Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统的热力学分析

李博,王顺森,宋立明

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)

近年来,CO2过量排放导致的全球变暖现象日益明显,由此引发的生态问题和环保问题给人类的可持续发展带来严峻挑战[1]。采用化石燃料燃烧发电所导致的碳排放是CO2的重要来源之一。为了实现我国碳达峰和碳中和的规划目标,低碳发电技术将是未来先进发电技术的发展方向和热门领域。富氧燃烧是一种非常具有前景的清洁发电技术[2],其基本原理是用高浓度氧气代替空气作为燃烧反应的氧化剂,既去除了氮气的存在,减少有害气体排放,同时使得燃烧产物中CO2的富集程度大大提升,从而降低碳捕集的功耗。经过几十年的相关研究,科研工作者基于富氧燃烧的原理提出了许多不同形式的发电系统。国际能源署温室气体课题组对几种典型的富氧燃烧系统进行了热力学分析和对比,其结果表明,相比于其他循环结构,Allam循环的热效率和经济性具有明显优势[3]。Allam循环是由NET Power公司的工程师Allam首先提出的,根据理论计算结果,Allam循环可以在完全碳捕集的情况下实现较高的热效率[4]。目前,50 MW级别的Allam循环示范电站已在美国得克萨斯州完成建设并实际运行[5]。

由于Allam循环良好的热力学性能和环保特性,相关领域的研究如火如荼。Scaccabarozzi等人对以天然气为燃料的Allam循环进行了热力学分析和数值优化,揭示了透平进出口参数和回热效率对系统性能的影响[6]。Zhao等对一种Allam循环与煤气化过程相结合的系统进行了参数分析,指出当透平入口温度为1 200 ℃时,系统效率可达38.87%[7];随后他们将空分装置压缩过程余热、合成气余热和氧气压缩机余热等引入Allam循环回热器中,解决了由于CO2物性剧烈变化导致的夹点问题,并成功地将系统效率提高到43.7%[8]。Zhu等通过提高透平排气压力使得CO2可以被冷凝为液态,进而用泵替代压缩机实现压缩过程,降低了系统的复杂度,改善了系统的调峰性能[9]。Mitchell等利用液氧储存,大大改善了Allam循环的运行灵活性,并提高了系统的峰值功率[10]。Fernandes等利用动态矩阵法对Allam循环进行控制,有效地提高了CO2纯度和系统输出功率[11]。Chan等对再热Allam循环进行了热力学分析和优化,发现相比于经典Allam循环,再热循环的效率减小了5个百分点,但系统的比功是原来的2.2倍[12]。章建徽等对Allam循环性能及其燃烧特性的相关研究进行了总结,指出了我国发展Allam循环的主要问题和有效路径[13]。

经典Allam循环采用天然气作为燃料,而液化天然气(LNG)是存储、运输和供给天然气的重要形式。因为LNG的温度很低,其低温能量回收利用问题一直是研究热点[14]。一种常见的利用LNG的方式是将LNG直接作为动力循环冷源,从而增大冷热源温差,提高循环效率[15]。Ahmadi等对一种以太阳能为热源且以LNG为冷源的跨临界CO2系统进行了热经济性分析,指出冷源温度对系统性能影响很大[16]。Cha等提出了一种以液化天然气站为冷源的CO2循环余热回收系统,其计算结果表明,LNG的利用使得系统效率提高了9.2%[17]。除了直接将LNG作为动力循环的冷源之外,还可以采用串级系统,通过底循环的方式间接利用LNG的冷量。吴毅等人提出了一种超临界CO2-跨临界CO2循环联产系统,其中跨临界循环以超临界循环余热为热源,以LNG为冷源,系统设计效率可达54.47%[18]。类似地,Cao等提出用超临界CO2-跨临界CO2循环串级系统回收燃气轮机烟气热量,其中跨临界CO2循环作为超临界CO2循环的底循环,以充分利用LNG的冷能[19]。Sadreddini等提出一种由有机朗肯循环-跨临界CO2循环组成的发电系统,指出单级动力循环难以有效回收LNG的冷能,而底循环的使用可以大大减小冷凝器中的换热温差,提高系统效率[20]。

由以上可知,采用串级系统以LNG为冷能是一种常见且有效的方式。文献[6,8,10]都指出,对于Allam循环而言,CO2物性变化导致的回热器夹点问题是影响其系统效率的关键问题。串级系统的使用,可以在实现LNG冷能充分利用的同时,又不会导致回热过程的恶化。而跨临界CO2循环由于其优异的热力学性能和结构紧凑性而被选作底循环。本文提出一种基于液化天然气站的Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统,以实现能量的高效转化和清洁利用。本文对系统中所涉及的主要设备进行了建模,并分析了主要热力学参数对系统性能的影响。本系统不仅可以实现碳捕集,而且能够满足不同的负荷条件,具有良好的工程前景。

