低溫場景超臨界CO2循環燃煤發電系統研究

鄭開云

（上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海市 閔行區 200240）

0 引言

近年來，隨著風力和光伏發電成本的不斷下降，可再生能源發電的裝機容量快速增大，并且不斷壓縮煤電的份額。但我國煤炭儲量豐富，風光資源相對有限的能源稟賦決定了煤電仍將長期占據主力能源地位，并在保障我國的能源安全方面發揮重要作用。煤電在繼續發揮作用的同時，如何實現高質量發展成為當前能源轉型的關鍵點，而提高燃煤發電機組的效率始終是最重要的實現路徑之一[1]。

目前，高效發電機組的代表是620～630 ℃溫度等級的二次再熱超超臨界汽輪發電機組，全廠凈效率為46%～47%，正在建設中的最先進的高低位布置的機組，預期全廠凈效率可達49%[2]。通過進一步提高超超臨界機組參數至700 ℃溫度等級，受到高溫材料技術及設備制造成本的限制，很難走向實際應用，所以行業內轉而探索新型的超臨界CO2循環熱力發電技術[3-5]。

Mounir 等[6]提出，初參數620 ℃/30 MPa 的1 000 MW二次再熱超臨界CO2循環燃煤發電機組的循環熱效率為52.4%，全廠凈效率為47.8%。Bai 等[7]提出，初參數620 ℃/32 MPa 的300 MW一次再熱超臨界CO2循環熱效率為50.03%，設計的鍋爐熱效率為94%～95%，考慮廠用電及其他因素，預計全廠凈效率約45%。Sun 等[8]提出，初參數620 ℃/32 MPa 的1 000 MW 二次再熱超臨界CO2循環熱效率為51.08%，全廠凈效率為47.04%。以上文獻結論表明超臨界CO2循環的熱效率高，但是與燃煤鍋爐組成的發電機組的理論效率并沒有顯著高于現有的超超臨界汽輪機組，并且還稍低于高效二次再熱超超臨界機組。主要原因是超臨界CO2循環壓比小、回熱溫度高，導致從熱源吸熱的溫度區間窄，與燃煤鍋爐的加熱溫度區間不能很好地匹配。針對這一問題，可采取分流工質冷卻煙氣、預壓縮、提高壓力等措施來解決，但效果有限[9]。因此，對于常規的應用場景，超臨界CO2循環燃煤發電機組的高效率優勢無法得到體現。根據CO2的物性，它的凝結溫度低，理論上可以在低至-50 ℃條件下工作。因此，對于具備低溫條件的應用場景，如高緯度地區，可以通過降低熱力循環的終溫來提高循環熱效率、擴大壓比、增大吸熱溫度區間，從而更好地匹配鍋爐加熱溫度區間。

本文結合我國北方地區的氣候特點，構建適合于冬、春季節低溫環境下的超臨界CO2循環燃煤發電系統，對其發電效率加以估算，并對經濟和社會效益進行初步探討。

1 低溫場景分析

低溫環境對于熱力發電是有利的，可以降低汽輪機低壓缸的排汽壓力，提升機組熱力性能。但是，會增大蒸汽濕度，汽輪機相對效率下降，并且需要更長的末級葉片，增加汽輪機排汽口尺寸和數量，使汽輪機低壓部分復雜化，所以汽輪發電機組的終溫不宜過低[10]。超臨界CO2循環可以在極低的終溫下運行，獲得更高的循環效率，由于循環壓比仍然較小，不會使透平排氣口尺寸過大，也沒有濕蒸汽的問題。因此，尋找適用的低溫場景，可以發揮超臨界CO2循環的優勢。

從我國的地理和氣溫特點來看，北方地區冬、春季氣溫低，特別是東北和北疆等高緯度地區氣溫處于0 ℃下的時間可達4 個月以上。考慮到最好在燃煤電廠廠址附近有煤炭資源，則蒙東和北疆煤炭基地的區位優勢最為突出。蒙東地區冬、春季極其嚴寒，以呼倫貝爾為例，從11月中旬至第二年的2 月中旬，長達近3 個月的最高氣溫在-10 ℃以下，極端氣溫可達-50 ℃；北疆也有類似氣候條件。因此，在蒙東和北疆地區的低溫天氣，可以為超臨界CO2循環提供非常優越的低溫冷端條件，可將工質冷卻至15 ℃以下。

