低温场景超临界CO2循环燃煤发电系统研究

郑开云

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海市 闵行区 200240）

0 引言

近年来，随着风力和光伏发电成本的不断下降，可再生能源发电的装机容量快速增大，并且不断压缩煤电的份额。但我国煤炭储量丰富，风光资源相对有限的能源禀赋决定了煤电仍将长期占据主力能源地位，并在保障我国的能源安全方面发挥重要作用。煤电在继续发挥作用的同时，如何实现高质量发展成为当前能源转型的关键点，而提高燃煤发电机组的效率始终是最重要的实现路径之一[1]。

目前，高效发电机组的代表是620～630 ℃温度等级的二次再热超超临界汽轮发电机组，全厂净效率为46%～47%，正在建设中的最先进的高低位布置的机组，预期全厂净效率可达49%[2]。通过进一步提高超超临界机组参数至700 ℃温度等级，受到高温材料技术及设备制造成本的限制，很难走向实际应用，所以行业内转而探索新型的超临界CO2循环热力发电技术[3-5]。

Mounir 等[6]提出，初参数620 ℃/30 MPa 的1 000 MW二次再热超临界CO2循环燃煤发电机组的循环热效率为52.4%，全厂净效率为47.8%。Bai 等[7]提出，初参数620 ℃/32 MPa 的300 MW一次再热超临界CO2循环热效率为50.03%，设计的锅炉热效率为94%～95%，考虑厂用电及其他因素，预计全厂净效率约45%。Sun 等[8]提出，初参数620 ℃/32 MPa 的1 000 MW 二次再热超临界CO2循环热效率为51.08%，全厂净效率为47.04%。以上文献结论表明超临界CO2循环的热效率高，但是与燃煤锅炉组成的发电机组的理论效率并没有显著高于现有的超超临界汽轮机组，并且还稍低于高效二次再热超超临界机组。主要原因是超临界CO2循环压比小、回热温度高，导致从热源吸热的温度区间窄，与燃煤锅炉的加热温度区间不能很好地匹配。针对这一问题，可采取分流工质冷却烟气、预压缩、提高压力等措施来解决，但效果有限[9]。因此，对于常规的应用场景，超临界CO2循环燃煤发电机组的高效率优势无法得到体现。根据CO2的物性，它的凝结温度低，理论上可以在低至-50 ℃条件下工作。因此，对于具备低温条件的应用场景，如高纬度地区，可以通过降低热力循环的终温来提高循环热效率、扩大压比、增大吸热温度区间，从而更好地匹配锅炉加热温度区间。

本文结合我国北方地区的气候特点，构建适合于冬、春季节低温环境下的超临界CO2循环燃煤发电系统，对其发电效率加以估算，并对经济和社会效益进行初步探讨。

1 低温场景分析

低温环境对于热力发电是有利的，可以降低汽轮机低压缸的排汽压力，提升机组热力性能。但是，会增大蒸汽湿度，汽轮机相对效率下降，并且需要更长的末级叶片，增加汽轮机排汽口尺寸和数量，使汽轮机低压部分复杂化，所以汽轮发电机组的终温不宜过低[10]。超临界CO2循环可以在极低的终温下运行，获得更高的循环效率，由于循环压比仍然较小，不会使透平排气口尺寸过大，也没有湿蒸汽的问题。因此，寻找适用的低温场景，可以发挥超临界CO2循环的优势。

从我国的地理和气温特点来看，北方地区冬、春季气温低，特别是东北和北疆等高纬度地区气温处于0 ℃下的时间可达4 个月以上。考虑到最好在燃煤电厂厂址附近有煤炭资源，则蒙东和北疆煤炭基地的区位优势最为突出。蒙东地区冬、春季极其严寒，以呼伦贝尔为例，从11月中旬至第二年的2 月中旬，长达近3 个月的最高气温在-10 ℃以下，极端气温可达-50 ℃；北疆也有类似气候条件。因此，在蒙东和北疆地区的低温天气，可以为超临界CO2循环提供非常优越的低温冷端条件，可将工质冷却至15 ℃以下。

