超临界二氧化碳动力循环展望
发布者:lzx | 来源:Energy Energy Elsevier | 0评论 | 1281查看 | 2019-08-15 18:58:37    


水蒸汽朗肯循环热功转换是主流发电技术。目前大型燃煤发电机组主蒸汽温度已达630℃,进一步提升效率受到材料制约,700℃蒸汽温度下钢材腐蚀严重,限制了主蒸汽参数的提高。超临界二氧化碳动力循环,简称S-CO2循环,采用CO2实现热功转换。S-CO2循环有三个优势。首先,CO2化学性质稳定,高温下与金属材料反应弱,为进一步提高主蒸汽参数奠定了基础;其次,当主蒸汽温度超过550℃时,S-CO2循环效率高于水蒸汽朗肯循环;再次,S-CO2循环系统高压运行,系统紧凑。


20世纪60年代就提出了S-CO2循环,在其后的几十年内并未受到重视。近20年来,由于面临能源和环境的双重压力,S-CO2循环重新受到国际学术界和工业界关注,各国都投入了相当的人力物力研发该前沿能源技术。目前,S-CO2循环处于基础研究阶段,实验研究集中在关键部件及小容量机组测试上,人类要实现大规模CO2循环发电,有许多研发工作要做。近日,华北电力大学徐进良教授团队及西安交通大学李明佳教授等在ENERGY上发表论文,综述了S-CO2循环研究进展,科学问题,技术瓶颈,解决对策及未来工作,为该领域的发展提供了专业的见解。


1.S-CO2与金属材料相容性问题


二氧化碳在高温高压环境下与金属材料的化学反应速率决定了循环所能采用的最高主蒸汽温压参数,与机组发电效率密切相关。目前,已对S-CO2与金属的相容性进行了一些实验,但数据还不能支撑大规模机组的设计和运行,体现在以下几个方面:(i)采用高纯度CO2测试,与机组实际运行工况有偏离;(ii)测试时间不够长;(iii)采用增重法表征化学反应速率,建议采用减重法更有价值。总之,建议测试并建立S-CO2与典型金属材料,包括合金钢的化学反应速率数据库,进行合理评估,以支撑S-CO2机组的设计和运行。


2.S-CO2循环的选择


再压缩(RC)、再压缩+中间冷却(RC+IC)与再压缩+再热(RC+RH)是基本的循环形式。已经证明,间冷能够降低压气机耗功,可适当提高机组效率,但再热对提升效率更加明显。当S-CO2循环与不同热源耦合时,难以找到一个固定循环,适合不同热源(太阳能、核能、化石能源及余热)。例如,再压缩循环与太阳能或核能耦合时,由于热源跨越温区较窄,比较适合,但再压缩循环不适合余热利用。对于大规模S-CO2燃煤动力系统,由于S-CO2循环主要适合中高温热源,全温区吸收烟气热量是最大挑战。近来,Xu等提出了S-CO2循环的全温区吸收烟气热量方法,分别采用顶循环和底循环吸收高温和中温烟气热量,空气预热器吸收低温烟气热量,解决了这一难题。另外,现有文献分析循环时,大多没有和关键部件的热工水力特性进行耦合。S-CO2循环的特点是循环流量特别大,相同功率下,S-CO2循环流量是水蒸汽朗肯循环的~6倍以上,导致S-CO2在关键部件流动时产生明显的堵塞效应,即压降惩罚效应。鉴于此,Xu等提出1/8减阻原理,由此产生S-CO2锅炉的模块化设计,解决了这一难题。


当S-CO2循环用于不同热源时,存在直接式S-CO2循环和间接式S-CO2循环之分。在直接式S-CO2循环中,S-CO2直接吸收热源热量,效率高,但存在严重的传热问题,例如,对于直接式太阳能S-CO2循环,太阳能吸热器温度高,热应力大,安全问题严重。间接式S-CO2循环采用其它工质,如熔融盐吸收太阳能热量,熔融盐回路和S-CO2循环回路采用中间换热器进行耦合。在进行循环研究时,现有文献主要关注S-CO2循环本身,对热源和S-CO2循环的耦合环节关注不够。S-CO2循环效率高并不代表整个系统效率高。因此,我们建议:(i)提出适合于不同热源特点的循环结构;(ii)研究S-CO2循环与关键部件热工水力特性的耦合机理。