2 發電效率估算

超臨界CO2循環采用分流再壓縮方式，其循環效率高。圖1給出了分流再壓縮超臨界CO2循環的基本流程，以主泵入口為起點，工質經主泵壓縮增壓，通過低溫回熱器，與分流壓縮機出來的工質匯合，經高溫回熱器，進入鍋爐吸收熱量，通過透平膨脹做功推動發電機轉換為電能。透平排出工質經高溫回熱器和低溫回熱器，一股分流進入分流壓縮機增壓，另一股進入冷卻器冷卻后再回到主泵入口。

圖1 分流再壓縮超臨界CO2循環流程Fig.1 Process of splitting-recompression supercritical CO2 cycle

考慮到超臨界CO2循環與鍋爐加熱溫度區間的合理匹配，鍋爐進氣溫度不宜過高，所以循環沒有采用再熱。這樣，循環系統簡化，設備較少，非常適合運用透平高位布置方法來縮減高溫高壓主管道長度，并降低管道阻力損失。

循環熱力學計算中選取終溫，即主泵入口溫度為3～15 ℃的工況，主泵入口壓力略高于所對應的飽和壓力，且設定低溫回熱器高壓側出口溫度與分流壓縮機出口溫度相等，循環系統的其他給定參數如表1 所示，鍋爐效率、管道效率、機械效率、發電機效率和廠用電率均參考大型超超臨界汽輪發電機組[2]。

表1 超臨界CO2循環參數Tab.1 Parameters for supercritical CO2 cycle

主泵、分流壓縮機內的壓縮過程以及透平內的膨脹做功過程均視為絕熱過程，等熵效率分別用ηc和ηt表示。

壓縮過程的等熵效率為

式中：ht，in、ht，out分別為實際透平入口和出口工質焓值；ht，out，is為等熵情況下透平出口工質焓值。

采用美國國家標準與技術研究所(NIST)發布的REFPROP物性數據庫，根據能量守恒，可求得穩態時循環回路各設備入口和出口工質的狀態參數值，以及進入分流壓縮機的分流量比例[11]。

循環達到穩態時的熱效率η可表示為

式中：Wt為透平功率；Wp為主泵功耗；Wc為分流壓縮機功耗；Q為工質從鍋爐吸收的熱量。

全廠凈效率ηnet可表示為

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；ηm為機械效率；ηg為發電機效率；ξap為廠用電率。

“家長用超標電動車，學校或扣孩子道德分”，不久前，山東菏澤某學校這一規定引發網友熱議。事后當地教育部門回應稱，拒絕此類做法，對學生不會有任何懲罰性措施。強行將父母騎超標電動車的行為與孩子捆綁在一起，既容易誤導孩子成長，更容易傷害孩子與父母之間的感情。誠然，開展超標電動車專項整治行動需要標本兼治，但政策實施不可無限擴大，把八竿子打不著的教育部門納入其中，甚至把孩子作為“尚方寶劍”，讓孩子充當整治超標電動車的“排頭兵”。教育部門職責非常明確，不要遇到什么事兒都和孩子“捆綁”。唯有如此，學校才能專心培養學生。從根本上講，也更有利于超標電動車的徹底整治。

圖2 給出了鍋爐進氣溫度與主泵入口溫度的關系，由圖2 可見，鍋爐進氣溫度隨著主泵入口溫度遞增，當主泵入口溫度≤9 ℃時，鍋爐進氣溫度低于355 ℃，可與鍋爐加熱溫度區間較好匹配。當主泵入口溫度＞9 ℃時，如有必要，可以通過從高溫回熱器高壓側中間或出口抽取少量工質，進一步冷卻鍋爐尾部排煙[11]。

圖2 鍋爐進氣溫度與主泵入口溫度的關系Fig.2 Relationship between the inlet temperatures of boiler and main pump

圖3 給出了循環熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關系，由圖3 可見，效率隨著主泵入口溫度遞減，且主泵入口溫度每升高2 ℃，效率降低0.002～0.003。主泵入口溫度在9 ℃以下時，循環熱效率在53.5%以上，全廠凈效率達到48%以上，高于現有的二次再熱超超臨界汽輪發電機組1%～2%。

