致，效率误差在1.2%之内。

同时，图3（a ）对压缩机入口压力30MPa ，透平入口温度650℃情况下中回热器换热量Q 与温差△T 进行分析，可发现低温回热器会发生温度夹点问题，温差最小处并非发生在低温回热器两端，高温回热器并不会出现以上问题。

这是由于低温回热器低压端参数接近超临界点附近，从图3（b ）可知超临界CO 2流体比热容在超临界点附近出现突变，从而导致低温回热器在端点处温差并非最小。

以上是简单的超临界CO 2布雷顿循环，为了适应于超临界CO 2锅炉超高温超高压参数，可采用二次再热、中间冷却手段提升系统热力学性能，在第二节将进行讨论。

系统循环热效率 / %压缩机入口压力 / Mpa回热器两端温差 / ℃C p / k J ·k g -1K -1密度 / k g ·m -3（虚线表示文献结果，实现表示模拟结果） （a ）回热器Q-T 曲线；b ）物性随温度变化曲线图2 模型验证 图3 回热器性能分析1.2 超临界CO 2燃煤锅炉与常规蒸汽锅炉相似，超临界CO 2锅炉部分包括燃料燃烧过程与烟气换热过程，见图4，其模型参照前面工作超超临界传统蒸汽锅炉建立[13, 14]，采用RYield 反应器和RGibbs 反应器表示燃烧过程中燃料分解以及燃烧过程，烟气侧换热采用Heater 模块，其中烟气侧采用PR-BM 物性方法[15]，S-CO 2工质侧采用LK-PLOCK 物性方法[11, 12]。

尾部烟道中采用分流器FSplit 模块，用于控制前烟道与后烟道的烟气比例，以达到S-CO 2工质调温的目的，相当于烟道挡板。

与传统锅炉不同之处，超临界CO 2锅炉中S-CO 2工质入口温度较常规锅炉给水温度高，大约100-200℃，因此超临界CO2锅炉余热利用显然不能按照常规方法布置。

目前，尾部烟气余热利用常用方式由以下方式：增加空气预热器吸热量；从超临界CO2循环系统引出部分流到省煤器。

以上内容在第二节将对省煤器的布置进行讨论。

CW1—主S-CO2流冷却壁；CW2—一次再热S-CO2流冷却壁；CW3—二次再热S-CO2流冷却壁；LSH—低温过热器；RH1-2—一次再热高温再热器冷段；RH2-2—二次再热高温再热器冷段；HSH—高温过热器；RH1-3—一次再热高温再热器热段；RH2-3—二次再热高温再热器热段；RH1-1—一次再热低温再热器；RH2-1—二次再热低温再热器；ECO—省煤器；AP—空气预热器图4 S-CO2锅炉模型2系统性能计算与分析图5展示了适用于超临界CO2锅炉的超临界CO2布雷顿循环流程图，其中压缩机处红色虚线框代表单级冷却方式，蓝色实线框代表着中间冷却方式；再热部分红色虚线和蓝色实线框分别表示一次再热和二次再热；省煤器部分根据从不同回热器入口引流分为方案一与方案二。