中温烟气余热动力回收CO_2超临界回热循环优化

考虑烟气的放热特性、一般冷源条件、中高温工况对工质热稳定性的要求和工质的环境特性,提出以CO2超临界循环(CO2-SC)作为初温300—500℃的烟气余热动力回收基础循环;针对CO2-SC吸热过程工质初温低、有限循环压比下膨胀过程终温过高的问题,对CO2-SC引入回热过程得到了CO2回热超临界循环(CO2-RSC)。对CO2-SC和CO2-RSC开展了以单位质量烟气的循环净输出功(比净功)最大为目标函数,以膨胀过程初温、初压、终压和回热度(对CO2-RSC)为优化变量的优化对比研究,结果表明:回热过程的引入,有效改进了循环效率,使循环比净功明显提高;在指定的换热器传热窄点温差和系统部件效率值下,烟气初温分别为300,400,500℃时,CO2-RSC的比净功较CO2-SC高50.9%,52.7%,49.6%。回热还使得CO2-RSC工质吸热过程初温高于烟气的酸露点,避免了超临界加热器烟气侧低温腐蚀问题。

基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统

为了提高太阳能热发电系统的性能,建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临界CO2布雷顿(SCO2)循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统3个子系统的性能,并研究了太阳辐射强度和采用不同底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,最后对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热发电系统进行了对比。结果显示:吸热器的能量损失率最小,但损失率最大;随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率和效率均增大;采用有机朗肯循环和跨临CO2(TCO2)循环作为底循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;相同条件下,不同的SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太阳能电站热效率最高。

集成超临界CO_2循环的燃煤发电系统冷端优化

为了降低超临界燃煤电站抽汽侧较大的过热度及解决烟气与空气换热温差不匹配的问题,进一步提高机组效率,以某典型1 000 MW超临界燃煤电站为例,提出了耦合超临界CO_2循环的燃煤发电系统,利用过热蒸汽加热CO_2驱动超临界CO_2循环,使过热度显著降低,并将锅炉尾部烟道中空气预热器分为两级,两级间布置低温省煤器,加热高参数给水及凝结水,分析了集成系统的节能效果。结果表明:烟气温度降低至100.0℃时,集成系统较案例电站与常规余热系统的总出功分别提高了30.07 MW和25.51 MW,供电煤耗分别降低了7.9 g/(kW·h)和6.7 g/(kW·h),节能效果显著。

烟气余热驱动的CO_2超临界循环优化及分析

文章着眼于初温为600℃的烟气余热回收再利用,以热稳定性良好的CO_2为工质并结合烟气热源的特点,针对CO_2超临界循环(S-CO_2)放热平均温度过高的缺点,在不影响循环吸热量的条件下,提出了改进型过膨胀CO_2超临界循环(SO-CO_2)以及SO-CO_2和有机跨临界循环(OTC)的复合循环(SO-CO_2/OTC)。对2类循环以单位质量流量烟气的循环净输出功W_(net)和系统回收率η_(rec)最大为目标,分别进行了热力学参数优化,并与传统蒸汽朗肯循环相比较。结果表明:以苯为工质的SO-CO_2/OTC热力学性能最优(W_(net)=203.15 k W,η_(rec)=37.06%),SO-CO_2(W_(net)=152.07 k W,η_(rec)=28.01%)相比于S-CO_2(W_(net)=117.11 k W,η_(rec)=21.37%),热力学性能有了较大的提升,但仍不如传统蒸汽朗肯循环(W_(net)=169.21k W,η_(rec)=30.87%)。

基于超临界CO_2循环的地热与太阳能混合系统研究

超临界CO_2循环可以耦合较低温度的地热和较高温度的太阳能热组成混合热源发电系统。相比能量分析方法,分析方法更便于分析混合系统对提高能量利用率的作用,以及识别造成可用能损失的设备和过程。115℃地热和200℃地热分别与采用槽式聚光集热技术的太阳能热组成混合热源,构成简单回热超临界CO_2循环。分析结果表明:混合系统的效率比单纯太阳能热的循环系统提高了5%~10%;太阳能聚光集热器的损失最大,占80%以上,其次是除预冷器以外的各类换热器以及透平;相比之下,压缩机和预冷器的损失较小。减少损失的关键是提高太阳能聚光集热器和换热器的性能,包括提高集热管运行温度,以及提高换热器效能。