圖3 循環熱效率和全廠凈效率與主泵入口溫度的關系Fig.3 Relationship between thermal efficiency,net plant efficiency and main pump inlet temperature

將主泵入口溫度為9 ℃的工況作為最佳工況，循環的熱力學狀態如圖4 所示，其中分流比為0.38。由圖4可見，在低溫下，主泵入口的二氧化碳工質為液態，主泵做功減小，有利于提高循環的熱效率。在適合的低溫條件應用場景，如蒙東、北疆地區的冬春季節，上述工況的超臨界CO2循環燃煤發電機組非常適合。

圖4 主泵入口溫度為9 ℃工況的溫熵圖Fig.4 T-s diagram for the case with the inlet temperature of main pump of 9 ℃

3 經濟和社會效益分析

超臨界CO2循環系統的設計選取低的終溫，那么在較高環境溫度條件下，機組無法通過自然冷卻而正常工作，可能需要停機，或者采取人工制冷手段來調節終溫，所以機組的高效運行具有季節性特點。從整個能源結構來看，水電、光伏等可再生能源發電也具有季節性波動特點，冬、春季時水電和光伏發電量大幅減少，此時又恰逢用電高峰，通過運行上述的超臨界CO2循環燃煤機組可以補充冬、春季的用電需求。如果機組可以在冬、春季節滿發運行4 個月以上，則年利用時間也可達2 880 h以上，雖低于全國火電平均利用時間(2019 年為4 293 h)，但高于四川、云南等水電資源豐富省份的火電利用時間。

對于有低溫條件且煤炭資源豐富的廠址區域，如蒙東、北疆地區，冬春季節氣溫低，且煤炭就地利用的價格便宜，電煤價格低于300元/t，僅為全國平均價格的60%。采用前文優選的終溫為9 ℃工況的超臨界CO2循環燃煤機組，機組發電凈效率可達48%，對應的供電煤耗為256 g/(kW·h)。雖然超臨界CO2循環由于換熱器用量大，在機組造價上相比汽輪機組存在劣勢[2]，但其系統結構簡單，仍具有一定的降本空間，特別是用于低溫場景的循環布置，循環壓比大，回熱熱量較小，并且無需再熱，使機組更加簡化。超臨界CO2循環燃煤機組在發電效率上的突出優勢，使其經濟性得以保障。假設600 MW機組的年發電時間為2 880 h，按照供電煤耗比二次再熱超超臨界汽輪機組減少10 g/(kW·h)計算，每年可省煤17 280 t，節省費用約500萬元。同時，由于煤耗低，CO2和污染物排放減少，符合煤電清潔低碳的發展方向。

隨著西南水電資源開發殆盡，“西電東送”潛力上升有限，貴州、安徽等傳統電力外送基地自身煤炭資源開發程度較高，近年來電煤供應逐步趨緊，沒有進一步擴大外送的潛力，受多方面因素影響，自身電源發展潛力有限，未來將逐漸出現季節性缺口。因此，我國正在研究增加“北電南送”的電力新格局，通過跨省跨區的遠距離輸電通道傳送至京津冀、長三角等用電負荷大的地區。蒙東和北疆地區具備優越的煤電發展條件，除現有的煤電供給方式以外，在冬、春季電力緊張時段，投入高效的超臨界CO2循環燃煤發電機組，借助“北電南送”通道向外供電，更有利于保障我國能源供應安全。

4 結論

結合我國北方地區的氣候特點，構建了適合于冬、春季節低溫環境下運行的超臨界CO2循環燃煤發電系統，得出以下結論：

1）通過降低終溫、擴大循環壓比、降低工質的回熱溫度，超臨界CO2循環可與燃煤鍋爐很好地結合，組成高效的燃煤發電機組。

2）考慮到氣溫和煤炭分布，我國北方煤炭基地(如蒙東、北疆)低溫季節長，可以構建高效的超臨界CO2循環燃煤發電機組。

3）對于終溫9 ℃的工況，620 ℃/30 MPa 初參數的超臨界CO2循環發電機組可獲得48%的全廠凈發電效率，高于二次再熱超超臨界汽輪發電機組。

4）超臨界CO2循環燃煤發電可以補充可再生能源發電在冬、春季節的發電量缺口，通過“北電南送”實現北方煤炭資源的高效利用。