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再生能源

燃气轮机助力超临界二氧化碳布雷顿循环光热发电技术发展

2015-02-09 19:16:19来源:互联网浏览: 评论:0
  初听起来,燃气轮机,太阳能发电,超临界CO2这些是风马牛不相及的事。其实不然,科学的进步已将它们紧密的联系了起来。   太阳能发电有二种:光伏发电和太阳热发电。前者是利用太阳光照射半导体材料,通过光电效应产生出电流。其技术成熟,使用方便,现在用的多。但光伏发电难大规模储能,而且炼硅能耗很大。太阳热发电是利用太阳能的辐射能,通过集热器和聚热接收器,将工质加热,再通过热机发电。太阳热发电有抛物线槽式,线性Fresnel反射镜式、塔式、碟式。由于这种发电需要高温高压,太阳光的聚焦必须有很大的聚光倍数。根据发电规模大小,把成百上千或更多面反射镜,在地面合理布置安装,将反射的太阳光能集中到尺寸不大的聚热接收器窗口。反射镜的反光效率要高,而且要能自动跟踪每时每刻太阳的位置,一般用计算机控制。聚热接收器有空腔式,管式等。以上这几种太阳热发电形式,现在国内国外都已有试验的,示范的,生产使用的。但成本高,电价高,还要靠政府补贴,这仍是大规模推广的障碍。如美国现在太阳热发电厂基建投资为,每千瓦4000~8500美元(上限是包括了储热、下限是无储热的槽式,直接蒸汽发电的塔式或碟式)。在美国西南部,现太阳热发电平均发电成本为12~18美分/度,有30%的投资税收抵免(ITC)。   利用太阳能的革命性计划   太阳热发电包括五个系统,即太阳场系统、传热流体系统、储热系统、冷却系统和动力机械系统。要降低成本和电价,就要提高动力机械的循环效率;提高传热流体的温度;把储热系统工质和传热流体一体化等。其中最关键的是需要提高热机的循环效率。2011年美国能源部制定了一项计划,称之为“利用太阳能发电的创新纲领”(sunShot Initiative)。目标是到2020年太阳热发电电价降到6美分/度;热机采用干冷却不用水,循环效率大于50%。在2020年实现降低75%成本的目标,使太阳能发电于2030年占全美电力的14%,2050年占27%。   这是一个革命的、步子很大的关于太阳能技术进步的计划。具体方案是热机采用“超临界CO2(二氧化碳)布雷顿循环(Brayton)”。超临界CO2是气态和液态并存的流体,密度接近于液体,粘度接近于气体,扩散系数约为液体的100倍。超临界CO2的特点是临界条件容易达到,化学性质不活泼,无色无味无毒,安全,价格便宜,纯度高,易获得。超临界CO2布雷顿循环仅需外界提供500~800摄氏度的温度,这是太阳热集热器和聚热接收器,应用现有技术即可很容易达到的的温度。燃气轮机用的也正是布雷顿循环,这就使燃气轮机也可以成为太阳热发电的有力推动者。超临界CO2布雷顿循环与常规燃气轮机的区别主要是:能源用太阳热不用油气燃料;循环工质不是空气是超临界CO2;循环是闭式循环不是开式循环。   现有的太阳热发电,用油、盐或蒸汽做传热流体,经它将太阳热接收器得到的热传给机组,但流体的性质限制了机组性能。如合成油温度上限为400摄氏度,硝酸盐590摄氏度。众所周知较高的运行温度一般意味着较高的循环热效率和能更有效的储热。超临界CO2作为循环工质和传热流体,用于太阳热发电,可做到运行温度高于蒸汽,在温度较低条件下效率又比氦气的布雷顿循环高。由于超临界CO2密度高,循环简单,所以机组重量轻,尺寸小(仅为汽轮机的1/10);安装维护运行费用都低;可用于冷却,效率可大于50%;高功率密度和功率范围大(10MW 到数百MW )可做主力电站。超临界CO2机组目前已接近商业化,10MW的示范机则已在做。 现在用于太阳热发电的循环,主要是亚临界朗肯循环和斯特林循环,效率在35%~45%。超临界CO2布雷顿循环的性能改进,可以明显高于商业化的蒸汽循环,很可能做为新一代的换代产品,可以用于廉价太阳能热发电。美国可再生能源实验室(NREL)分析比较了多种循环的有关数据,如效率、起动、成本、和可靠性等,认为超临界CO2布雷顿循环很有前途。他们采用的工作办法是,从简单超临界CO2布雷顿循环入手,一步步挖掘潜力,提高系统性能,增加采用能够大幅提高效率的技术措施。措施主要包括:(1)增加透平进口温度:从500摄氏度提高到700摄氏度或更高。(2)压缩过程由两步完成。即有主压缩机,还有“再压”压缩机。(3)使用压缩机中间冷却。(4)透平也分两级,并对排出的工质再热。(5)压缩机和透平为分轴式,使其各在优化的转速运行。(6)增加底循环,如朗肯循环或串联的超临界CO2循环。   选择方案很重要   分析诸方案中,“带中间冷却(部分冷却)的再压缩和再热”的方案效果较好,其方案见下图:图:美国桑迪亚国家实验室的廉价发电方案   涡轮排出工质(6)经预冷却器冷却后进入预压缩机(7),流体在预压缩机出口(8)分为二股,一股进入再压缩机, 另一股经中间冷却器进入主压缩机(9)。