超臨界二氧化碳動力循環展望
發布者:lzx | 來源:Energy Energy Elsevier | 0評論 | 951查看 | 2019-08-15 18:58:37    


水蒸汽朗肯循環熱功轉換是主流發電技術。目前大型燃煤發電機組主蒸汽溫度已達630℃,進一步提升效率受到材料制約,700℃蒸汽溫度下鋼材腐蝕嚴重,限制了主蒸汽參數的提高。超臨界二氧化碳動力循環,簡稱S-CO2循環,采用CO2實現熱功轉換。S-CO2循環有三個優勢。首先,CO2化學性質穩定,高溫下與金屬材料反應弱,為進一步提高主蒸汽參數奠定了基??;其次,當主蒸汽溫度超過550℃時,S-CO2循環效率高于水蒸汽朗肯循環;再次,S-CO2循環系統高壓運行,系統緊湊。


20世紀60年代就提出了S-CO2循環,在其后的幾十年內并未受到重視。近20年來,由于面臨能源和環境的雙重壓力,S-CO2循環重新受到國際學術界和工業界關注,各國都投入了相當的人力物力研發該前沿能源技術。目前,S-CO2循環處于基礎研究階段,實驗研究集中在關鍵部件及小容量機組測試上,人類要實現大規模CO2循環發電,有許多研發工作要做。近日,華北電力大學徐進良教授團隊及西安交通大學李明佳教授等在ENERGY上發表論文,綜述了S-CO2循環研究進展,科學問題,技術瓶頸,解決對策及未來工作,為該領域的發展提供了專業的見解。


1.S-CO2與金屬材料相容性問題


二氧化碳在高溫高壓環境下與金屬材料的化學反應速率決定了循環所能采用的最高主蒸汽溫壓參數,與機組發電效率密切相關。目前,已對S-CO2與金屬的相容性進行了一些實驗,但數據還不能支撐大規?;櫚納杓坪馱誦?,體現在以下幾個方面:(i)采用高純度CO2測試,與機組實際運行工況有偏離;(ii)測試時間不夠長;(iii)采用增重法表征化學反應速率,建議采用減重法更有價值。總之,建議測試并建立S-CO2與典型金屬材料,包括合金鋼的化學反應速率數據庫,進行合理評估,以支撐S-CO2機組的設計和運行。


2.S-CO2循環的選擇


再壓縮(RC)、再壓縮+中間冷卻(RC+IC)與再壓縮+再熱(RC+RH)是基本的循環形式。已經證明,間冷能夠降低壓氣機耗功,可適當提高機組效率,但再熱對提升效率更加明顯。當S-CO2循環與不同熱源耦合時,難以找到一個固定循環,適合不同熱源(太陽能、核能、化石能源及余熱)。例如,再壓縮循環與太陽能或核能耦合時,由于熱源跨越溫區較窄,比較適合,但再壓縮循環不適合余熱利用。對于大規模S-CO2燃煤動力系統,由于S-CO2循環主要適合中高溫熱源,全溫區吸收煙氣熱量是最大挑戰。近來,Xu等提出了S-CO2循環的全溫區吸收煙氣熱量方法,分別采用頂循環和底循環吸收高溫和中溫煙氣熱量,空氣預熱器吸收低溫煙氣熱量,解決了這一難題。另外,現有文獻分析循環時,大多沒有和關鍵部件的熱工水力特性進行耦合。S-CO2循環的特點是循環流量特別大,相同功率下,S-CO2循環流量是水蒸汽朗肯循環的~6倍以上,導致S-CO2在關鍵部件流動時產生明顯的堵塞效應,即壓降懲罰效應。鑒于此,Xu等提出1/8減阻原理,由此產生S-CO2鍋爐的??榛杓?,解決了這一難題。


當S-CO2循環用于不同熱源時,存在直接式S-CO2循環和間接式S-CO2循環之分。在直接式S-CO2循環中,S-CO2直接吸收熱源熱量,效率高,但存在嚴重的傳熱問題,例如,對于直接式太陽能S-CO2循環,太陽能吸熱器溫度高,熱應力大,安全問題嚴重。間接式S-CO2循環采用其它工質,如熔融鹽吸收太陽能熱量,熔融鹽回路和S-CO2循環回路采用中間換熱器進行耦合。在進行循環研究時,現有文獻主要關注S-CO2循環本身,對熱源和S-CO2循環的耦合環節關注不夠。S-CO2循環效率高并不代表整個系統效率高。因此,我們建議:(i)提出適合于不同熱源特點的循環結構;(ii)研究S-CO2循環與關鍵部件熱工水力特性的耦合機理。


