摘要：針對太陽能光熱電站采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，以常規(guī)50 MW等級(jí)光熱電站邊界條件為基準(zhǔn)，分析了不同循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)效率，選取了間冷式再壓縮循環(huán)作為研究對象，對循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。結(jié)果表明：透平入口溫度及壓氣機(jī)入口溫度對循環(huán)效率影響較為明顯，透平排氣壓力存在最優(yōu)點(diǎn)，透平進(jìn)氣壓力需綜合考慮選取，再熱對循環(huán)效率提升效果較為顯著，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，采用一次再熱時(shí)綜合收益最高。

引入：太陽能被認(rèn)為是取之不盡用之不竭的能源，利用太陽能作為能源是最為經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠的手段，同時(shí)太陽能不會(huì)造成任何環(huán)境污染，勢必成為未來發(fā)展的主流。利用太陽能進(jìn)行發(fā)電目前主要有兩種形式，即太陽能光伏發(fā)電及太陽能光熱發(fā)電。前者是利用太陽光照射半導(dǎo)體材料，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生出電流，其技術(shù)成熟，使用方便，現(xiàn)在用的多，但光伏發(fā)電難大規(guī)模儲(chǔ)能，而且煉硅能耗很大。

太陽熱發(fā)電是利用太陽能的輻射能，通過集熱器和聚熱接收器，再通過熱機(jī)發(fā)電，光熱發(fā)電規(guī)模較大，可以直接并網(wǎng)運(yùn)行，國內(nèi)發(fā)展速度迅猛。發(fā)展太陽能光熱發(fā)電，我國具有優(yōu)越的自然資源優(yōu)勢。我國屬于太陽能資源儲(chǔ)量豐富的國家之一，年日照時(shí)數(shù)大于1 700 h的地區(qū)面積約占全國總面積的三分之二以上。有條件發(fā)展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30萬平方千米[1]。其中：青海、西藏、甘肅、新疆、內(nèi)蒙等西北地區(qū)的光熱資源條件較好，我國光熱資源分布如圖1所示。

圖1：中國太陽能分布[1]

目前光熱電站主要利用的是蒸汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，對水資源要求較高，但是我國光熱資源主要分布在缺水的西部地區(qū)，因此不可避免的會(huì)出現(xiàn)水資源短缺等問題。超臨界CO2（以下簡稱S-CO2）的布雷頓循環(huán)正好為其提供了一種途徑，S-CO2布雷頓循環(huán)利用超臨界CO2作為工質(zhì)，發(fā)電循環(huán)為閉式布雷頓循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)不需水資源。并且其具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，對太陽能熱發(fā)電極具吸引力。它的工質(zhì)無毒無害，而其體積小效率高的優(yōu)勢，有取代傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)的趨勢。光熱電站如采取S-CO2布雷頓循環(huán)替代水蒸氣朗肯循環(huán)，能夠最大化發(fā)揮光熱發(fā)電的優(yōu)勢。

本文基于常規(guī)50 MW光熱電站邊界條件，對光熱電站采用的S-CO2布雷頓循環(huán)進(jìn)行循環(huán)分析和參數(shù)優(yōu)化論證。

1、S-CO2布雷頓循環(huán)研究現(xiàn)狀

S-CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)于上世紀(jì)60年代由Angelino[2]和Feher[3]率先提出，但當(dāng)時(shí)由于工業(yè)技術(shù)和高性能換熱器的限制而沒有發(fā)展起來。21世紀(jì)初，由于發(fā)展新一代核電的需要，S-CO2作為高溫氣冷堆的備選介質(zhì)受到普遍關(guān)注，其應(yīng)用研究已經(jīng)從核電領(lǐng)域擴(kuò)展到了化石發(fā)電廠、船舶推進(jìn)系統(tǒng)、聚光太陽能、燃料電池、工業(yè)余熱回收等其他領(lǐng)域。

目前，至少有美國、日本、法國、韓國等13個(gè)國家的實(shí)驗(yàn)室和研究所開展S-CO2相關(guān)技術(shù)研究[4-8]，并取得了大量有指導(dǎo)意義的研究成果。

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)[9-12]也逐漸開始了這方面的研究。2018年2月，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內(nèi)首臺(tái)MW級(jí)超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，成功交付工程熱物理研究所衡水基地；2018年6月15日，首航節(jié)能與法國電力在北京舉行S-CO2循環(huán)光熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)儀式；2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在衡水基地正式建成；2018年11月，我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗(yàn)測試平臺(tái)”在中國科學(xué)院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成[13]。S-CO2布雷頓循環(huán)在國內(nèi)火速發(fā)展，已經(jīng)逐步開始從實(shí)驗(yàn)成果走向商業(yè)應(yīng)用。