1 系统描述

1.1 循环流程

本文所提出的Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统的结构如图1所示。其中Allam循环为顶循环,跨临界CO2循环为底循环,二者通过底循环加热器耦合。天然气燃料(LNG6)与氧化剂物流14在燃烧室中进行燃烧反应,一股CO2循环物流13作为燃烧室冷却剂。反应产物进入透平膨胀做功,因为燃烧室反应产物1的温度远高于叶片材料的耐受温度,所以需要另一股CO2循环物流12作为冷却剂给透平降温。透平排气进入回热器预热循环物流,同时空分装置中的压缩空气也进入回热器放热。燃烧产物中的水蒸气在冷凝器中冷凝为液体并排除,得到高纯度的CO2。之后,部分CO2被捕集并储存,部分CO2被压缩到更高压力,充当循环物流。循环物流5首先被压缩到超临界状态,本文中压缩机1出口压力固定为8 MPa。超临界工质对底循环放热,同时使自身冷却。经泵1初步压缩后,CO2循环物流再次被分为两部分,一部分与氧气混合作为燃烧反应的氧化剂,另一部分作为燃烧室和透平的冷却剂。氧化剂和冷却剂被进一步压缩,进入到回热器中加热,完成顶层的Allam循环。

图1 Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统流程图Fig.1 A flowchart of the proposed combined cooling and power system

在底层的跨临界CO2循环中,CO2被液化天然气冷凝,而后经过泵压缩,进入底循环加热器吸收Allam循环余热,转化为高温高压状态。之后CO2在透平2中膨胀,乏汽进入冷凝器中被LNG冷凝。有两股液化天然气进入冷凝器中,其中一股天然气(LNG1～3)进入管道输送给用户,另一股(LNG4～6)作为燃料进入Allam循环燃烧室燃烧。本文中,燃烧室燃料的流量为1 kg/s,输送给用户的天然气流量为30 kg/s。

1.2 设备模型

Allam循环中透平进口温度一般高于1 000 ℃,远远超过叶片材料的耐受温度(本文中取叶片材料耐受温度为860 ℃)。为保证透平的正常运行,需要引入低温工质对透平叶片进行冷却。因此,本文建立了透平冷却模型来模拟Allam循环中透平的运行情况。在透平冷却模型中,膨胀过程被分为N+1个子过程,在前N个子过程中,透平先进行膨胀再与冷却物流混合,且假设其压比相同,最后一个子过程仅进行膨胀。具体计算公式见文献[6]。显然,需要对前N级膨胀过程的压比进行迭代来满足第N+1级膨胀过程进口温度为860 ℃。

Allam循环中的回热器是多股流换热器,同时有多种流体进行换热过程。为了准确地描述其复杂的换热过程,采用分段法确定换热过程的夹点和换热器效率[21]。冷热流体按流动方向可分为许多小区间,在每个区间内流体物性设为定值,而且冷热流体温差不得小于所允许的最小换热温差。在本文中,回热器的最小换热温差设为5 ℃。此外,考虑到回热器高温区间的换热性能和材料特性,回热器上端差设为20 ℃[6]。

燃烧室运行参数可由物料平衡和能量平衡导出。其中燃烧室出口温度,即透平进口温度,通过控制冷却物流13的流量来进行调节。

空分装置(ASU)在本文中采用黑箱模型,不考虑内部的具体结构。空气分离装置采用绝热压缩,可以提供压力为12 MPa的氧气,功耗为1 391 kJ/kg[6]。

跨临界CO2循环的透平性能可以用透平膨胀的等熵效率表征

(1)

同理,压缩机和泵的性能可用压缩效率表示为

(2)

式中:ηtur为透平等熵效率;hin、hout分别为进、出口焓;hout,s为等熵出口焓;ηcom、ηp分别为压缩机、泵的等熵效率。

顶循环(Allam循环)的输出功率为

Wnet,Allam=Wtur1-Wcom1-Wcom2-Wp1-

Wp2-WASU-Wp5

(3)

式中:Wnet,Allam为Allam循环的净输出功率;Wtur1为透平1输出功率;Wcom1、Wcom2为压缩机1和压缩机2消耗的功率;Wp1、Wp2、Wp5为泵1、泵2和泵5消耗的功率;WASU为空气分离装置消耗的功率。