以液化天然气为冷源的超临界CO_2-跨临界CO_2冷电联供系统

为了提高超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)的低温余热回收效率,采用跨临界CO2循环(TCO2循环)作为底循环对再压缩式SCO2循环进行余热回收,并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝,建立了以LNG为冷源的再压缩式SCO2-TCO2冷电联供系统,以同时输出电量和制冷量。对系统进行火用分析比较,并研究了关键热力参数对系统净输出功率、制冷量、系统热效率和系统火用效率的影响。结果显示:使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环的冷凝温度,提高了低温回收热效率,系统的热效率(动力)在给定的条件下达到54.47%;提高LNG的入口温度,可以减小系统火用损;高温回热器换热效率增加,系统热效率和火用效率均增加;SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但火用效率增加;TCO2透平进口压力升高,系统热效率和火用效率均呈现先减小再升高后减小的变化趋势;随着冷凝温度升高,系统热效率降低,但火用效率先减小后增加。

多目标超临界CO2循环设计与优化

在分析再热、回热朗肯循环基本特性基础上,对压气机和回热器进行了理论分析,先后加入二次回热和分级压缩对循环进行优化。结果表明优化效果显著：优化后的循环在压气机出口压力为30MPa时,相对于再热–一次回热循环热效率和净输出功分别提高了17.69%、6.42%;较一次回热–再热–分级压缩循环热效率提高了22.28%,换热器中平均换热温差降低了70.78%,换热器中不可逆损失降低了69.82%,最高循环热效率达到了43.9%。最后选取压气机进、出口压力等5个参数作为决策变量,对循环热效率、循环净输出功、循环总不可逆损失进行多目标优化,并通过设定各目标贡献系数得到了相应最优循环参数。

超临界CO2分流循环及联合循环的热力学分析

针对一台设计工况下输出功为1MW的CO_2透平,在不同的超临界CO_2循环模式下进行计算分析,发现带回热循环的性能大大优于简单循环,效率相对于简单循环提高了一倍多。并发现引入分流在一定分流比范围内能够提高系统的循环热效率,而当分流比过小时反而会使系统循环性能恶化。为了更好地利用有机朗肯循环（organic Ranking cycle,ORC）吸收CO_2循环的余热,还对ORC的优化运行模式进行了研究,分析了过热度和热源出口温度的影响。最后,将CO_2循环和ORC进行耦合,分析了不同分流比下联合循环和单一循环的性能差异,发现联合循环能在单一循环的基础上提升效率至少2%,并且当ORC窄点在耦合换热器预热段之间时,联合循环对系统性能有更大的提升。

基于超临界CO2布雷顿循环的有机朗肯联合循环特性研究

使用ASPEN通用流程系统设计软件,在超临界CO2布雷顿循环(SCO2)和有机朗肯循环(ORC)的循环特性研究的基础上,进一步探究了SCO2-ORC联合循环的影响因素和影响结果。研究表明,联合循环中SCO2透平出口压力、ORC透平入口压力和压气机入口温度对循环系统的热效率均有着重要影响。对比不同工质可以发现,最大效率排序为R22>R32>R125>R134a>R115。此外,通过统计分析发现,在变ORC系统参数和变SCO2系统参数时,联合循环热效率与ORC功率占比分别表现出一次线性关系和二次抛物线关系。为进一步使用和推广SCO2-ORC太阳能光热发电技术提供了理论支持和设计基础。

带储冷的超临界CO2循环太阳能热发电系统

太阳能和风力发电需要配备大规模的储能装置以平抑功率波动,现有可用的储能设备成本偏高,还有待发展和创新。太阳能热发电系统在储能方面的灵活性好,可以储热也可以储冷,热量和冷量可分别用于热力循环的热端和冷端。鉴于超临界CO2循环效率随着冷端温度降低而显著升高,并且工质沸点温度足够低,可降温的空间很大,提出带储冷的超临界CO2循环太阳能热发电系统的概念,通过制冷来间接储存多余的新能源电力。对主参数分别为550℃/20 MPa和700℃/30 MPa的超临界CO2循环的热力学分析表明,上述系统的储能量可达太阳能热发电站发电量的10%,储能效率可达60%以上。初步的经济性分析表明,此系统用于弃风、弃光电力的回收,约3~5年可收回储能设备投资,具有较好的经济性。

