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。     

塔式太阳能-超临界CO2发电系统集成与优化

  [目的]  传统塔式太阳能热发电效率较低,采用超临界CO₂（sCO₂）布雷顿循环集成太阳能发电可有效提高系统效率。  [方法]  采用联立方程法建立塔式太阳能集热发电（CSP）和sCO₂布雷顿循环集成系统的非线性规划数学模型以辅助系统分析与优化。模型包含太阳能集热子系统、sCO₂布雷顿循环以及高精度CO₂状态方程的约束,无需调用外部CO₂物性数据,可实现对集成系统任意数量的设计变量的同步优化。将模型应用于塔式CSP与sCO₂简单回热布雷顿循环和再压缩布雷顿循环系统的案例研究,优化系统并分析设计变量对系统效率的影响。  [结果]  研究结果表明:集成再压缩循环系统最大热效率达29.4%,高于简单循环系统的24.9%。再压缩循环的最优透平入口温度为901 K、最优膨胀比约为3;简单循环的最优透平入口温度为826 K、最优膨胀比皆大于3.2。  [结论]  系统存在最优的透平入口温度,提高透平入口温度可提高系统效率,但过高的温度会导致系统效率下降;系统存在最优膨胀比,膨胀比对集成再压缩循环系统的热效率影响较小,但对集成简单循环系统效率的影响较大。     

超临界工质布雷顿循环热力学分析

  [目的]  N₂O、C₂H₆、SF₆用于制冷剂或朗肯循环的工质,这些工质的临界点和物性特征使其具有作为超临界布雷顿循环工质的潜力。  [方法]  采用自行开发的MATLAB程序并调用美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的REFPROP物性数据库,对超临界N₂O(S-N₂O)、超临界C₂H₆(S-C₂H₆)、超临界SF₆(S-SF₆)布雷顿循环进行热力学分析,并与超临界CO₂(S-CO₂)布雷顿循环进行对比。选择再压缩循环方式,分别计算得到了透平入口温度为300～550 ℃、压力为15～25 MPa,预冷器出口温度为32 ℃和47 ℃的各种工况。  [结果]  热效率计算表明:S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆再压缩循环均表现较高的热效率,且比相对应的S-CO₂再压缩循环的热效率高,再压缩循环热效率总是随着透平入口温度的提高而提高,但提高压力不一定总是提高循环热效率,提高预冷器出口温度导致循环热效率显著下降。流量计算表明,S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆、S-CO₂循环的总质量流量和透平入口体积流量均远高于同等参数条件的蒸汽朗肯循环,但这四种超临界工质循环的透平出口体积流量相近。  [结论]  S-N₂O、S-C₂H₆、S-SF₆、S-CO₂循环均有潜在应用价值。     

基于碳捕集系统半闭式S-CO2布雷顿循环性能分析

针对高温钙基碳捕集技术回收储存过程中未利用CO₂的超临界、流量大等特点的问题,采用半闭式超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环系统取代传统CO₂回收系统,以降低由于碳捕集系统所造成的热量损失。利用Aspen Plus软件搭建耦合钙循环碳捕集的燃气轮机发电模型,在其CO₂回收系统中耦合S-CO₂布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳(T-CO₂)布雷顿循环系统,使用精准度更高的REFPROR物性方法研究主压缩机出口压力、透平入口温度、透平入口压力及分流系数对循环系统净做功的影响。结果表明：CO₂回收系统中耦合S-CO₂布雷顿循环系统可以使全厂热效率提升1.7%,全厂■效率为26.98%;采用分流纯净烟气的方法作为S-CO₂布雷顿循环系统的热源,可使同一热源的热效率提升6.7%。     

燃气-串级超临界CO2联合循环变工况策略研究

为优化燃气-串级超临界二氧化碳（GT-CSCO2）联合循环的变工况运行特性,建立以5.67 MW燃气轮机为原动机的GT-CSCO2联合循环模型。分别确定各设备的变工况运行方法,提出联合循环变工况运行策略,进而分析GT-CSCO2联合循环的变工况特性。研究表明：进口导叶达到最小全速角前后燃气轮机排气温度和流量随负荷变化的特性有较大改变,燃气轮机排气温度对底循环的影响大于排气压力;变工况中为维持压缩机入口温度与最终排气温度,底循环流量的减少幅度大于排气流量;负荷在100%~30%之间,GT-CSCO2联合循环热效率由54.80%降低到43.91%,净输出功率与效率约为燃气轮机单机的2倍;与简单回热结构相比,CSCO2循环具有更高的效率,是一种具有良好变工况性能的发电技术。     

