部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统热力学性能分析.pdf
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1、第 52 卷 第 10 期 Vol.52 No.10 2023 年 10 月 THERMAL POWER GENERATION Oct.2023 收 稿 日 期:2022-12-14 网络首发日期:2023-03-13 基 金 项 目:河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目(CXZZBS2022149)Supported by:Education Department of Hebei Province Graduate Student Innovation Ability Training Funding Project(CXZZBS2022149)第一作者简介:韩中合(1964),男,
2、博士,教授,主要研究方向为新能源及新循环工质开发利用,。DOI:10.19666/j.rlfd.202212296 部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统 热力学性能分析 韩中合1,2,郭董阳1,2,陈东旭1,2,白亚平1,2(1.华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室,河北 保定 071003;2.华北电力大学动力工程系,河北 保定 071003)摘要再压缩二氧化碳布雷顿循环具有结构简单、循环效率高的优点。然而,再压缩循环应用于燃煤电站时面临锅炉压降大、冷却壁温高和余热利用难的问题。部分冷却二氧化碳循环凭借其本身的循环特点,在与燃煤锅炉集成时可有效缓解以上问题。利用 MATLAB 软件编写了
3、 600 MW 部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统的热力计算程序。首先研究了单一参 数变化时系统循环效率的变化情况。结果表明:主压缩机入口压力和温度在临界点附近约7.8 MPa/32 时循环效率达到最大值;预压缩机工作在临界点附近时系统效率突降;分流系数和再热压力分别在 0.35 和 17 MPa 时系统效率达到最高。随后,应用粒子群算法对部分冷却循环进行参数优化,结果表明部分冷却循环在合适的设计参数条件下,可以实现接近于再压缩循环的效率。相比于再压缩循环,部分冷却循环的质量流量下降了 17.46%,锅炉入口温度从 462.45 降低到 429.39。关键词超临界二氧化碳循环;燃煤锅炉;部分冷却
4、循环;粒子群算法;循环效率 引用本文格式韩中合,郭董阳,陈东旭,等.部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统热力学性能分析J.热力发电,2023,52(10):63-70.HAN Zhonghe,GUO Dongyang,CHEN Dongxu,et al.Thermodynamic performance analysis for coal-fired power generation system with partial cooling carbon dioxide cycleJ.Thermal Power Generation,2023,52(10):63-70.Thermodynamic p
5、erformance analysis for coal-fired power generation system with partial cooling carbon dioxide cycle HAN Zhonghe1,2,GUO Dongyang1,2,CHEN Dongxu1,2,BAI Yaping1,2(1.Hebei Key Laboratory of Low Carbon and High Efficiency Power Generation Technology,North China Electric Power University,Baoding 071003,C
6、hina;2.Department of Power Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:The recompression carbon dioxide Brayton cycle has the advantages of simple structure and high cycle efficiency.However,the recompression cycle faces the problems of large boiler pressure drop,
7、high cooling wall temperature and difficult waste heat utilization when applied to coal-fired power plants.The partial cooling carbon dioxide cycle can effectively alleviate the above problems when integrated with coal-fired boilers by virtue of its own circulation characteristics.A thermal calculat
8、ion program for a 600 MW coal-fired power generation system with partial cooling carbon dioxide cycle is written using MATLAB.Firstly,the effect of single parameter variation on the thermodynamic performance of the system is investigated.The results show that the system efficiency is highest when th
