超临界CO的热力学分析₂功率与循环流化床燃煤

摘要

封闭超临界二氧化碳(S-CO .₂布雷顿循环具有较高的循环效率，是蒸汽朗肯循环的一种很有前景的替代方案。布雷顿循环已被应用于核能、太阳能、废热回收和燃煤电厂。本研究建立了300MW的S-CO₂基于改进型再压缩布雷顿循环与燃煤循环流化床(CFB)锅炉集成的动力系统。详细研究了两级分流对系统性能的影响。此外，还进行了关键运行参数的热力学分析，包括终端温差、涡轮进口压力/温度、再热级、参数以及压气机进口压力/温度。结果表明，再压气机分流比合理分布₁）实现最大循环效率，低温恢复器（LTR）两侧的热容度实现了优异的匹配。最佳的Sr.₁循环流化床锅炉(CFB)省煤器的二次分流比(SR .， SR .， SR .， SR .， SR .， SR .， SR .， SR .₂）可以通过窄温度范围恢复中等烟气热量，提高锅炉效率。较小的终端温差对应于更高的效率，并带来较大的成本和恢复器的压降，这可能会降低效率。单一再加热在600℃/ 600°C / 25MPa的条件下将循环效率提高1.5％，而双重再加热的效率改善与蒸汽兰尼循环相比，蒸汽兰尼循环较小，则由于压力比较低得多。再热压和主压缩机（MC）入口压力具有相应的最佳值。HPT和低压涡轮机（LPT）入口温度都对系统性能产生了积极影响。

1.介绍

高效率和清洁的燃煤发电技术是传统能源行业的优先研究方向。然而，利用双重再加热和提高蒸汽参数是提高电厂效率的两个有效手段，这通常受镍基合金发育和昂贵的设备成本限制。与传统的燃煤锅炉相结合的更高效且紧凑的循环成为改善化石燃料利用率的突破。封闭超临界二氧化碳(S-CO .₂在火力发电中，布雷顿循环被认为是蒸汽朗肯循环的一种很有前途的替代方法。S-CO.₂这是CO的压强和温度吗₂的临界点(7.38Mpa 30.98°C)以上，这是一种适合发电的工作流体，因为它的近临界性质。有限公司₂临界温度很容易达到，在高压下操作，允许更紧凑的涡轮机械。此外,S-CO₂具有与液相相似的近临界区密度高，压缩机工作少，效率高。此外,公司₂通常含量丰富，腐蚀性较小，价格便宜，无毒[1］．

以往的研究表明，S-CO₂布雷顿循环比超临界蒸汽兰金循环以上中等涡轮进口温度更有效的，并且可以与各种热源来耦合。其潜在应用的研究已经从核扩展，聚光太阳能发电（CSP），船用推进器，废热回收和地热到化石燃料的[2那3.］．详细的分析始于20世纪60年代末。视野中时(4.)提出了有限公司₂作为用于再生超临界循环的工作流体，其完全高于临界压力并在液相中被压缩。Hoffmann和担心[5.后来在1970年又为一个氦冷却核反应堆设计了一个150kwe功率转换模块。洛杉矶人(6.]分析了CO的不同配置₂冷凝循环包括再压缩循环、部分冷却循环、预膨胀循环和预压缩循环。研究表明，再压缩CO的效率较高₂在涡轮进口温度高于650°C时，再热蒸汽循环优于再热蒸汽循环。由于生产工艺的不成熟和热资源温度的限制，这些研究在以后的几十年里一直没有得到足够的重视。Dostal等[1恢复了对S-CO的兴趣₂20世纪初的周期;他们修改了再压缩的S-CO₂并对先进核反应堆进行了详细的部件设计、优化、经济分析和控制方案。此后，越来越多的研究涉及到系统设计[7.[热力学分析和优化[8.那9.]，以及实验性循环测试[10.那11.]以及商业规模的建筑[12.那13.用于不同的应用程序。