2 发电效率估算

超临界CO2循环采用分流再压缩方式，其循环效率高。图1给出了分流再压缩超临界CO2循环的基本流程，以主泵入口为起点，工质经主泵压缩增压，通过低温回热器，与分流压缩机出来的工质汇合，经高温回热器，进入锅炉吸收热量，通过透平膨胀做功推动发电机转换为电能。透平排出工质经高温回热器和低温回热器，一股分流进入分流压缩机增压，另一股进入冷却器冷却后再回到主泵入口。

图1 分流再压缩超临界CO2循环流程Fig.1 Process of splitting-recompression supercritical CO2 cycle

考虑到超临界CO2循环与锅炉加热温度区间的合理匹配，锅炉进气温度不宜过高，所以循环没有采用再热。这样，循环系统简化，设备较少，非常适合运用透平高位布置方法来缩减高温高压主管道长度，并降低管道阻力损失。

循环热力学计算中选取终温，即主泵入口温度为3～15 ℃的工况，主泵入口压力略高于所对应的饱和压力，且设定低温回热器高压侧出口温度与分流压缩机出口温度相等，循环系统的其他给定参数如表1 所示，锅炉效率、管道效率、机械效率、发电机效率和厂用电率均参考大型超超临界汽轮发电机组[2]。

表1 超临界CO2循环参数Tab.1 Parameters for supercritical CO2 cycle

主泵、分流压缩机内的压缩过程以及透平内的膨胀做功过程均视为绝热过程，等熵效率分别用ηc和ηt表示。

压缩过程的等熵效率为

式中：ht，in、ht，out分别为实际透平入口和出口工质焓值；ht，out，is为等熵情况下透平出口工质焓值。

采用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的REFPROP物性数据库，根据能量守恒，可求得稳态时循环回路各设备入口和出口工质的状态参数值，以及进入分流压缩机的分流量比例[11]。

循环达到稳态时的热效率η可表示为

式中：Wt为透平功率；Wp为主泵功耗；Wc为分流压缩机功耗；Q为工质从锅炉吸收的热量。

全厂净效率ηnet可表示为

式中：ηb为锅炉效率；ηp为管道效率；ηm为机械效率；ηg为发电机效率；ξap为厂用电率。

“家长用超标电动车，学校或扣孩子道德分”，不久前，山东菏泽某学校这一规定引发网友热议。事后当地教育部门回应称，拒绝此类做法，对学生不会有任何惩罚性措施。强行将父母骑超标电动车的行为与孩子捆绑在一起，既容易误导孩子成长，更容易伤害孩子与父母之间的感情。诚然，开展超标电动车专项整治行动需要标本兼治，但政策实施不可无限扩大，把八竿子打不着的教育部门纳入其中，甚至把孩子作为“尚方宝剑”，让孩子充当整治超标电动车的“排头兵”。教育部门职责非常明确，不要遇到什么事儿都和孩子“捆绑”。唯有如此，学校才能专心培养学生。从根本上讲，也更有利于超标电动车的彻底整治。

图2 给出了锅炉进气温度与主泵入口温度的关系，由图2 可见，锅炉进气温度随着主泵入口温度递增，当主泵入口温度≤9 ℃时，锅炉进气温度低于355 ℃，可与锅炉加热温度区间较好匹配。当主泵入口温度＞9 ℃时，如有必要，可以通过从高温回热器高压侧中间或出口抽取少量工质，进一步冷却锅炉尾部排烟[11]。

图2 锅炉进气温度与主泵入口温度的关系Fig.2 Relationship between the inlet temperatures of boiler and main pump

图3 给出了循环热效率和全厂净效率与主泵入口温度的关系，由图3 可见，效率随着主泵入口温度递减，且主泵入口温度每升高2 ℃，效率降低0.002～0.003。主泵入口温度在9 ℃以下时，循环热效率在53.5%以上，全厂净效率达到48%以上，高于现有的二次再热超超临界汽轮发电机组1%～2%。