9、e main compressor inlet pressure and temperature are near the critical point;the system efficiency drops suddenly when the pre-compressor works near the critical point;the system efficiency is highest when the split ratio and reheat pressure are 0.35 and 17 MPa,respectively.The particle swarm optimi
10、zation is applied to the partial cooling cycle,and the results show that the partial cooling cycle can achieve the efficiency close to that of the recompression cycle under the suitable design parameters.Compared with the recompression cycle,the mass flow rate of the partial cooling cycle decreased
11、by 17.46%and the boiler inlet temperature decreased from 462.45 to 429.39.64 2023 年 http:/ Key words:supercritical carbon dioxide cycle;coal-fired boiler;partial cooling cycle;particle swarm optimization;cycle efficiency 目前,火力发电厂所应用的热力循环类型主要是蒸汽朗肯循环,但由于在提高温压参数的过程中面临金属材料的制约,传统蒸汽朗肯循环在提高发电效率时遇到了瓶颈1-3。超临
12、界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环因其本身特点,相较于水蒸气朗肯循环在循环的高效性、对金属材料的友好性以及循环系统的紧凑性等方面具有较大的优势4-7。因此 S-CO2循环发电技术吸引了国内外众多研究人员的关注。自 20 世纪五六十年代 S-CO2循环被提出以来,许多学者致力于系统循环布置的研究,提出了各种布置形式2,8-9。Dostal 等人10提到由于二氧化碳的物性变化是非线性的,这导致回热器出现夹点问题,影响了布雷顿循环的效率,采用分流再压缩循环可以有效避免夹点问题。梁墩煌等11利用 Python软件搭建了透平、压缩机和换热器等主要部件的数学模型,重点探究再压缩循环中循环最高压力、循环压比
13、及换热器压降等参数对系统循环效率的影响。Mecheri 等人12指出,在循环中增加再热或主压缩机中间冷却是提高二氧化碳布雷顿循环热效率的有效技术。与无再热配置相比,单次再热使得系统循环性能增强显著,而增加第二次再热所提供的 效 率 增 益 则 相 对 减 小。代 浩 等13则 使 用EBSILON 软件作为工具,对一次再热加分流再压缩的 100 MW 级 S-CO2燃煤发电系统进行仿真分析,并且采用遗传算法对全局进行优化以确定最高循环效率工况。吴闯等14对 S-CO2主压缩机间冷再热再压缩布雷顿循环燃煤发电系统进行仿真模拟发现,提高高压透平的进口压力、温度水平或者降低 主压缩机进口二氧化碳工质
14、的温度水平都会使循环热效率提高,低压侧压损和再热压损相比高压侧压损对循环效率的降低作用更明显。陈渝楠等15针对 600 MW 燃煤机组,探索比较了多级压缩、级间冷却以及二次再热应用于该系统时的表现,研究表明二次再热系统性能最优,多级压缩系统相较原始循环系统性能提升不明显。在目前的工程应用条件下,大多学者认为再压缩循环系统布置简单且效率高,因此更具优势12,16-17。但 Angelino18指出,部分冷却循环结合了再压缩、预压缩和预冷却过程的优点,可使透平排气压力独立于回热器冷侧压力。相比于再压缩循环,部分冷却循环具有质量流量更低,有利于减小锅炉压降;锅炉入口温度更低,有利于壁温冷却;吸热温度
15、区间更大,有利于尾部烟气利用的优势,因而存在较高的研究价值16,19-20。因此,本文利用 MATLAB 软件编写了二氧化碳部分冷却/再热循环方式与燃煤锅炉集成的热力计算程序,主要探究各个关键参数对系统循环效率的影响规律,在此基础上对关键参数进行优化,研究结果可为燃煤电站中部分冷却二氧化碳循环的应用提供一定的理论和依据。1 循环系统建模及验证 1.1 系统流程 图 1 为本文建立的 600 MW 部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统流程。图 1 600 MW 部分冷却二氧化碳燃煤发电系统流程 Fig.1 Flow chart of 600 MW coal-fired electricity gen
16、eration system with partial cooling carbon dioxide cycle第 10 期 韩中合 等 部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统热力学性能分析 65 http:/ 在锅炉中吸热后的高温高压状态的S-CO2工质首先进入高压透平内做功,之后温压参数有所下降的二氧化碳工质返回锅炉再热器中吸收热量。而后经过升温的二氧化碳再进入低压透平中二次做功。低压透平出口的工质温度仍处于较高水平,所以在循环中添加高温回热器和低温回热器来回收这一部分排气热量。而后低温回热器热侧出口的工质依次进入预冷器和预压缩机。预压缩机出口二氧化碳工质分成 2 股,其中一股经过主冷却器和主压