底循环(跨临界CO2循环)的输出功率为

Wnet,tCO2=Wtur2-Wp3-Wp4

(4)

冷电联产系统的输出功率为

Wnet=Wnet,Allam+Wnet,tCO2

(5)

冷电联产系统的制冷量为

Qc=m001(h001-h002)

(6)

式中:m001、h001、h002分别是向用户供冷的循环水流量、回水焓和供水焓。

1.3 模型验证

为确保文中所建立模型的准确性,需要将仿真结果与已有文献中的数据进行对比。因为目前尚鲜见关于Allam循环-跨临界CO2循环联合循环的实验研究或仿真模拟,所以,本文分别对Allam循环和跨临界CO2循环进行模型验证,对比结果分别列于表1和表2。可以看出,系统主要指标的相对误差均在可接受范围内,从而证明了模型的准确性。

表1 Allam循环模型验证结果Table 1 Validation of Allam cycle model

表2 跨临界CO2循环模型验证结果Table 2 Validation of transcritical CO2 cycle model

2 结果与讨论

首先给出了联合循环在设计工况下的性能,通过分析本文所提出的冷电联产系统在设计工况下的运行情况,从不同角度揭示其性能优势。然后,探究了典型热力学参数对联合循环性能的影响,为实际工程设计提供参考。联合循环设计参数如表3所示,各设备压力损失系数如表4所示。

表3 联合循环设计参数表[6,23-24]Table 3 Design parameters of the cogeneration system

表4 联合循环压力损失表[12]Table 4 Pressure loss of the cogeneration system[12] %

2.1 设计性能分析

本文所提出的Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统在设计工况下的性能如表5所示。

表5 冷电联产系统设计性能Table 5 Design performance of the cogeneration system MW

从基本原理上讲,跨临界CO2循环以Allam循环压缩过程余热为热源,以液化天然气为冷源,起到了回收余热和冷能的作用,显然会使得系统的净输出功率增加。计算结果表明,顶循环的净输出功率为23.48 MW,底循环的净输出功率为2.24 MW,联合循环的净输出功率为25.72 MW。采用跨临界CO2循环作为底循环的布置使得系统净输出功率提高了9.54%,而且可以对外供应5.15 MW的制冷量。同时,由于Allam循环的循环物流被底循环冷却,因此所需冷却水的量也有所减少。

2.2 参数分析

顶循环透平进口温度对联合循环功率的影响见图2。当顶循环透平进口温度增高时,顶循环的净输出功率先增大后减小,而底循环的净输出功率略微增大。随着透平进口温度的增高,单位工质在透平中膨胀的比功会增大。同时,燃烧室出口温度增高,则所需的冷却物流13的流量减小,导致透平进口流量减小。透平进口温度增高还会导致透平冷却物流12的流量增大,透平中由于不等温混合过程导致的可用能损失增大。因此,随着透平进口温度的升高,透平输出功率先增大后减小。从整体上看,透平冷却物流12流量的增大与燃烧室冷却物流13流量的减小相比而言,其变化更为剧烈,因此,联合循环物流的流量略微增大,顶循环压缩过程的功耗也是有所增大的。综合以上变化趋势,顶循环净输出功率先增大后减小。

图2 系统性能随顶循环透平进口温度的变化Fig.2 Variation of the system performance with inlet temperature of the top-cycle turbine

如前所述,循环物流6的流量有所增大,而其温度和压力并没有变化,因此,顶循环向底循环释放的余热会增大,底循环的输出功率也会增大。与此同时,底循环冷凝过程需要的冷量也有所上升,而液化天然气所提供的总冷量不变,因此冷电联产系统的制冷量随顶循环透平入口温度的增高而减小。综合顶底循环输出功率的变化趋势,当顶循环透平入口温度增高时,联产系统总输出功率先增大后减小,大约在1 130 ℃时取到极值。

图3给出了顶循环透平出口压力对顶循环和底循环输出功率的影响。如图所示,当顶循环透平出口压力从3 MPa增大到5 MPa时,顶循环的净输出功率呈现先增大后减小的变化趋势,而跨临界CO2底循环的输出功率持续减小。随着顶循环透平出口压力的增高,单位工质在透平中的膨胀做功减小,但透平出口气流温度增高,进而使得回热器冷侧的循环物流出口温度也增高。因此,燃烧室冷却物流的温度和流量增大,进入透平做功的总流量增大。对于Allam循环的压缩过程而言,尽管循环物流流量增大,但由于压比的降低,总的压缩功率随透平出口压力的增高而减小。整体而言,顶循环的净输出功率随透平出口压力的增高先增大后减小。

