光热电站采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统论证

时间：2024-08-31

袁晓旭张小波

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳， 618000）

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。

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。

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。

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。

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。

表1 3 种S-CO2 循环计算汇总表

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。

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

表2 循环参数优化计算汇总表

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。

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。

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

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。

表3 循环再热后计算汇总表

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。