2、循環(huán)系統(tǒng)簡介

目前，國內(nèi)外主流的S-CO2布雷頓循環(huán)包括：簡單布雷頓循環(huán)，再壓縮布雷頓循環(huán)和間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)等。

2.1簡單布雷頓循環(huán)

簡單布雷頓循環(huán)是S-CO2循環(huán)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)主要部件包括熱源、透平及發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)、冷凝器、回?zé)崞鞯?，系統(tǒng)簡單但整體循環(huán)效率相對較低。簡單S-CO2布雷頓循環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)

備體積小及投入成本低等優(yōu)勢，但是在循環(huán)過程中，可能會(huì)發(fā)生回?zé)崞鳌皧A點(diǎn)”問題[4]。導(dǎo)致回?zé)嵝阅軔夯瑥亩档秃唵窝h(huán)效率。簡單布雷頓循環(huán)示意圖如圖2所示。

圖2：簡單 S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.2再壓縮式布雷頓循環(huán)

為避免上述“夾點(diǎn)”問題發(fā)生，MIT在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上提出S-CO2再壓縮式布雷頓循環(huán)[6]，在循環(huán)中分別設(shè)置高溫和低溫回?zé)崞?，并增加再壓壓縮機(jī)方案，以解決回?zé)崞鳌皧A點(diǎn)”問題。同時(shí)，此方案減小了冷卻器帶走的熱量，使得循環(huán)效率提高。再壓縮式布雷頓循環(huán)示意圖如圖3所示。

圖3：再壓縮式 S-CO2 布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.3間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)

壓氣機(jī)是閉式布雷頓循環(huán)中最主要的耗功單元，如能降低壓氣機(jī)耗功將大大提高循環(huán)效率。為此，在再壓縮式布雷頓循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展了間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)。與普通再壓縮式布雷頓

循環(huán)相比，增加一臺(tái)預(yù)壓縮機(jī)，并在主壓縮機(jī)及預(yù)壓縮機(jī)設(shè)置一臺(tái)間冷器。間冷器可有效減少主壓縮機(jī)耗功，從而增加系統(tǒng)凈出力，提高S-CO2發(fā)電系統(tǒng)效率。間冷再壓縮式布雷頓循環(huán)示意圖如圖4所示。

圖4：間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)圖

2.4循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算與優(yōu)化

根據(jù)目前50 MW等級(jí)光熱電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，選取S-CO2透平進(jìn)口參數(shù)為20 MPa/550℃，主壓縮機(jī)入口壓力≥7.7 MPa，入口溫度35℃，為了便于控制，所有壓氣機(jī)均采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)換熱器設(shè)備，按壓損0.1 MPa考慮，換熱器“夾點(diǎn)”端差為10℃。透平效率取90%，壓縮機(jī)效率取85%，發(fā)電機(jī)效率取98.5%，電動(dòng)機(jī)效率取97%。分別計(jì)算3種S-CO2布雷頓循環(huán)，計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，簡單布雷頓循環(huán)系統(tǒng)簡單，但效率不高；間冷式再壓縮循環(huán)系統(tǒng)雖復(fù)雜，但效率比其他循環(huán)明顯提高，且收益可觀。實(shí)際上，光熱電站投資主要費(fèi)用集中在集熱島和儲(chǔ)熱島，動(dòng)力島部分相對投資較小，動(dòng)力循環(huán)效率的提升意味著如果發(fā)出同樣功率的電力，所需的熱源熱量更少。因此，采用間冷再壓縮式循環(huán)，雖然系統(tǒng)成本會(huì)增加，但集熱島和儲(chǔ)熱島的投資將會(huì)減小，遠(yuǎn)大于動(dòng)力島系統(tǒng)增加的投資。同時(shí)冷源需帶走的熱量也在減少，因此冷源投資也會(huì)減小?；谝陨戏治觯x取間冷式再壓縮循環(huán)作為研究對象，對循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化論證。

3、循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化論證

3.1循環(huán)參數(shù)對循環(huán)效率影響

上文對不同循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了分析及初步核算，并選取了間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)作為最終的研究對象，下面對此循環(huán)進(jìn)行循環(huán)參數(shù)

的優(yōu)化選取。圖5所示為間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)效率隨壓氣機(jī)入口溫度、透平入口溫度、透平入口壓力、透平出口壓力變化的曲線。壓氣機(jī)入口壓力與透平出口壓力為對應(yīng)關(guān)系，不需單獨(dú)計(jì)算。

圖5：間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由圖5可知：（1）循環(huán)效率隨主壓縮機(jī)入口溫度的升高逐漸降低。這是因?yàn)殡S著主壓縮機(jī)入口溫度的升高，主壓縮機(jī)功率增大，透平輸出功率變化不大，循環(huán)輸出凈功率減小，工質(zhì)吸熱功率也減少，但其減幅較循環(huán)輸出凈功率更大，導(dǎo)致循環(huán)效率下降。

