300 MW超临界二氧化碳发电机组热力系统分析

田瑞青 廖健鑫 廖 翔

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

超临界二氧化碳(简称S-CO2)发电是一种新型发电技术，以超临界状态的二氧化碳作为工质，将热源的热量转化为电能，其热源可采用核能、太阳能、地热能、工业废热、余热、化石燃料等多种形式。S-CO2发电具有效率高、体积小、重量轻、噪声低等优点。S-CO2发电现在属于热门研究方向，各国均有不同程度的研究，部分国家己经开展了样机制造和试验。美国BMPC公司搭建了100 kW级双轴带回热的闭式布雷顿循环发电试验系统。NREI于2012年提出以Echogen公司的EPS100系统为基础的SunShot试验计划，开发了10 MW超临界二氧化碳涡轮机，计划2013年设计，2014年制造，2015年运行。美国海军堆项目组下属诺尔斯原子能实验室与贝蒂斯实验室2010年己建成一座100 kW电功率的整体试验系统，1000～3000 kW电功率的超临界二氧化碳试验的前期工作也在进行中。日本东京工业大学完成了用于核反应堆的超临界二氧化碳循环系统设计；韩国原子能研究院分析了超临界二氧化碳循环与钠冷快中子堆结合的可行性。

国内西安热工研究院正在进行10 MW以下透平和压缩机试验；中国科学院工程热物理研究所已经完成1台换热器、1台冷却器实验样机测试，2018底完成兆瓦级超临界CO2换热器综合试验平台建设。

目前国内外S-CO2发电仍处于试验阶段，100 MW以上大功率机组还未商业运行，但随着各国工程人员的不懈努力，大功率超临界二氧化碳机组商业运行指日可待。对300 MW机组热力系统进行分析，期望对以后大功率机组热力设计有所帮助。

1 S-CO2热力循环

S-CO2发电是以超临界状态的二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环系统，整个循环系统运行在二氧化碳的临界压力和临界温度之上。超临界二氧化碳经过压缩机升压后，被换热器等压加热，经升温后，高温高压的工质进入透平做功，带动电机发电，做功后的二氧化碳压力降低，进入预冷器降温到初始状态，再进入压缩机形成闭式循环。

2 典型循环系统及组成

由于超临界二氧化碳闭式布雷顿循环工质的物性特点，为了提高整个循环效率，在循环中往往采用中间回热的方式，充分利用透平高温的排气来预热压缩机出口的工质(回热过程)，从而降低冷端损失，循环还可采用多级压缩中间冷却技术进一步提高效率。典型循环系统及组成如下：

(1)简单S-CO2布雷顿循环系统，由压缩机、透平、预冷器、加热器和回热器组成，如图1(a)所示。

(2)再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，由主压缩机、再压缩机、透平、预冷器、加热器和低温回热器、高温回热器组成，如图1(b)所示。

(3)预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，相对于再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统来说，增加了预压缩机和间冷器，如图1(c)所示。

(4)再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，由主压缩机、再压缩机、驱动透平、发电透平、预冷器、加热器和换热器组成，如图1(d)所示。

(a)简单S-CO2布雷顿循环系统

3 系统参数设定

根据当前火力发电厂汽轮机和超临界二氧化碳参数配置以及国内材料性能的可实现性，设定热力计算参数为：透平进气压力32 MPa，进气温度620℃，再热二氧化碳进气温度600℃，透平出口(压缩机进口)压力7.6 MPa，压缩机对应进口温度32℃，根据试验测试，选取换热器效率为97%，发电机效率97%，计算中不考虑所有管路、阀门等的损失。

3.1 简单S-CO2布雷顿循环系统

简单S-CO2布雷顿循环所需设备较少，循环流程简单，初期投入较低，但循环效率较低，适用于低参数、功率等级较小的发电机组。换热器热端出口工质温度为89.5℃，而压缩机进口温度32℃，由于有温差为57.5℃的热量在冷端损失，使整个循环热效率降低，最大压比时效率为41.2%。简单S-CO2布雷顿循环系统参数见表1，其压比对循环热效率影响见图2。

表1 简单S-CO2布雷顿循环系统参数Table 1 Parameters of simple S-CO2 Breton cycle system

图2 简单S-CO2布雷顿循环系统压比对循环热效率影响Figure 2 Effects of simple S-CO2 Breton cycle system pressure ratio on cycle thermal efficiency

3.2 再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统

保持压缩机进口压力不变，随着压比增大，机组效率增加，当压比达到4.079时，机组效率达到最高，见图3(a)。保持压缩机进口压力不变，分流比增大，机组的效率增加，当分流比达到0.6451时，机组效率达到最高，见图3(b)。

图3 再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统压比、分流比对循环热效率影响Figure 3 Effects of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio, split ration on cycle thermal efficiency

与简单布雷顿循环相比，带分流再压缩系统进入低温换热器中冷侧流体的流量减少，通过低温换热器和高温换热器的加热，进入热源的新工质温度得到提升，当分流比选取合适时，可以使低温换热器冷侧温升与热侧温降数值相当；同时分流再压缩系统中进入预冷器的二氧化碳流量减少，减少了系统向外界放热，从而进一步提高系统的循环效率。尽管换热器热端出口和压缩机进口温度仍有57.5℃温差，但由于再压缩流量的分流，约36%的热量被利用，冷端损失减少，整个系统效率提高。再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数见表2。

