基于多级压缩回热过程的半闭式S-CO2循环回热优化

孙恩慧，纪洪福，石嘉豪，张磊，徐进良，李永毅

华北电力大学(保定)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.221066

2016年，各国签署巴黎协定，该协定旨在将全球平均气温较前工业化时期上升幅度限制在1.5℃以内。在发电循环领域，为了达到这一目标，需要开发高效循环和减少碳排放量。基于此，直燃半闭式S-CO₂循环逐渐受到广泛关注。该循环燃烧过程中的氧化剂是纯氧而非空气，且燃气中CO₂组分的浓度可达98%以上，因此该系统具备低成本的碳捕集能力和天然的零碳排放优势。同时，半闭式S-CO₂循环还体现出了极高的效率优势：首先，循环最高温度可达1200℃，超高的运行参数提供了极大的效率提升空间；其次，CO₂在临界点附近密度高，可压缩性低，这使得CO₂的压缩耗功较小。然而该循环仍有一些需要深入优化的方面，其中对回热过程的优化就是其中之一。

对于被广泛采用的单回热过程，回热器两侧CO₂工质温度和压力的不同使得比热容差异较大，导致回热器两侧工质热匹配效果变差，不可逆损失较高，这极大的降低了回热性能从而影响循环效率。为改善这一不足，本文在单回热循环(SSC)的基础上，通过不断添加分流压缩过程，提出了基于半闭式S-CO₂循环的多级压缩回热过程，构建了半闭式再压缩循环(RSC)和三压缩循环(TSC)，并对SSC、RSC和TSC进行了性能对比，证明了多级压缩回热过程的性能优势。本文的研究从回热角度出发，进一步提高了半闭式S-CO₂循环的效率潜力。

(a) 流程图

(b)温熵图

图1  单回热半闭式S-CO₂循环流程图和温熵图

图2  SSC1回热过程的T-Q图

      本文在SSC的基础上进行了改进，构建了半闭式再压缩S-CO₂循环(RSC)。图3是半闭式再压缩S-CO₂循环(RSC)的流程图和T-s图。可见，RSC中新增了一个辅压缩机和低温回热器LTR，工质在冷凝水分离后的5点分流成了两股。第一股仍然进入后续的冷却压缩流程；另一股被辅压缩机压缩，并在LTR的高压侧出口(9'点)与第一股工质汇合，共同进入HTR。半闭式再压缩循环的热效率可达65.87%，显著高于单回热循环。

(a) 流程图

(b) 温熵图

图3  RSC流程图和T-s图

      受半闭式单回热循环至再压缩循环构造过程的启发，本文在RSC的基础上，提出了三压缩循环(TSC)，该循环在RSC的基础上新增了一个辅压缩机和低温回热器，循环效率可进一步提高，达到67.34%。图4是三压缩半闭式S-CO₂循环(TSC)的流程图和T-s图。

(a) 流程图

(b) 温熵图

图4  半闭式三压缩S-CO₂循环流程图和T-s图

在半闭式单回热S-CO₂循环的基础上，本文通过对其回热过程的优化，提出了半闭式再压缩和三压缩S-CO₂循环。从定量的角度，对SSC、RSC和TSC三种循环进行了对比，揭示了再压缩循环比单回热循环效率高的原因，即RSC可视为在SSC的基础上叠加了一部分净功，因此循环效率提高。图5为循环效率随回热级数变化的关系。发现随着回热级数的增加，循环效率逐渐提高。从SSC到RSC，循环效率提高了6.63%；从RSC到TSC，循环效率进一步提高了1.47%。

图5  循环效率的变化

针对半闭式S-CO₂循环，本文提出的多级压缩回热过程与常规的多级间冷过程和多级再热过程相同，都是循环结构优化的一种方法，它是从循环的回热角度着手，通过提升回热程度进而提高循环效率。

孙恩慧(1991)，男，博士，华北电力大学能源动力与机械工程学院讲师，长期从事S-CO₂发电技术、新型热力过程与热功转换技术领域工作。主持国家自然科学基金青年项目1项，横向课题3项，参与其他横/纵向项目5项。在国内外期刊发表学术论文30余篇，其中一作/通讯作者20余篇，2篇ESI高被引论文，1篇热点论文。授权发明专利10余项，其中美国专利一项。受邀担任《中国电机工程学报》、《热力发电》、《电力科技与环保》专题特约编委，担任中国电力科学研究院有限公司期刊中心青年专家团成员。与企业合作获得2021年河北省创新创业大赛一等奖。指导学生多次获得国家、省部级竞赛奖励。E-mail：ehsun@ncepu.edu.cn。