图3 循环热效率和全厂净效率与主泵入口温度的关系Fig.3 Relationship between thermal efficiency,net plant efficiency and main pump inlet temperature

将主泵入口温度为9 ℃的工况作为最佳工况，循环的热力学状态如图4 所示，其中分流比为0.38。由图4可见，在低温下，主泵入口的二氧化碳工质为液态，主泵做功减小，有利于提高循环的热效率。在适合的低温条件应用场景，如蒙东、北疆地区的冬春季节，上述工况的超临界CO2循环燃煤发电机组非常适合。

图4 主泵入口温度为9 ℃工况的温熵图Fig.4 T-s diagram for the case with the inlet temperature of main pump of 9 ℃

3 经济和社会效益分析

超临界CO2循环系统的设计选取低的终温，那么在较高环境温度条件下，机组无法通过自然冷却而正常工作，可能需要停机，或者采取人工制冷手段来调节终温，所以机组的高效运行具有季节性特点。从整个能源结构来看，水电、光伏等可再生能源发电也具有季节性波动特点，冬、春季时水电和光伏发电量大幅减少，此时又恰逢用电高峰，通过运行上述的超临界CO2循环燃煤机组可以补充冬、春季的用电需求。如果机组可以在冬、春季节满发运行4 个月以上，则年利用时间也可达2 880 h以上，虽低于全国火电平均利用时间(2019 年为4 293 h)，但高于四川、云南等水电资源丰富省份的火电利用时间。

对于有低温条件且煤炭资源丰富的厂址区域，如蒙东、北疆地区，冬春季节气温低，且煤炭就地利用的价格便宜，电煤价格低于300元/t，仅为全国平均价格的60%。采用前文优选的终温为9 ℃工况的超临界CO2循环燃煤机组，机组发电净效率可达48%，对应的供电煤耗为256 g/(kW·h)。虽然超临界CO2循环由于换热器用量大，在机组造价上相比汽轮机组存在劣势[2]，但其系统结构简单，仍具有一定的降本空间，特别是用于低温场景的循环布置，循环压比大，回热热量较小，并且无需再热，使机组更加简化。超临界CO2循环燃煤机组在发电效率上的突出优势，使其经济性得以保障。假设600 MW机组的年发电时间为2 880 h，按照供电煤耗比二次再热超超临界汽轮机组减少10 g/(kW·h)计算，每年可省煤17 280 t，节省费用约500万元。同时，由于煤耗低，CO2和污染物排放减少，符合煤电清洁低碳的发展方向。

随着西南水电资源开发殆尽，“西电东送”潜力上升有限，贵州、安徽等传统电力外送基地自身煤炭资源开发程度较高，近年来电煤供应逐步趋紧，没有进一步扩大外送的潜力，受多方面因素影响，自身电源发展潜力有限，未来将逐渐出现季节性缺口。因此，我国正在研究增加“北电南送”的电力新格局，通过跨省跨区的远距离输电通道传送至京津冀、长三角等用电负荷大的地区。蒙东和北疆地区具备优越的煤电发展条件，除现有的煤电供给方式以外，在冬、春季电力紧张时段，投入高效的超临界CO2循环燃煤发电机组，借助“北电南送”通道向外供电，更有利于保障我国能源供应安全。

4 结论

结合我国北方地区的气候特点，构建了适合于冬、春季节低温环境下运行的超临界CO2循环燃煤发电系统，得出以下结论：

1）通过降低终温、扩大循环压比、降低工质的回热温度，超临界CO2循环可与燃煤锅炉很好地结合，组成高效的燃煤发电机组。

2）考虑到气温和煤炭分布，我国北方煤炭基地(如蒙东、北疆)低温季节长，可以构建高效的超临界CO2循环燃煤发电机组。

3）对于终温9 ℃的工况，620 ℃/30 MPa 初参数的超临界CO2循环发电机组可获得48%的全厂净发电效率，高于二次再热超超临界汽轮发电机组。

4）超临界CO2循环燃煤发电可以补充可再生能源发电在冬、春季节的发电量缺口，通过“北电南送”实现北方煤炭资源的高效利用。