回收器从汽轮机排气中回收的大量热量使热源的温度范围变窄。S-CO.₂循环可以很好地匹配核和CSP热源，因为它们的温度几乎是恒定的[14.］．然而，为了有效利用烟道热，提高电厂的总效率，改造对燃煤电厂的应用是必不可少的。提出了利用余热对空气进行预热、改进循环布局、提取部分S-CO等改进措施₂从不同点在高压侧以回收烟道气热量，加热再循环烟道气，并采用级联或组合周期。muto等人。[15.]提出了一种双膨胀涡轮循环来减小气侧和S-CO之间的压差₂加热器的侧面和引入节能器以回收出口气体的热量。Moullec [16.探讨了基于双再热再压缩S-CO的燃煤电厂的潜在性能₂与燃烧后碳捕获和存储(CCS)集成的循环。高温空气预热结合从主压缩机(MC)分离到省煤器的部分流体，可以有效利用100~500°C的烟气热量。净热值(LHV)较低的电厂效率，无CO₂捕获为最大温度和620℃和30Mpa以上压力可以达到50.3％和4.8％比超临界蒸汽电站更高。梅切里和Moullec [17.调查了S-CO₂系统性能和推荐仍然是以前的布局。李等人[18.在空气预热器之前增加一个分流省煤器来加热一氧化碳₂从低温回热器(LTR)中完成了5MWe型化石基S-CO₂再压缩和再热整体测试设备设计。Bai et al. [19.提供了一个小说S-CO₂中冷再压缩循环附加中温回热器，并在某燃煤电厂增设一个分支，LHV净效率为49.5%，为29.6Mpa/650℃。Shelton等[20.)构建S-CO₂利用氧煤循环流化床(CFB)和CCS进行再压缩循环，通过对回收烟气和部分CO进行加热，实现近乎恒温的热源₂从MC出射。的S-CO的效率增量₂与蒸汽朗肯循环功率相比，配置再热和中间冷却的循环装置可达到2%。Pratt和Whitney Rocketdyne [21]开发的零发射功率和蒸汽（Zeps）植物，其采用加压流化床燃烧器（PFBC），其复合循环可改性S-CO₂采用循环作为上顶循环，蒸汽循环作为下底循环。与氧燃烧常压锅炉相比，ZEPS装置效率提高9.4%。Thimsen等人[22设计了一种倒塔式燃煤S-CO₂加热器适用于750MWe再压缩S-CO₂功率循环与700°C涡轮进口温度。第二个级联的S-CO₂循环作为底部循环，将燃烧产物从530℃冷却到370℃。

循环流化床锅炉具有相对均匀、热流密度和燃烧温度低、燃料灵活性大、污染物排放量低的特点，可以更好地与S-CO耦合₂与粉煤（PC）锅炉相比循环[14.那23］．CFB锅炉与S-CO组合₂动力循环是我国以煤为主的能源结构从源头上提高能源转换效率、减少污染物排放的有效手段之一。总体系统性能需要进一步分析和优化。建立了基于再压缩S-CO的300MW燃煤发电系统₂与CFB锅炉集成的循环和单一再加热。采用从循环的高压侧提取的二次分流流动，以适应通过锅炉引起的锅炉恢复热量引起的窄温度变化。已经进行了一系列参数灵敏度分析，包括两个阶段分流比，终端温差，涡轮机入口压力/温度，并再热压/温度以及压缩机入口压力/温度。

2.系统配置和模型

2.1。系统配置

基于改进的再压缩S-CO的系统总体布局₂与CFB锅炉集成的循环、单再热及相应的T-s图如图所示1和2．提出了简单回热循环、再压缩循环、部分冷却循环和预膨胀循环等几种不同的结构。然而，再压缩循环被认为是一种具有高性能和简单成分的有前途的替代方法[1］．再压缩循环通过调节流量来补偿比热差，较好地匹配LTR冷热侧流体的温度变化，有效地缓解了夹点问题，而蒸汽朗肯循环中常用的方法是单次再热，可以进一步提高装置效率。额外的高压一氧化碳₂从LTR出口提取到节能器（ECO）中提取的分割流程不仅可以利用烟气热量，而且还增加高温恢复器（HTR）效率，这是上述研究采用的有效方法。