图3 顶循环和底循环性能随顶循环透平出口压力的变化Fig.3 Variation of output power of top-cycle and bottom-cycle with the outlet pressure of the top-cycle

图4给出了联合循环总输出功率和制冷量随顶循环透平出口压力的变化趋势。由于压缩机1出口压力固定,因此当顶循环透平出口压力增加时,压缩机1的压比减小,其出口温度降低,余热的总量和品位都有所下降,底循环透平膨胀功大大减小,最终底循环的净输出功率随顶循环透平出口压力的增高而减小。顶循环余热的减少使得底循环冷凝过程消耗的冷量减小,因此联产系统制冷量增大。综合顶、底循环输出功率的变化,联合循环总输出功率先增大后减小,当顶循环透平出口压力在3.5 MPa左右时取得最大值。

图4 联产系统性能随顶循环透平出口压力的变化Fig.4 Variation of the cogeneration system performance with the outlet pressure of the top-cycle turbine

图5给出了底循环透平出口压力对联合循环系统性能的影响。可以看出,跨临界CO2循环净输出功率随底循环透平出口压力的增高而减小。显然,透平出口压力越高,底循环压比越小,透平输出功率也会减小。尽管泵的功率略有减小,但变化幅度相对较小,所以底循环净功率仍然减小。由于底循环吸热量不变,输出功率减小,根据能量守恒定律,其冷凝过程所需热量增大,所以联产系统输出的制冷量也同步减小。可以得出结论,底循环透平出口压力的增高会使联合循环性能明显恶化。这主要是因为当底循环透平出口压力过高时,冷凝器冷凝过程的平均换热温差会明显增大,可用能损失也明显增大。此外,顶循环的输出功率显然不受底循环的影响,联合循环的总输出功率的变化趋势和底循环是一致的。这两个指标的变化趋势未绘于图中,此处不予讨论。

图5 底循环透平出口压力对系统性能的影响Fig.5 Influence of outlet pressure of the bottom-cycle turbine on the system performance

图6为输送给用户的液化天然气流量对系统性能的影响。如图所示,在液化天然气流量大约为27 kg/s时,底循环输出功率和制冷量的变化曲线发生明显转折。这是因为当天然气流量高于此临界值时,底循环可以完全吸收Allam循环余热,底循环的工质流量和输出功率受制于顶循环余热的数量。这种情况下,过多的液化天然气冷能只能全部作为制冷量输出,底循环的净功率不会增大,反而因为天然气压缩泵功的增大而略微减小。当液化天然气流量小于临界值时,底循环不能充分利用余热,需要在顶循环增加冷却器,用冷却水进一步将压缩机出口物流冷却到预设温度。底循环的工质流量和输出功率受制于液化天然气的流量。因此,当天然气流量较小时,底循环输出功率随天然气流量的增大而迅速增大。同时,由于液化天然气的大部分冷量都用于冷凝CO2,因此此时制冷量的增加速度较为平缓。

图6 天然气流量对系统性能的影响Fig.6 Influence of the mass flow rate of LNG on the system performance

本文所提出的冷电联合循环遵循模块化设计思想,顶循环和底循环容量可以根据实际的工程要求来选取。当向用户输送的天然气较少时,可以启用备用的冷却器保持顶循环运行状态不变;当向用户输送的天然气较多时,可以进一步利用回热器余热作为底循环热源,以充分利用天然气冷能。综上所述,本文所提出的冷电联产系统可以满足各种实际的设计条件,具有良好的工程前景。

3 结 论

本文提出了一种基于液化天然气站的Allam循环-跨临界CO2循环冷电联产系统,对主要设备建立了详细的数学模型。通过仿真计算,分析了联合循环在设计点的性能,并进一步对系统进行了参数分析,讨论了主要热力学参数对系统性能的影响,主要结论如下。

(1)跨临界CO2循环利用了顶层Allam循环的余热和液化天然气的冷能,在设计工况下,联合循环的净输出功率比单独的Allam循环增大了9.54%,而且还可以输出制冷量5.15 MW。

(2)当顶循环透平入口温度或顶循环透平出口压力增高时,联合循环总输出功率先增大后降小。联产系统的制冷量随顶循环透平入口温度的升高而减小,随顶循环透平出口压力的增高而增大。

(3)底循环透平出口压力增高时,底循环冷凝过程换热不可逆性大大增加,底循环输出功率和联产系统制冷量都有明显减小。

(4)本文所提出的联合循环中顶循环和底循环具有模块化设计的特点,可以根据实际工程的需求调节顶循环和底循环的容量和参数,同时可以实现碳捕集,具有良好的工程前景。