循环分析的合理性取决于关键部件的效率。在现有文献中,压气机和透平效率均假设在0.9以上,缺少足够的实验数据支撑。压气机和透平分为径流式和轴流式,分别适合于小容量机组和大容量机组。小容量机组的透平效率很难达到0.9,大容量机组旋转机械效率亟需进行理论和实验研究。


3.S-CO2换热器


3.1S-CO2传热基础理论


S-CO2传热发生在S-CO2循环的多种设备中,如中间换热器、回热器和冷却器等。实验方面,现用S-CO2传热数据局限于小直径管道和较低温压参数,实验数据集中在~8MPa附近。实际运行时,压力至少大于20MPa,约为CO2临界压力的3倍以上,热流密度远大于100kW/m2。一些传热关联式仅适用于研究者自己的参数范围,难以扩展到参数范围之外。理论方面,已进行了较多的S-CO2传热数值模拟,但缺乏公认的湍流模型,在不同条件下都具有良好的预测精度。现有超临界传热理论框架基于单相均匀的物质结构,强调物性变化、浮生力和加速效应对S-CO2传热的影响。


超临界传热研究的目的是确保受热面安全,如何预测传热恶化是非常重要的问题,超临界传热恶化机理仍然是悬而未决的问题。鉴于单相流体理论框架不能很好解释及预测超临界传热危机,Zhu等引入Pseudo-boiling(类沸腾)处理S-CO2传热,核心思想是将加给超临界流体的热量分为两部分,一部分用于流体升温,另一部分用于“沸腾”相变。将亚临界压力的气泡生长和超临界压力的类汽膜生长进行类比,提出新的无量纲参数:超临界沸腾数SBO,以判断传热恶化的发生。在宽广实验参数范围内,发现存在确定的临界SBO数5.126×10-4,当SBO数大于该临界值时,发生传热恶化,佐证了超临界流体的异质结构(structure of gas-like fluid and liquid-like fluid)。S-CO2传热研究建议如下:(i)进行更加宽广参数范围的实验研究;(ii)提高超临界传热数值模拟的精度;(iii)发展通用传热系数关联式;(iv)研究超临界传热的类沸腾传热机理。


3.2直接/间接S-CO2循环加热器


S-CO2循环加热器担负吸收热源热量的重任。第四代先进核电站概念设计采用直接或间接式S-CO2循环。对于间接S-CO2循环,中间换热器是耦合反应堆一回路和S-CO2循环二回路的纽带,应加强气冷堆高温气体和S-CO2耦合传热研究,加强液态金属堆中池式液态金属和S-CO2耦合传热研究。有专家提出直接式S-CO2核能系统,限于S-CO2冷却堆芯的能力,难度较大。


太阳能聚焦热发电(CSP)S-CO2循环也分为直接和间接循环。在直接循环中,S-CO2在太阳能吸热器(solarreceiver)中直接吸收太阳能,系统效率较高,但由于热流密度的不均匀分布及热应力问题,严重威胁吸热器安全,应加强实验和理论研究,为太阳能S-CO2循环设计和运行提供支撑。在间接S-CO2循环中,熔盐可作为吸收太阳能的热载体,应解决熔盐腐蚀、泄漏、堵塞等技术难题。


对于化石能源S-CO2电站,S-CO2流经S-CO2锅炉的各级受热面(冷却壁、再热器和过热器等),如何确保锅炉安全运行是重中之重。首先,应对循环要求,CO2进入锅炉的温度比水蒸汽锅炉高,例如520oC,导致锅炉受热面整体温度的上升;其次,S-CO2传热系数一般在3-5kW/m2K,在200-300kW/m2热负荷下,CO2与管内壁温差可达40-100K。近年来,我国在科技部重点专项支持下,围绕S-CO2锅炉壁温控制,提出了耦合锅侧和炉侧综合调控方法及炉型设计,在炉侧降低并改善热负荷分布,在锅侧采用内螺纹管,调整传热管倾角及管径等,取得较好效果。


3.3印刷电路板换热器(PCHE)