（2）隨著透平入口溫度的升高，循環(huán)效率近似線性提高，壓縮機(jī)總功率逐漸減小，透平輸出功率逐漸增大。因此循環(huán)輸出凈功率逐漸增大，其增幅與工質(zhì)吸熱功率的增幅相差不大．這使得循環(huán)效率逐漸提高。

（3）隨著透平入口壓力的升高，循環(huán)效率逐漸提高，但透平入口壓力越高，循環(huán)效率提高的幅度越小。

（4）透平排氣壓力存在一個(gè)效率最優(yōu)點(diǎn)，且對于不同初參數(shù)，對應(yīng)的效率最優(yōu)點(diǎn)不同，排氣壓力最優(yōu)點(diǎn)一般是使得壓氣機(jī)入口壓力略高于臨界壓力。

3.2透平入口參數(shù)優(yōu)化

透平入口溫度對循環(huán)效率影響較大，考慮到光熱電站實(shí)際情況，基準(zhǔn)方案透平入口溫度為550℃，高效率方案透平入口溫度為620℃，透平入口壓力分別為20 MPa和25 MPa，壓氣機(jī)入口溫度

越低越有利于循環(huán)效率，但工質(zhì)在接近臨界溫度（31.1℃）時(shí)，物性變化劇烈，同時(shí)由于局部冷卻可能在壓氣機(jī)中發(fā)生冷凝，因此壓氣機(jī)入口溫度均選為35℃，避免出現(xiàn)不利影響，透平排氣壓力根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過計(jì)算，間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果匯總見表2。

3.3系統(tǒng)再熱優(yōu)化

以上結(jié)果均基于非再熱布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，參考朗肯循環(huán)，系統(tǒng)設(shè)置再熱后相較非再熱循環(huán)效率明顯提升。因此，在非再熱間冷再壓縮式SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一次再熱并對系統(tǒng)效率進(jìn)行尋優(yōu)，原則性熱力系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6：再熱間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

圖7所示為3種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)效率隨再熱壓力變化的曲線。可以看出，再熱壓力存在最佳點(diǎn)使得循環(huán)效率最高，因此將再熱壓力均選在最佳點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

圖7：3種間冷再壓縮式S-CO2布雷頓循環(huán)效率隨再熱壓力變化的曲線

由表3計(jì)算結(jié)果可知，一次再熱比無再熱循環(huán)效率能夠再提高1.3%左右。二次再熱相比一次再熱系統(tǒng)效率提升已經(jīng)不明顯，更多次再熱時(shí)循環(huán)效率甚至變低，這是由于換熱器和管道壓損的存在，多次再熱的收益甚至不足以彌補(bǔ)壓損造成的損失。而且隨著再熱次數(shù)增加，系統(tǒng)復(fù)雜程度增加、可靠性降低、流動(dòng)阻力增大。因此工程應(yīng)用時(shí)，再熱循環(huán)推薦采用一次再熱方案。

4、結(jié)論

S-CO2簡單循環(huán)系統(tǒng)簡單，但效率不高；間冷式再壓縮循環(huán)系統(tǒng)雖較為復(fù)雜，但效率相比其他循環(huán)有明顯提高，且收益可觀。綜合考慮效率與系統(tǒng)投資成本，光熱電站如采用S-CO2布雷頓

循環(huán)推薦采用間冷式再壓縮循環(huán)；S-CO2循環(huán)參數(shù)對循環(huán)效率有較大影響，尤其是透平入口溫度及壓氣機(jī)入口溫度與循環(huán)效率近乎是線性關(guān)系。因此，降低壓氣機(jī)入口溫度、提高透平入口溫度有利于循環(huán)效率的提升；透平入口壓力的提高也能一定程度上提高循環(huán)效率，但系統(tǒng)壓力的提高對循環(huán)系統(tǒng)及部件的要求大大提高，增加了壓氣機(jī)、換熱器及相關(guān)部件的設(shè)計(jì)難度和制造成本。因此，透平入口壓力不宜過高。

再熱對S-CO2布雷頓循環(huán)效率也有較為可觀的提升。一次再熱以后系統(tǒng)循環(huán)效率相比無再熱時(shí)有1.3%左右的提升，兩次再熱及以上時(shí)，效率提升不明顯，且會(huì)大大增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，因此，如系統(tǒng)采用再熱式S-CO2布雷頓循環(huán)，推薦采用一次再熱方案。

注：本文轉(zhuǎn)自《東方汽輪機(jī)》，聯(lián)合作者為東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司袁曉旭、張小波。轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的，若有來源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者與本網(wǎng)聯(lián)系。