燃气-超临界CO2联合循环发电系统

[目的]燃气轮机排气温度高,可增加底循环,利用排气的余热发电,从而提高燃料总的能量利用率。鉴于超临界CO2循环热效率高,并且具有系统简单、结构紧凑、运行灵活等潜在优势,可与燃气轮机组成新型的燃气-超临界CO2联合循环。[方法]为了充分利用燃气轮机排气余热,提出在简单回热超临界CO2循环的基础上,再嵌套一个简单回热循环的布置方式,并以PG9351(FA)型燃气轮机为例,对其热效率进行了计算分析。同时,在系统中增加余热利用装置,可将剩余热量用于供热、转换为冷量或发电。[结果]结果表明:对于选定的燃气轮机,超临界CO2循环最高温度可达约600℃,循环发电效率约32%,获得余热温度为170℃以上,余热热量占燃气轮机排气热量9%,联合循环发电效率约54%。[结论]燃气-超临界CO2联合循环发电系统具有较高的热效率,并且保留部分较高品位的余热,可进一步用于电厂运行。

集成小型堆和可再生能源的超临界CO2循环发电系统

[目的]小型模块化压水堆(小型堆)核电站由于温度参数低,其发电效率不到30%,为了提高小型堆的核能利用效率,可将小型堆与可再生能源组合,并以先进的超临界CO2循环作为热能转换为电能的装置。[方法]基于简单回热模式的超临界CO2循环,并在此基础上增加一次间冷和一次再热,将小型堆与太阳能、生物质能热源集成为新型混合发电系统,对其发电效率进行了分析。[结果]结果表明:对于高压透平入口温度390℃的系统,发电效率34.13%,对于高压透平入口温度550℃的系统,发电效率41.22%。此外,对系统的安全性分析表明:CO2本身是具备核安全属性的工质,并且超临界CO2循环还可以作为反应堆的非能动余热排出系统,确保在严重事故工况下,反应堆持续排出衰变热。[结论]集成小型堆和可再生能源的超临界CO2循环发电系统具备良好的发电效率和核安全性。

AMTEC与超临界CO2循环的混合太阳能热发电系统初探

为了进一步提高太阳能热发电效率,以太阳能热为高温热源,将碱金属热电转换器(AMTEC)与在空冷条件下仍有显著热效率优势的超临界CO2循环组成高效的混合太阳能热发电系统,AMTEC冷凝器释放的热量品位高,可以作为余热发电。结果显示,该系统的光电转换效率可达25%以上。

集成吸收式热泵的超临界CO2循环聚光太阳能热发电系统

通过研究超临界CO2工质的特性和循环的特点,提出集成第一类溴化锂吸收式热泵的简单回热循环系统。吸收式热泵驱动热源的温度远低于超临界CO2循环主加热器热源的温度,可采用较低成本的低聚光比集热器,从而降低聚光集热系统的造价。吸收式热泵的设备成本较高,但其作用十分明显,除冷端优化外,其良好的变工况变负荷性能有利于提高系统在部分负荷工况下的发电效率。集成吸收式热泵的超临界CO2循环聚光太阳能热发电系统从降低聚光集热系统造价和提高系统发电效率两方面进行设计,有利于提高系统整体的性价比。

带低温蓄热的高温太阳能S-CO_2与ORC联合循环

超临界CO2布雷顿循环（S-CO2）被认为是未来太阳能发电最具潜力的热循环形式,但较高的透平入口温度对蓄热提出了很高要求。该文提出了一种S-CO2循环与有机朗肯循环（ORC）结合的发电系统。白天利用S-CO2循环发电,并将排出的废热储存,夜间将储存的热量释放用于ORC部分发电,在实现系统昼夜连续发电的同时又避免了高温蓄热遇到的困难。仿真计算表明,在联合循环中硅油类工质循环性能较好,当ORC最高温度达到220-230℃时ORC发电量即可达到总发电量的50%,并且此时整体效率可保持在38%以上。研究结果表明,S-CO2与ORC联合循环有能力在保持较高系统整体效率的同时,即实现了昼夜连续发电又避免了高温蓄热。