作为图1表明，系统中存在两个分流点。首先，一部分S-CO₂从LTR热侧离开在预冷器（PC）被冷却，由MC压缩并在LTR顺序预热。剩余的流动直接通过再压缩（RC）和混合物用LTR冷侧的出口流体压缩。将混合物再次分为两个分支。S-CO的一个分支₂从LTR冷侧出口被转移到ECO中以恢复相对高的温度烟道气体，并且另一个分支进一步预热在HTR中。最终将两个流体分支收敛，并通过CFB锅炉的冷却壁（CW）和过热器（SH）顺序地加热到所需温度。S-CO.₂高压和高温通过高压涡轮(HPT)膨胀，在低温再热器(LRH)和高温再热器(HRH)中再加热。S-CO.₂中等压力下，通过低压涡轮(LPT)膨胀，然后通过HTR、LTR和PC达到最低温度和最低压力。

２.２.数学模型

S-CO的热力学模型₂电力系统已经建立在质量和能量平衡的基础上。S-CO.₂可从美国国家标准与技术研究所(NIST)开发的REFPROP数据库查询[24]基于跨度和瓦格纳方程的国家[25］．通过迭代计算得到了系统中不同状态的热参数。此外，通过初步热工计算得到了CFB锅炉的热平衡和效率[26］．

本研究需要考虑以下几个假设:

(1)系统运行在稳态条件下。

（2）在管道和各组分热损失忽略不计。

(3)为了减少不可逆损失，将混合流和各分支流的温度和压力设置为相同的值。LTR冷侧的出口状态与RC相同。同样，HTR冷侧出口状态与ECO出口状态相同。

(4)假定各组分的压降为常数，压力变化最小和最大。CFB锅炉压力降为0.7Mpa, PC压力降为0.05Mpa。LTR和HTR冷侧压降分别设置为0.15Mpa和0.1Mpa。

定义了分流比的两个概念。第一次分割比率(SR₁）定义为RC质量流量与总质量流量的比率和第二分流比（SR₂）被定义为ECO质量流量与总质量流量，所述比率这两者都是由下式给出

在MC，RC，HPT和LPT的压缩和膨胀是非等熵过程。MC和RC和HPT和LPT的工作输出的工作消耗表示为

温差和效率是换热器模型中常用的参数。然而，终端温差(定义为在回热器末端可达到的最低温度)是优先计算的[27］．LTR和HTR的终端温差设置为8°C，这对于目前的技术设备来说是一个合理的可实现值。末端温差越小，传热能力越好，但会导致回热器体积和投资的非线性增加。LTR和HTR中的温度关系定义为

LTR和HTR的能量平衡方程表示为

在CFB热吸收表示为

PC中的热抑制表示为

热效率和净效率定义为

重新计量S-Co的初始参数₂表中列出了煤的具体成分和脱硫剂1和2．

２.３.热力学模型验证

热力学模型由文献数据验证[9.］．MC进口压力为7.38Mpa，压缩机等熵效率为89%。其他输入参数与Table相同1．作为图3.结果表明，相对误差小于3%，主要是由于回热器模型造成的。终端温差8°C对应LTR近95%的有效性;而高温堆的效率高于95%，热效率更高。

3。结果与讨论

基于循环热力学模型和循环流化床热平衡，全面研究了关键运行参数对系统性能的影响。

3．1.与委员会的分割比率(）

数字4.呈现SR的影响₁不同终端温差下的循环效率。老₁是影响S-CO热效率的关键操纵变量₂循环，在给定的工作条件下具有最优值。S-CO比热₂随着压力和温度的变化，尤其是在临界点附近，终端温差将出现在LTR的冷端或热端，即SR₁变化。起初，随着SR的增加₁较少的S-CO₂通过PC和MC，导致MC的工作消耗减少，RC的工作消耗增加;因此，工作总消耗量增加。此外，高温堆冷侧流体出口温度持续升高，导致锅炉吸热减少。锅炉吸热减少的程度大于压缩机工作消耗的增加，不断提高循环效率，直到LTR达到热端温差限制。在此条件下，LTR两端温差最小，LTR实现了良好的温度匹配，比热差的负面影响降至零，热效率达到最大。然后，继续提高SR₁结果导致LTR效率和热效率急剧下降。后面的分析是基于最优SR₁不同操作条件下的值。