经预压缩机后的,再压缩机的进口压力是中间压力,即再压缩机运行于涡轮压比的部分压力,研究发现此循环在高温时效率最高,而且对压比的变化不敏感。此循环也适合大的涡轮压比,和可为再热式运行提供较好性能。用于太阳能热发电,中间冷却的另一个重大好处是其较大的温差适合于主加热器,大温差对太阳能热发电系统的显热热储存更经济,因为温差大就可少用储热介质。   参数选择和一些部件的作用如下:   高温回热器与低温回热器:用低压涡轮的热排气,给主压缩机后的高压超临界CO2流体加热和再压缩机后的超临界CO2流体加热   再压缩机:增加再压缩循环的目的是为了减少发生在回热器内的夹点(pinch point)效应,这是由于高低压流体间流体容量率(capacitance rate)不同产生的。再压缩循环用减少质量流率办法减少流体容量率的差别,分流一股流体进入再压缩机,将其温度和压力增加到与低温回热器的出口压力,二股相合在高温回热器得到加热。   中间冷却器:这是气体循环普遍使用的方法,可以减少压缩需用的功。对超临界CO2布雷顿循环的另一好处是可以消除主压缩机入口压力与低压涡轮出口压力的相互影响。   再热:在膨胀过程增加“再热”,是提高动力循环普遍使用的方法,可以提高热效率1~2个百分点,这足够补偿为此增加的费用。研究结果还表明增加“再热”对部分冷却和带中间冷却的主压缩也有较大好处。   选择涡轮入口温度:研究证明增加涡轮入口温度可以提高超临界CO2布雷顿循环的效率。希望太阳热接收器能提供尽可能高的温度,这实际是太阳光聚光器光学和太阳热接收器和涡轮入口管线材料选择的问题。本方案设涡轮入口温度为700摄氏度,这与高镍合金耐温程度一致,与太阳热发电的聚光器光学性能和太阳热接收器的性能一致。   选择压缩机入口超临界CO2流体温度:太阳热发电厂一般都在干旱地方,当地水资源有限,驱使电厂使用干冷却而不用蒸发冷却。但干冷却有三个主要缺点。第一,干冷却的温度是基于干球温度而非湿球温度,在干旱地区,年平均干湿温差常高达10K(绝对温度)。第二,干冷却需要的换热器比湿冷却需要的换热器大的多,因为其传热率较低;而尺寸大会带来成本高和热损失大。第三,空气的低传热率与低热容,需要空气和工质之间保持高温差。据计算,压缩机入口超临界CO2流体温度在45~65摄氏度之间时,超临界CO2循环的效率都大于49%。在外界干球温度为40摄氏度,设压缩机入口超临界CO2流体温度为50摄氏度时,本方案循环效率约51%~52%,可比蒸汽循环高4~5个百分点。要注意,有回热的布雷顿循环对换热器的效率和压损很敏感。换热器的选择对循环效率及机组成本有重大影响,因为从换热器获得的热比外界加的热量还大。大换热器 传热面积大,新型的印刷回路换热器工艺可能有用。   设计中需要全面权衡循环效率与机组复杂程度及成本,做出优化选择。因为高流体密度的超临界CO2涡轮机很紧凑,虽然增加了压缩机、再热器等,但比多级轴流燃气涡轮或蒸汽轮机还是简单,而且它可以减少太阳能集光器数量和缩小储热系统尺寸。现在工业用超临界CO2布雷顿循环机组已处于或接近商业化应用。   技术探索与试验已经开始   超临界CO2布雷顿循环机组已有些单位在研究。有为出口温度低的反应堆做能量转换用于核工业的;现在又在大力研究用于太阳热发电的。对其中的技术难点,已做过不少试验,取得了些经验。如美国桑迪亚国家实验室在2007~2009年做了大量试验。实验项目有:   在机组高转速下,测量超临界CO2流体的进口压力、出口压力、温度、流量、耗功等等,积累了大量数据;游隙(windage losses)损失试验:因为轴的转数很高,流体密度很大(近似水的密度)所以轴和流体间有很大的摩擦力。在超临界CO2布雷顿循环中的高压和高密度能产生很大的推力,还可能有穿过密封的流体渗漏,这些必须给予解决;密封损失试验:曾做了四道封严的迷宫式封严试验和干提升密封(dry- liftoff seal)的封严试验,以减少渗漏;转子轴动力学试验:观察不同支点布置,使用不同轴承情况下,转子振动波形等;轴承试验:做过球轴承试验;也做过气体箔轴承(gas-foil bearing)试验,在75000RPM,用波箔轴承(bump foil bearing),用inconel 垫支承;推力轴承研究:因为超临界CO2布雷顿循环,流体压力高,轴承前后压差大,需很好解决此问题。   我国航空工业,机械工业都有布雷顿循环燃气轮机的研发和制造能力,尤其航空工业能生产各种功率等级,大量的布雷顿循环航空发动机产品。如能充分利用航空技术基础和设备条件,早日开展超临界CO2布雷顿循环的机组研发生产,则既可装备使用清洁能源的基本负荷电厂,也可装备中小电厂就地供电。在太阳能充分,当地无水的地区,更可发挥优势。由于太阳热发电系统能建成可储能,可以将不稳定的电变成为可调度的电,使电网能容纳更多不稳定的电源(如可再生能源的风电等)。从而为实现国家节能减排,应对气候变暖做出重大贡献,又为航空工业企业开发了巨大的市场。
 

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