600MW超临界二氧化碳燃煤机组的初步设计和经济性分析综述
摘要:由于传统工质在大型发电机组中的局限性越发明显，自上世纪60年代起，国外学者开始对超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术进行研究。其采用的工质为超临界二氧化碳，具有诸如传热效率高，做功能力强，流动性强，易于扩散，系统循环损耗小等优势。国外目前在这方面的进度比国内要先进许多。世界上目前对于此技术的运用也大多处于中小型发电机组的原理设计和试运行阶段。发电效率上较之传统工质发电机组有了明显的提升。布雷顿循环与核能、太阳能以及诸如ORC（有机朗肯循环）的其它循环耦合的成果也比较显著，发电效率进一步提升，成本下降，为大型机组经济性的提升提供了全新的思路，有值得期待的前景。其作为尚未成熟的技术，SCO2布雷顿循环存在有机材质部件的碳渗透和透平叶片等问题，有待进一步完善和解决。以此为据，采用超临界二氧化碳布雷顿循环的二次再热循环作为主要循环模拟构建600MW的大型燃煤机组，对其进行原理设计与发电效率的研究是有实际意义的。
关键词：600MW燃煤机组，超临界二氧化碳，布雷顿循环，发电效率，原理设计
引言
在传统的以超临界蒸汽为工质的大型超超临界发电机组中，存在高温高压状态下工质性质不稳定，有相变等问题。同时，高温高压对于压缩机，透平，换热器，管道，阀门等设备和配件的材料耐高温，耐高压，耐腐蚀的性能也有着极高的要求，大大增加了建设成本与维护成本，有悖于工程上经济性的需求。而且传统蒸汽发电机组的主要设备由于受热面的需求限制以及工质本身的热力特性，回热器，冷却器，管路附件等设备尺寸都较大，体积较大，重量较重，需要大量的锅炉管道设备，结构难以紧凑。同时，传统火力发电厂大多通过燃烧化石燃料加热工质。这一过程中会产生大量的CO2和其他废气，大大加重了环境压力。即使采用尾气处理系统，碳捕集技术，也难以消除其影响，同时还浪费了诸多余热。正是由于传统蒸汽工质以及其系统的诸多局限，自60年代起，国外学者开始对超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术进行研究。
1.超临界二氧化碳布雷顿循环原理及特性
在采用SCO2之前，学者们还尝试着探索出了使用超临界He作为工质的超超临界发电机组。但是He极不活泼，既不能燃烧也不能助燃，而且临界温度极低，可称为是最难液化的气体。用He布雷顿循环透平进口温度一般在 900℃以上，对部件材料性能极具挑战，当前研究的温度范围主要是在 500～700℃之间[1]，此时材料性能良好。故而考虑到使用超临界二氧化碳（SCO2）布雷顿循环作为主要循环，设计大型超临界发电机组的可能性。
典型的布雷顿循环，包括压缩过程、回热过程、加热过程、膨胀过程、预冷过程[2]五个热力过程，其主要由压缩机、回热器、透平、预冷器和热源构成。其循环过程为：a) SCO2工质经压缩机升压后，利用换热器将 SCO2工质等压加热到高温；b) 高压高温的 SCO2工质进入透平，推动透平做功并带动发电机发电；c) 工质进入冷却器恢复到初始状态，在此进入压气机形成闭式循环。该循环可利用的热源温度范围广 （400 ℃～700 ℃）、效率高 （40%～50%）[2]。
超临界二氧化碳（SCO2），其三相点（压力7.377 MPa，温度304.128 K）远低于传统工质的对应参数，对于工程而言，更加容易达成。它既有超临界流体的一般特性，也有其独特的特点：1）密度接近液体，大于气体2个数量数量级；传热效率高，做功能力强[3]；2）黏性接近气体，较液体小2个数量级；流动性强，易于扩散，系统循环损耗小[3]；3）临界温度和压力较低，容易达到超临界状态，便于工程应用；4）较常用的惰性气体超临界流体密度大、压缩性好，系统设备结构紧凑、体积小；5）腐蚀性小于水蒸汽；6）无毒、不燃、稳定，对臭氧层无破坏，廉价易得。在发电方面的可应用领域也极广，除却核能发电、太阳能光热发电外，还可用于工业废热发电，舰船发电及推进系统，矿石燃烧发电等方面。SCO2、氦气、水蒸汽3种工质所需的涡轮机体积之比约为1︰6︰30[4]。对于管道管径的要求进一步缩减，对于经济性而言，能够很大程度地减少管道建设的成本。
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