数字4.也表明对热效率不同终端的温度差异的影响。终端温度差表示同流换热器的传热能力，更小的温度差变得更好的热传递容量和更高的循环效率，但它会需要更大的体积和较高的成本。此外，较大的传热面积增加回流换热器，其反过来降低效率压力下降。相关研究表明比4，其最低温度差降低℃，是不经济的[28］．

数字5.示出了入口最优SR压力HPT的效果₁．最佳的Sr.₁与HPT进口压力近似成线性比例下降。在简单回热循环的回热器中，相同的质量流量会导致更大的热量添加，而绕过再压缩循环的LTR会导致更高的平均吸热温度和热效率的提高。作为图5.结果表明，高压侧流体与低压侧流体的平均比热差随着HPT入口压力的增加和S-CO比例的增加而逐渐缩小₂被允许访问PC和MC;由此SR的最佳值₁减少。

３．２．与ECO的分割比率(）

数字6.显示了SR的影响₂关于锅炉效率、热效率和净效率。结果表明，LTR高压侧分流能有效回收中等烟气热量，提高锅炉效率。同时，循环热效率保持不变，净效率相应提高。根据半经验公式和蒸汽循环流化床锅炉的历史运行数据，初步计算了锅炉热损失及相应的效率。假设位于ECO上方的逆流LRH的最低温度接近为55℃，热风预热到300℃，随着SR的增加，排风温度逐渐降低，锅炉效率提高₂．此外，热效率保持不变，因为高温气冷堆回收的热量不会随着低比例的S-CO而变化₂加入经合组织。当老₂= 0.076时，排气温度降至110℃，锅炉效率提高94%;净效率可达47.2%左右。

３．３．HPT入口参数

数字7.HPT的显示效果入口上循环效率压力在不同HPT入口温度。循环效率与HPT入口压力的增加而改善，但增加的速率逐渐减慢并最终达到稳定状态。首先，HPT的具体工作输出的增量比MC和RC的总具体工作消耗HPT进口压力增大，1Mpa的增加HPT入口压力导致在循环效率约0.5％的改善更大。具体工作净值增量率持续下降与HPT进口压力上升。在这些条件下，效率的提高的优点是不太明显的和材料耐压性要求变得更严格，从而导致较大的材料成本。

从图中也可以看出7.结果表明，进气温度对系统性能有正向影响。高温高压进气压力越大，高温高压进气温度对效率的提高程度越明显。在高压进气压力为20Mpa时，高压进气温度提高20℃，循环效率提高近0.35%。在同一温度区间下，当进气压力为35Mpa时，循环效率提高近0.6%。

3．4．再热阶段和参数

再热是通过增加平均吸热温度的蒸汽兰敏循环效率提高的有效方法。但是，S-CO₂布雷顿循环与较低的压力比具有不同的结果。作为图8.单次再热可以提高循环效率，特别是在高压进气压力较高的情况下。HPT进气压力为25Mpa时，热效率提高1.5%。而在相同条件下，二次再热效率仅提高0.2%。更大的再热阶段是不可取的，因为更复杂的配置和额外的资本成本，这可能抵消效率增加的好处。