表2 再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数Table 2 Parameters of recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

3.3 预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统

保持预压缩机进口压力不变，随着压比增大，机组效率增加，预压缩机压缩比越小，机组效率越高。因为压缩耗功后，工质温度升高，为了降低主压缩机耗功，工质在进主压缩机前需要预冷到接近临界温度。因此，预压缩压比越小，冷却损耗也少，整个机组效率就越高。

换热器热端出口和压缩机进口温差降低，温差只有28.4℃，再加上再压缩机流量的分流，进预压缩机前冷端损失减少，由于增加了间冷器，使中间损失增加，整个系统冷端损失减少，循环热效率的收益也减少。预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数见表3，其压比、分流比对循环热效率影响见见图4。

表3 预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数Table 3 Parameters of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

图4 预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统压比、分流比对循环热效率影响Figure 4 Effects of precompression and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

由于增加了预压缩机和间冷器，初期成本投入增加。印刷电路板式换热器具有耐高温、高压、泄漏少、结构紧凑、高效等优点，S-CO2发电具有较广阔的前景，国内正处于攻坚阶段，设计和工艺技术还不够成熟，中科院工程热物理研究所虽完成换热器、冷却器样机试验，但未达到商业化，目前换热器基本以进口为主，价格非常高。

3.4 再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统

相对于预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统减少了间冷器这一中间冷却损失环节；分流到再压缩，减少了冷端损失，通过再热，单位工质的做功能力得到增加。保证压缩机进口参数不变，随着压比和分流比的增加，机组效率增大，循环热效率最高可达到48.8%，见图5。再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数见表4。

表4 再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统参数Table 4 Parameters of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system

保证主透平进口参数，分流比，压缩机压比不变，随着主透平出口压力降低，机组循环热效率下降，在主透平出口压力为16 MPa时，机组的效率最高，见图6。主透平进口参数不同时，机组达到最高效率时的分流比基本保持一致。

图5 再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统压比、分流比对循环热效率影响Figure 5 Effects of reheating and recompression S-CO2 Breton cycle thermal system pressure ratio and split ratio on cycle thermal efficiency

图6 主透平出口压力对循环热效率影响Figure 6 Effects of main turbine exit pressure on cycle thermal efficiency

4 对比分析

如图7所示，通过对不同循环方式对比可见，再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统整个循环热效率最高，预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统和再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统次之，简单S-CO2布雷顿循环系统最低。在再热、再压缩回热系统基础上增加一台预压缩机和一台间冷器，就形成带预压缩再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，见图8。

图7 不同循环热效率对比Figure 7 Contrast of different cycle thermal efficiencies

图8 带预压缩再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统Figure 8 S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression

和其它典型循环系统一样，带预压缩再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统，随着总压比增加，系统循环热效率增加。在系统总压比不变的情况下，随着预压缩机出口压力变化，系统总循环热效率先增加，达到某个值后又减少，预压缩机出口压力为10 MPa时，机组循环热效率最高，见图9。主透平出口压力逐渐增加，系统循环热效率先增后减，主透平出口压力为16 MPa时，机组循环热效率最高为49.4%，见图10。相比较再热、再压缩回热系统循环，增加预压缩后带来的收益是系统循环热效率约提高0.6%，但增加了预压缩机、间冷器、系统管道配置、土建等的初期投资，后期系统维护费用也相对增加，同时系统运行控制难度增加。因此对于300 MW机组的热力方案更倾向于选取再热、再压缩回热系统。可根据具体工程核算优化选择相应的循环系统。300 MW机组热力基本技术参数见表5。

图9 预压缩机出口压力对循环热效率影响Figure 9 Effects of pre-compressor exit pressure on cycle thermal efficiency

图10 带预压缩再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统主透平出口压力、总压比对循环热效率影响Figure 10 Effects of main turbine exit pressure, total pressure ratio for S-CO2 Breton cycle thermal system with precompression reheating and recompression on cycle thermal efficiency

表5 300 MW机组热力方案(未考虑相关损失)Table 5 Thermal scheme of 300 MW generator (without related loss)

5 总结

通过对不同热力循环系统热效率、投资成本对比分析，确定300 MW机组热力方案，并得出如下结论：

(1)通过对不同循环方式对比可见，带预压缩再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统整个循环热效率最高，再热、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统次之，预压缩、再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统和再压缩S-CO2布雷顿循环回热系统略低，简单S-CO2布雷顿循环系统最低。

(2)在压缩机进口压力不变情况下，随着压比、分流比增大，机组的效率增加。

(3)采用多级压缩中间冷却技术，虽能提高效率，但由于中间冷却增加了过程损失，降低了收益。同时由于增加了预压缩机和间冷器，初期成本投入增加，且控制系统复杂。

(4)针对具体工程可根据实际预算及周期选择相应的循环系统。