基于SOFC-GT-ST的双塔解吸CO2捕集工艺模拟研究

设计并验证了一种新型固体氧化物燃料电池、燃气轮机和蒸汽轮机(SOFC-GT-ST)联合循环动力系统,采用了阳极排气和后燃烧室排气两个再循环回路,研究了气体再循环对系统性能的影响,并对系统发电效率进行优化;针对烟气处理工段设计了闪蒸塔和再生塔结合的双塔解吸CO₂捕集工艺,并改进了MDEA溶液补充水的方式,优化了多处余热利用,使用Aspen Plus软件建立了系统模型,研究了贫液温度、烟气温度、贫液流量、吸收塔压力和解吸塔压力等对CO₂捕集率的影响。结果表明：阳极排气再循环比最优值为0.28,燃烧室排气再循环比最优值为0.36,CO₂的捕集率可达90.82%,碳捕集能耗为3.78 GJ/t。     

天然气联合循环电厂燃烧后CO2捕集一体化技术经济评价

  目的  近年来,天然气发电在我国构建清洁能源体系中扮演着重要角色,预计到2025年“十四五”规划期结束时,中国气电装机容量将会突破150 GW。二氧化碳捕集利用是气电实现“双碳”目标的关键路径之一。  方法  为此,设立1个600 MW等级天然气联合循环发电（NGCC）、1个CO₂捕集和压缩（PCC）的综合工厂作为模拟对象。  结果  模拟研究表明:设计CO₂全烟气量捕集、90%效率、CO₂压缩提纯率为99.5%,燃气发电总出力输出下降了约16.05%,厂用电率增加5.55%,循环冷却水需求增加了约50.52%。  结论  通过经济分析显示,综合工厂的静态投资成本比单一发电厂的成本高54.28%,电力均等化运营成本（LCOE）增加了15.96%,给二氧化碳捕集的部署和发展带来了非常大的困难。但其中天然气价格仍然是影响电厂运营成本的最主要因素。     

进气冷却对燃机联合循环的性能影响分析

  [目的]  为了提高联合循环电厂运行灵活性,保证较好的机组运行经济性,避免燃气轮机在低效运行区,对燃机的进气冷却系统进行分析研究。  [方法]  基于GT-Pro/GT-Master软件,通过对采用进气冷却系统前后的燃机联合循环机组进行热平衡模拟计算,对机组的性能变化以及影响因素进行研究、对机组效率进行敏感性分析。  [结果]  分析结果表明:进气冷却系统可以大幅提高燃机的出力和效率;采用进气冷却系统后联合循环机组的出力增加,但效率略有下降。  [结论]  因此,对于联合循环机组,若电网允许机组多发电,则可以考虑设置进气冷却系统;若机组全年总出力固定,且年利用小时数并不饱满,则不宜设置进气冷却系统。     

350 MW余热锅炉变工况运行特性分析

  目的  整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术是高效、低碳的发电技术,余热锅炉是IGCC的组件之一。文章旨在研究余热锅炉变工况运行特性以提高整体煤气化联合循环发电技术的效率。  方法  通过分析余热锅炉的工作原理及传热传质原理,使用MATLAB软件展开编程计算,探究给水温度、给水压力、液相换热系数以及气相换热系数与余热锅炉内吸热量的关系。  结果  结果发现,当液相换热系数在200～1 000 W/(m2·K)和气相换热系数在20～100 W/(m2·K)范围内时,如果给水温度从30 ℃增加到100 ℃或给水压力增加,余热锅炉的吸热量将不断减少。反之,假设给水温度在30～100 ℃范围内,当液相换热系数从200 W/(m2·K)增加到1 000 W/(m2·K)或气相换热系数从20 W/(m2·K)增加到100 W/(m2·K)时,余热锅炉的吸热量不断增加。  结论  在液相换热系数与气相换热系数不变的情况下,给水温度或给水压力增加,余热锅炉的吸热量会减少;在给水温度与给水压力不变时,液相换热系数或气相换热系数增加,余热锅炉的吸热量会增加。     

超临界蒸汽参数卧式余热锅炉概念设计与分析

提出了超临界余热锅炉双层烟道卧式结构,并根据高压直流蒸发管束的传热系数、烟气阻力和钢材消耗量选取了余热锅炉烟道高度,同时以397 MW燃气轮机为燃气蒸汽联合循环的顶循环进行了热力性能计算。结果表明:超临界余热锅炉烟道宽度选取11.5m,上层烟道高度和下层烟道高度分别选取23m和21m;燃气轮机排气参数与余热锅炉排烟温度相等时,超临界蒸汽参数比亚临界蒸汽参数的联合循环出力增加了2.46%,联合循环净效率提高了1.16个百分点。     

火电厂排放烟气白雾治理新方案及节能分析

  [目的]  烟气经过湿法脱硫后,若不经过处理直接排放,经常会发生白雾现象,造成“视觉污染”。  [方法]  对湿法脱硫排放烟气产生的白雾现象原理进行理论研究,通过烟气热力特性曲线方程,采用“湿度-温度”图,分析了白雾产生的热力过程,提出了先降温除湿再加热的白雾治理新方案。结合某超超临界1 000 MW等级燃煤机组,对新方案的节能效益进行计算。  [结果]  研究成果表明:在一定的工程边界条件及设计原则下,新方案饱和烟气的加热功率要比常规方案小10.511 6 MW,在考虑烟气余热用于凝结水系统和不考虑烟气余热用于凝结水系统两种情况下,机组效率分别增加0.231%、0.164%。  [结论]  采用白雾治理新方案,可以达到同样的白雾治理效果,获得更好的节能效益。     