数字9.和10.示出了在不同的HPT入口压力和LPT入口温度上循环效率LPT入口压力的影响。如这些图中揭示了，LPT入口压力具有对应于不同的HPT入口压力和LPT入口温度的最佳值。首先，HPT工作输出的变化趋势是相反的LPT工作输出的随重热压力的变化。HPT功输出降低，并且反之LPT功输出增加时，它有一个最佳的再加热的压力。与为20Mpa，为25MPa，和30Mpa以上的不同HPT入口压力对应的最优再热压力是13Mpa，14.5Mpa，和分别为16Mpa，这是比平均最小和最大压力的略高（12.6Mpa，14.1Mpa，和15.5Mpa）．数字10.结果表明，当再热温度提高20℃时，效率提高近0.5%。最优再热压力同样受再热温度的影响。较高的再热温度对应较高的再热压力。在不同的再热温度下，由于输出的功不同，需要重新分配高压pt和低压pt之间的压力比。

数字11.总结了不同进气压力和不同进气温度下的再热压力值，可作为电厂概念设计的参考。这些数值仍受再热器压降的影响，具体的水力计算还需进一步进行。

3．5．MC入口参数

数字12.研究了不同MC进口温度下MC进口压力对循环效率的影响。MC进口压力相似度具有最优值，对应于不同MC进口温度下的拟临界压力。此外，不同的MC进口温度下，最优MC进口压力增大，最大循环效率降低。具体原因是涡轮工作产出和压缩机一起消费减少与MC进气压力增加,但消费变化,特别是在MC,更多是由于压缩因子均分的地区的急剧下降,显示液体的不可压缩性财产,最终导致循环效率的不断提高。随着MC进口压力和温度的进一步升高，在临界点附近降低压缩功耗的好处逐渐降低。此外，压缩机总功耗随着MC进口温度的增加而增加，导致热效率显著降低，尤其是在最优MC进口压力下。

结论

S-CO.₂再压缩布雷顿循环是一个有前途的替代燃煤发电应用均分地区由于特殊的热物理性质和较高的平均吸热温度以及压力比低,造成更高的效率和更紧凑的涡轮机相比蒸汽兰金循环。

燃烧温度较低且均匀的循环流化床锅炉可以更好地与S-CO结合₂周期。然而，整个系统配置需要进一步修改，以匹配狭窄的热源温度范围。本文构建了再压缩S-CO₂基于循环流化床锅炉的单次再热布雷顿循环。为了有效利用烟气热量，采用了从LTR冷侧萃取的附加分流。在600℃/600℃/25Mpa条件下，净效率可达47.2%。

系统地研究了关键参数对系统性能的影响，包括RC分流比₁)、ECO分割比(SR₂），HPT入口压力和温度，并再热布局以及MC入口压力和温度。结果表明，SR₁、再热压力、MC进口压力均有最优值，其中LTR冷热侧温度匹配较好，最优再热压力略高于平均压力，且仍受再热温度影响;最佳MC进口压力对应于不同MC进口温度下的伪临界压力。终端温差越小，效率越高，但需要考虑换热器的成本和压降。合理的老₂可回收因温度范围窄而产生的烟气热量。HPT进口压力为25Mpa时，单次再热可提高循环效率1.5%;然而，与蒸汽朗肯循环相比，二次再热提高效率的效果并不明显，这主要是由于压力比低得多。此外，高温高压和低压低压进气温度均对系统性能有正向影响。在高压进气压力为25Mpa时，高压进气温度升高20℃，循环效率提高近0.5%。

缩写

S-CO.2：	超临界二氧化碳
CSP:	聚光太阳能发电
招标文件:	循环流化床
PFBC:	加压流化床燃烧器
PC:	煤粉
CCS技术:	碳捕集与储存
求得:	低发热值
齐柏林飞艇:	零排放动力和蒸汽
nist：	国家标准与技术研究院
老1：	与再压缩机的分流比
老2：	与省煤器的分流比
LTR:	低温恢复器
HTR：	高温恢复器
下:	低压涡轮
成:	高压涡轮
主持人:	主要压缩机
RC：	再压缩
PC:	预冷
环保:	省煤器
连续波:	冷却壁
承宪:	过热器
LRH:	低温再热器
卫生人力资源:	高温再热器
AP：	空气预热器。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

从中国的国家重点研究发展计划（编号2017YFB0601802）和江苏省重点研究发展计划（编号BE2017159）的资金支持是真诚的承认。

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