循環分析的合理性取決于關鍵部件的效率。在現有文獻中,壓氣機和透平效率均假設在0.9以上,缺少足夠的實驗數據支撐。壓氣機和透平分為徑流式和軸流式,分別適合于小容量機組和大容量機組。小容量機組的透平效率很難達到0.9,大容量機組旋轉機械效率亟需進行理論和實驗研究。


3.S-CO2換熱器


3.1S-CO2傳熱基礎理論


S-CO2傳熱發生在S-CO2循環的多種設備中,如中間換熱器、回熱器和冷卻器等。實驗方面,現用S-CO2傳熱數據局限于小直徑管道和較低溫壓參數,實驗數據集中在~8MPa附近。實際運行時,壓力至少大于20MPa,約為CO2臨界壓力的3倍以上,熱流密度遠大于100kW/m2。一些傳熱關聯式僅適用于研究者自己的參數范圍,難以擴展到參數范圍之外。理論方面,已進行了較多的S-CO2傳熱數值模擬,但缺乏公認的湍流模型,在不同條件下都具有良好的預測精度。現有超臨界傳熱理論框架基于單相均勻的物質結構,強調物性變化、浮生力和加速效應對S-CO2傳熱的影響。


超臨界傳熱研究的目的是確保受熱面安全,如何預測傳熱惡化是非常重要的問題,超臨界傳熱惡化機理仍然是懸而未決的問題。鑒于單相流體理論框架不能很好解釋及預測超臨界傳熱?;?,Zhu等引入Pseudo-boiling(類沸騰)處理S-CO2傳熱,核心思想是將加給超臨界流體的熱量分為兩部分,一部分用于流體升溫,另一部分用于“沸騰”相變。將亞臨界壓力的氣泡生長和超臨界壓力的類汽膜生長進行類比,提出新的無量綱參數:超臨界沸騰數SBO,以判斷傳熱惡化的發生。在寬廣實驗參數范圍內,發現存在確定的臨界SBO數5.126×10-4,當SBO數大于該臨界值時,發生傳熱惡化,佐證了超臨界流體的異質結構(structure of gas-like fluid and liquid-like fluid)。S-CO2傳熱研究建議如下:(i)進行更加寬廣參數范圍的實驗研究;(ii)提高超臨界傳熱數值模擬的精度;(iii)發展通用傳熱系數關聯式;(iv)研究超臨界傳熱的類沸騰傳熱機理。


3.2直接/間接S-CO2循環加熱器


S-CO2循環加熱器擔負吸收熱源熱量的重任。第四代先進核電站概念設計采用直接或間接式S-CO2循環。對于間接S-CO2循環,中間換熱器是耦合反應堆一回路和S-CO2循環二回路的紐帶,應加強氣冷堆高溫氣體和S-CO2耦合傳熱研究,加強液態金屬堆中池式液態金屬和S-CO2耦合傳熱研究。有專家提出直接式S-CO2核能系統,限于S-CO2冷卻堆芯的能力,難度較大。


太陽能聚焦熱發電(CSP)S-CO2循環也分為直接和間接循環。在直接循環中,S-CO2在太陽能吸熱器(solarreceiver)中直接吸收太陽能,系統效率較高,但由于熱流密度的不均勻分布及熱應力問題,嚴重威脅吸熱器安全,應加強實驗和理論研究,為太陽能S-CO2循環設計和運行提供支撐。在間接S-CO2循環中,熔鹽可作為吸收太陽能的熱載體,應解決熔鹽腐蝕、泄漏、堵塞等技術難題。


對于化石能源S-CO2電站,S-CO2流經S-CO2鍋爐的各級受熱面(冷卻壁、再熱器和過熱器等),如何確保鍋爐安全運行是重中之重。首先,應對循環要求,CO2進入鍋爐的溫度比水蒸汽鍋爐高,例如520oC,導致鍋爐受熱面整體溫度的上升;其次,S-CO2傳熱系數一般在3-5kW/m2K,在200-300kW/m2熱負荷下,CO2與管內壁溫差可達40-100K。近年來,我國在科技部重點專項支持下,圍繞S-CO2鍋爐壁溫控制,提出了耦合鍋側和爐側綜合調控方法及爐型設計,在爐側降低并改善熱負荷分布,在鍋側采用內螺紋管,調整傳熱管傾角及管徑等,取得較好效果。


3.3印刷電路板換熱器(PCHE)