超临界CO2循环驱动的空气压缩系统研究

工业用大型压缩机能耗高,节能降耗需求迫切。简单回热循环超临界CO2循环可用于驱动压缩机并可以大量集成压缩机余热。针对空气压缩过程,构建了超临界CO2循环驱动的空气压缩系统,空气压缩机分为4级压缩3次中间冷却方案和2级压缩1次中间冷却方案,对4种情况进行了热力学分析。结果表明:采用4级压缩空气压缩机,可回收的余热量小,对于降低热源能耗的作用有限;而采用2级压缩空气压缩机,可大量回收余热,对于降低能耗的作用显著,特别是提高2个压缩级的进气温度,可进一步提高余热回收量,降低热源能耗。超临界CO2循环驱动的空气压缩系统相比现有技术水平的汽轮机机组驱动系统,有望达到更低的热源能耗。

太阳能光热发电现状及超临界CO2光热发电技术应用前景

太阳能光热发电技术具有调度方式灵活、可显著减少弃光、易与其他可再生能源互补发电等优势,美国等国家对太阳能光热发电技术的研究和规模化应用较早,我国在太阳能光热发电方面研究、利用较晚,但近年来发展速度较快,并呈现出与美国等国家不同的特点。对近年来美国和中国光热发电技术的发展历程进行了概述,详细分析了适合光热发电技术的超临界CO2布雷顿循环发电系统的特点、优势,并对其应用前景进行了展望。

以S-CO_2为底循环工质的燃气联合循环系统优化

建立以超临界CO_2为底循环工质的联合循环系统,对比分析再压缩循环系统、部分加热循环系统、预压缩循环系统的性能参数,计算表明再压缩循环系统的效率最高。以再压缩循环为基础建立再压缩+简单循环和再压缩+部分加热循环模型,功率和效率比再压缩循环都有相应提高。对再压缩+部分加热循环进行性能参数优化,得到最佳运行工况点。

超临界二氧化碳中材料的腐蚀行为

以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的布雷顿循环相比于传统的水蒸气朗肯循环,具有更好的转换效率和经济优势。为了研究材料在SCO2系统中的耐腐蚀性能,自主设计搭建了SCO2循环腐蚀试验系统,对目前动力设备中常用的Cr-Mo-V合金钢、9%~12%Cr铁素体钢、奥氏体不锈钢和镍基高温合金等17种材料在600℃和700℃高温高压SCO2介质中的耐腐蚀性能进行了测试和分析。腐蚀称重、扫描电镜和能谱分析的结果表明:材料的抗二氧化碳腐蚀能力与合金Cr含量呈正相关性,Cr-Mo-V合金钢和9%~12%Cr铁素体钢的腐蚀增重随时间呈现抛物线规律,在钢的表面和内部裂纹处均发生了渗碳;奥氏体不锈钢在短期内能保持一定的抗腐蚀能力,但长时后腐蚀增重严重;镍基高温合金在700℃、20 MPa下3 000 h后仍表现出良好的耐腐蚀性能。

微管壳式换热器在能量转换循环中的应用

目前,超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环普遍采用印刷电路板换热器(PCHE)来保证其相对其他能量转换循环的紧凑性优势。PCHE芯体为整体结构,若内部出现泄漏或结垢等问题,很难进行维护与检修。本文提出了一种微管壳式换热器(MSTE),其结构与传统管壳式换热器类似,但其管径缩小至微通道级。由于MSTE的流道横截面积占总截面积之比较PCHE大,在典型的回热器与冷却器设计工况下,相对PCHE而言,采用MSTE可将体积与质量均减小30%以上。灵敏性分析结果显示,采用本文设计的MSTE结构的回热器与冷却器,回热器冷热流道入口温度升高20℃左右,压缩机入口温度变化均不超过1℃,说明该种结构换热器的换热能力足够支撑能量转换循环的一般工况波动。