PCHE最初由英国Heatric公司提出,可理解为一种更加紧凑的板式换热器。由于功率密度高和体积小而备受青睐。S-CO2循环具有非常大的系统内部回热,回热量可达净输出功的3-4倍,减小回热器尺寸对于整个系统紧凑化和快的负荷响应速率非常重要。已证明PCHE在小规模S-CO2循环中有效。美国NET Power公司将PCHE集成到一个50MWth的天然气示范电厂的设计中。Zigzag是PCHE通道的传统结构。近期的进展包括发展新的通道结构,例如S型和翼型(aerofoil),减少PCHE阻力,提升PCHE综合传热性能。亟待开展大容量机组(>100MW级)采用PCHE的可行性研究,包括设计加工方法和成本估算。目前认为PCHE有较好的传热性能,但成本昂贵,如何降低成本很重要。从运行角度,发展弯曲窄缝通道清除杂质的新方法也具有重要意义。


3.4S-CO2旋转机械


S-CO2旋转机械表现出新的特点:(i)高运行压力和低压比;(ii)大轴向推力,轴承、密封和转子动力学问题严重;(iii)超高功率密度和超高转速。径流式和轴流式旋转机械分别适用于小容量和大容量机组。现有大型旋转机械主要基于理想气体假设,但理想气体假设用于S-CO2旋转机械设计时,实际运行特性参数与设计值产生明显偏离。S-CO2透平运行远偏离临界压力,但S-CO2压气机运行可跨越临界压力,产生明显的实际气体效应。现有商业软件数值模拟,难以捕捉实际气体效应,导致参数偏移。应发展新的数值模拟方法,考虑实际气体效应,提高S-CO2旋转机械数值模拟的精度、收敛性及计算速度,彻底明晰S-CO2旋转机械热功转换机理。


国际上(美国、韩国、中国等)已建立了小容量S-CO2实验系统,目前可得出如下结论:(i)已建立的S-CO2实验系统主要针对小容量机组并采用径流式旋转机械;(ii)小型实验系统效率偏低,关键输出参数低于设计值;(iii)二氧化碳严重泄漏,降低了系统性能;(iv)大型轴流式旋转机械可能不会出现小型径流式旋转机械的类似问题。建议的研究方向如下:(i)发展充分反映实际气体效应的数值模型及计算方法,提高设计精度;(ii)彻底解决轴承、密封、转子动力稳定性等技术问题;(iii)提出S-CO2旋转机械一体化解决方案;(iv)测试并提供S-CO2压气机和透平的可靠效率数据。


3.5S-CO2循环的变工况和瞬态运行


变工况运行是指由于换热器边界条件发生变化,引起换热器一侧或两侧的质量流量和温度发生变化,改变整个循环的传热速率和温压参数,从而改变压气机和透平压比,使发电量和循环效率偏离设计值。压气机和回热器由于存在实际气体效应,应引起重视。变工况运行甚至可使超临界循环转换为跨临界循环。Floyd等表明当冷源温度从21℃提高到40℃时,实际气体效应引起压比下降,导致发电量和效率下降。为了在冷源温度升高时获得恒定的功率和效率,压气机应具有一定的自由度。对于太阳能S-CO2循环,应考虑太阳辐射热负荷和冷源温度的变化。S-CO2循环瞬态分析和控制的目的是确保在各种扰动条件下,各部件能够安全运行并维持超临界压力运行。总体上说,S-CO2循环的变工况及瞬态分析目前还处于起步阶段,建议的研究方向为:(i)发展适合于不同热源S-CO2循环的变工况及瞬态分析计算程序;(ii)建立S-CO2综合示范系统,对关键部件及整个系统进行机理验证。


4.结论


S-CO2循环具有大规模商业运行的潜力,S-CO2循环的研发面临三个方面的问题:


(i)缺乏稳态和非稳态运行的系统层面的设计和分析方法;


(ii)S-CO2能量传递和转换机理还未彻底明晰;


(iii)关键部件存在密封、泄漏和转子动力学稳定性等难题。


解决这些问题的措施是:


(i)提出适合于不同热源特点的S-CO2循环,以提高全局的系统效率;


(ii)发展高精度数值模拟方法,进行实验验证,提高关键部件设计精度;


(iii)针对关键部件技术瓶颈,提出一体化解决方案,并在实际运行系统中得到验证。

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