PCHE最初由英國Heatric公司提出,可理解為一種更加緊湊的板式換熱器。由于功率密度高和體積小而備受青睞。S-CO2循環具有非常大的系統內部回熱,回熱量可達凈輸出功的3-4倍,減小回熱器尺寸對于整個系統緊湊化和快的負荷響應速率非常重要。已證明PCHE在小規模S-CO2循環中有效。美國NET Power公司將PCHE集成到一個50MWth的天然氣示范電廠的設計中。Zigzag是PCHE通道的傳統結構。近期的進展包括發展新的通道結構,例如S型和翼型(aerofoil),減少PCHE阻力,提升PCHE綜合傳熱性能。亟待開展大容量機組(>100MW級)采用PCHE的可行性研究,包括設計加工方法和成本估算。目前認為PCHE有較好的傳熱性能,但成本昂貴,如何降低成本很重要。從運行角度,發展彎曲窄縫通道清除雜質的新方法也具有重要意義。


3.4S-CO2旋轉機械


S-CO2旋轉機械表現出新的特點:(i)高運行壓力和低壓比;(ii)大軸向推力,軸承、密封和轉子動力學問題嚴重;(iii)超高功率密度和超高轉速。徑流式和軸流式旋轉機械分別適用于小容量和大容量機組。現有大型旋轉機械主要基于理想氣體假設,但理想氣體假設用于S-CO2旋轉機械設計時,實際運行特性參數與設計值產生明顯偏離。S-CO2透平運行遠偏離臨界壓力,但S-CO2壓氣機運行可跨越臨界壓力,產生明顯的實際氣體效應。現有商業軟件數值模擬,難以捕捉實際氣體效應,導致參數偏移。應發展新的數值模擬方法,考慮實際氣體效應,提高S-CO2旋轉機械數值模擬的精度、收斂性及計算速度,徹底明晰S-CO2旋轉機械熱功轉換機理。


國際上(美國、韓國、中國等)已建立了小容量S-CO2實驗系統,目前可得出如下結論:(i)已建立的S-CO2實驗系統主要針對小容量機組并采用徑流式旋轉機械;(ii)小型實驗系統效率偏低,關鍵輸出參數低于設計值;(iii)二氧化碳嚴重泄漏,降低了系統性能;(iv)大型軸流式旋轉機械可能不會出現小型徑流式旋轉機械的類似問題。建議的研究方向如下:(i)發展充分反映實際氣體效應的數值模型及計算方法,提高設計精度;(ii)徹底解決軸承、密封、轉子動力穩定性等技術問題;(iii)提出S-CO2旋轉機械一體化解決方案;(iv)測試并提供S-CO2壓氣機和透平的可靠效率數據。


3.5S-CO2循環的變工況和瞬態運行


變工況運行是指由于換熱器邊界條件發生變化,引起換熱器一側或兩側的質量流量和溫度發生變化,改變整個循環的傳熱速率和溫壓參數,從而改變壓氣機和透平壓比,使發電量和循環效率偏離設計值。壓氣機和回熱器由于存在實際氣體效應,應引起重視。變工況運行甚至可使超臨界循環轉換為跨臨界循環。Floyd等表明當冷源溫度從21℃提高到40℃時,實際氣體效應引起壓比下降,導致發電量和效率下降。為了在冷源溫度升高時獲得恒定的功率和效率,壓氣機應具有一定的自由度。對于太陽能S-CO2循環,應考慮太陽輻射熱負荷和冷源溫度的變化。S-CO2循環瞬態分析和控制的目的是確保在各種擾動條件下,各部件能夠安全運行并維持超臨界壓力運行。總體上說,S-CO2循環的變工況及瞬態分析目前還處于起步階段,建議的研究方向為:(i)發展適合于不同熱源S-CO2循環的變工況及瞬態分析計算程序;(ii)建立S-CO2綜合示范系統,對關鍵部件及整個系統進行機理驗證。


4.結論


S-CO2循環具有大規模商業運行的潛力,S-CO2循環的研發面臨三個方面的問題:


(i)缺乏穩態和非穩態運行的系統層面的設計和分析方法;


(ii)S-CO2能量傳遞和轉換機理還未徹底明晰;


(iii)關鍵部件存在密封、泄漏和轉子動力學穩定性等難題。


解決這些問題的措施是:


(i)提出適合于不同熱源特點的S-CO2循環,以提高全局的系統效率;


(ii)發展高精度數值模擬方法,進行實驗驗證,提高關鍵部件設計精度;


(iii)針對關鍵部件技術瓶頸,提出一體化解決方案,并在實際運行系統中得到驗證。

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