17、缩机压缩后达到设计压力,随后高压工质进入低温回热器;而另一股工质流则不预冷直接通过再压缩机压缩。这一部分二氧化碳工质在低温回热器冷侧出口与经低温回热器回热的流体混合,然后一起进入高温回热器中吸热升温。最后具有一定压力和温度的二氧化碳再进入锅炉,至此完成整个循环流程。1.2 数学模型 图 2 为部分冷却二氧化碳燃煤发电系统计算流程。图2 中,HTR、LTR和p 分别表示高、低温回热器(HTR、LTR)效能及各部件压降。根据图2,利用MATLAB 软件编写了循环热力计算程序。二氧化碳工质的热力学物性在REFPROP 物性库中进行查询。图 2 热力计算流程 Fig.2 Flow chart of t
18、hermal calculation 对于压缩机和透平这 2 个关键部件,采用假设其等熵效率的方法进行建模。对于压缩机,在已知工质入口压力和温度的情况下,根据压缩机等熵效率 c,s计算公式可计算出压缩机出口状态参数:out,c,sin,cc,sout,cin,chhhh (1)式中:hin,c为进入压缩机的二氧化碳焓,kJ/kg;hout,c为经压缩机升压后的二氧化碳焓,kJ/kg;hout,c,s为等熵条件下经压缩机升压后的二氧化碳焓,kJ/kg。压缩机耗功计算公式为:cm,cout,cin,cWqhh (2)式中:qm,c为压缩工质质量流量,kg/s。通过预压缩机的质量流量等于循环总流量
19、qm,定义 RSR为通过再压缩机的工质质量流量占总流量的比例系数,则主、再压缩机质量流量分别为(1RSR)qm、RSR qm。在已知透平入口工质温度和压力的条件下,根据透平等熵效率 t,s计算公式可计算出透平出口状态参数值:in,tout,tt,sin,tout,t,shhhh (3)式中:hin,t为进入高压和低压透平的二氧化碳焓,kJ/kg;hout,t为为高压及低压透平的排气焓,kJ/kg;hout,t,s为等熵条件下的高、低压透平排气焓,kJ/kg。透平做功量为:tm,tin,tout,tWqhh (4)式中:qm,t为透平工质质量流量,kg/s。回热器以基于焓差的效能来表征其性能。效
20、能即为实际换热量与理论最大换热量的比值(式(5))。当回热器一侧的出口气温等于另一侧进口气温时,该侧的换热量为理论最大换热量(式(6))。maxmax,hmax,cmin(,)QQQQQ (5)max,hm,hin,hin,hin,cmax,cm,cin,hout,cin,out,hcin,c,Qqh tph tpQqh tph tp (6)式中:下标 h 和 c 分别为回热器热侧和冷侧;Q、Qmax分别为实际换热量与理论换热量,kJ;Qmax,h、Qmax,c分别为热侧和冷侧理论最大换热量,kJ;qm,h、qm,c分别为热侧和冷侧工质质量流量,kg/s。回热器满足能量守恒表达式为:m,hin
21、,hout,hm,cout,cin,cqhhqhh (7)二氧化碳工质在锅炉内的吸热量为:bm,bout,bin,bQqhh (8)66 2023 年 http:/ 式中:Qb为工质在锅炉内的吸热量,kJ;hin,b、hout,b分别为锅炉进口和出口焓值,kJ/kg;qm,b为锅炉内工质质量流量,kg/s。因此本文部分冷却循环模型循环效率表达式为:(9)1.3 模型验证 为了验证所建立循环模型和计算程序的可靠性,从文献19中选用其部分冷却循环系统的优化计算参数作为本文程序的输入参数进行验证计算。本文计算得到的循环效率、流量、温度和功率等数据与文献的数据19对比见表 1。由表 1 可见,系统各关
22、键参数相近、精度较高,验证了本文编写的热力循环计算程序可信度较高。表 1 本文计算数据与参考文献19数据对比 Tab.1 The table of calculated data in this paper compared with the data in the reference 19 项目 文献19 数据 计算 结果 误差/%循环效率/%49.96 49.73 0.46 工质质量流量/(kg s1)5 765.9 5 905.38 2.41 锅炉入口工质温度/447.40 449.97 0.57 再热透平排气温度/504.20 502.21 0.39 高温回热器高压侧入口工质温度/20
23、5.80 202.10 1.79 主加热器功率/MW 1 267.80 1 281.48 1.07 再热器功率/MW 733.70 729.32 0.59 高温回热器功率/MW 1 934.20 1 960.96 1.38 低温回热器功率/MW 800.30 834.63 4.28 2 部分冷却循环关键设计参数对系统热力学性能的影响 整个循环系统中有较多参数会对循环效率产生影响,故选取主压缩机入口压力和温度、预压缩机入口压力和温度、分流系数和再热压力这几个关键设计参数,以探究不同参数发生改变时循环效率的变化规律和循环特性。本文部分冷却循环模拟过程中设计参数的取值见表 2。2.1 主压缩机入口压
24、力、温度的影响 图 3 为主压缩机入口温度 t1分别为 32、34、36 时,主压缩机入口压力 p1对循环效率的影响。因远离临界点的 CO2受温度和压力的影响较小,故选取主压缩机入口温度在 3236 已能表明主压缩机入口温度对循环效率的影响规律。此时系统的设计工况参数为:再热气温 620,再热透平入口压力 17 MPa,主气压力 30 MPa,预压缩机入口温度32,预压缩机入口压力 5.5 MPa,分流系数 0.35。表 2 相关设计工况参数 Tab.2 Relevant design parameters 项目 数值 项目 数值 主气温度/600 透平等熵效率/%9022 再热气温/620
25、压缩机等熵效率/%9023 再热透平入口压力/MPa 15.025.0 发电机效率/%9924 主压缩机入口温度/3236 发电功率/MW 600 主压缩机入口压力/MPa 7.69.0 高温回热器效能 0.9525 高压透平入口压力/MPa 30.0 低温回热器效能 0.9525 预压缩机入口压力/MPa 4.57.5 主加热器压损/MPa 2.0 预压缩机入口温度/3260 再热压损/MPa 1.0 压缩分流系数 0.20.521 其余部件压损/MPa 0.1 图 3 主压缩机入口压力、温度对循环效率的影响 Fig.3 Effect of main compressor inlet pre
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