Natural gas fired combined cycle power plant with CO2 capture

A natural gas (NG) fired power plant is designed with virtually zero emissions of pollutants, including CO₂. The plant operates in a gas turbine-steam turbine combined cycle mode. NG is fired in highly enriched oxygen (99.7%) and recycled CO₂ from the flue gas. Liquid oxygen (LOX) is supplied by an on-site air separation unit (ASU). By cross-integrating the ASU with the CO₂ capture unit, the energy consumption for CO₂ capture is significantly reduced. The exergy of LOX is used to liquefy CO₂ from the flue gas, thereby saving compression energy and also delivering product CO₂ in a saleable form. By applying a new technique, the gas turbine efficiency is increased by about 2.9%. The net thermal efficiency (electricity out/heat input) is estimated at 45%, compared to a plant without CO₂ capture of 54%. However, the relatively modest efficiency loss is amply compensated by producing saleable byproducts, and by the virtue that the plant is pollution free, including NO_x, SO₂ and particulate matter. In fact, the plant needs no smokestack. Besides electricity, the byproducts of the plant are condensed CO₂, NO₂ and Ar, and if operated in cogeneration mode, steam.     

100 MW级蒸汽轮机系统稳态变工况运行特性

  目的  为有效提高循环效率,整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）发电系统因其自身所具备的热效率高、污染小、运行灵活等优势得到广泛关注。余热锅炉与蒸汽轮机共同构成了联合循环系统的底循环。  方法  文章主要采用能量平衡和热力学计算公式,运用MATLAB进行建模运算,研究了蒸汽流量、给水温度、过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的变化对蒸汽轮机的输出功率、热效率和蒸汽总吸热负荷的影响,同时在稳态运行的条件下,对底循环的工作原理和传质传热流程进行分析。  结果  结果表明:增加高压蒸汽流量,减小低压蒸汽流量,可以在具有较高热效率前提下,使蒸汽轮机输出更高的功率。在优化运行参数下,吸热负荷比参考工况减小了45.7 kW,热效率由23.82%增至26.92%。  结论  高压过热蒸汽和再热蒸汽的温度升高,蒸汽轮机系统热效率越高,但吸热负荷和输出功率变化幅度很小,可适当提高高压过热蒸汽和再热蒸汽的温度,有利于提高蒸汽轮机的热效率。而给水温度升高时,输出功率不随给水温度发生变化,而蒸汽吸热负荷会随着给水温度的升高而降低。给水温度越高,蒸汽所需热负荷就越小,有利于减少热能的输入而提高蒸汽轮机的热效率。     

Thermo-economic analysis of a direct supercritical CO2 electric power generation system using geothermal heat

A comprehensive thermo-economic model combining a geothermal heat mining system and a direct supercritical CO₂ turbine expansion electric power generation system was proposed in this paper. Assisted by this integrated model, thermo-economic and optimization analyses for the key design parameters of the whole system including the geothermal well pattern and operational conditions were performed to obtain a minimal levelized cost of electricity (LCOE). Specifically, in geothermal heat extraction simulation, an integrated wellbore-reservoir system model (T2Well/ECO2N) was used to generate a database for creating a fast, predictive, and compatible geothermal heat mining model by employing a response surface methodology. A parametric study was conducted to demonstrate the impact of turbine discharge pressure, injection and production well distance, CO₂ injection flowrate, CO₂ injection temperature, and monitored production well bottom pressure on LCOE, system thermal efficiency, and capital cost. It was found that for a 100 MW_e power plant, a minimal LCOE of $0.177/kWh was achieved for a 20-year steady operation without considering CO₂ sequestration credit. In addition, when CO₂ sequestration credit is $1.00/t, an LCOE breakeven point compared to a conventional geothermal power plant is achieved and a breakpoint for generating electric power generation at no cost was achieved for a sequestration credit of $2.05/t.     

基于热电互动的分布式能源系统优化研究

  [目的]  为实现分布式能源系统经济、高效的为工业用户供能,基于工业园区电、热负荷的耦合特性,建立了分布式能源系统供能单元的性能模型,提出了优化运行策略。  [方法]  以广州某工业园区为研究对象,结合实际负荷数据,合理确定优化参数,计算了年发电量、年耗气量和一次能源利用效率,并对负荷增量的影响进行了研究。  [结果]  结果表明:机组启动热负荷对分布式能源系统的年发电量影响较大,采用优化运行策略,年发电量提升约18.7%,可以提高园区自供电比例,一次能源利用效率在85%以上。  [结论]  该优化运行策略是正确并有效的,可应用于热电耦合分布式能源系统的优化,有效提升分布式能源系统的供能,同时维持较高的一次能源综合利用效率。