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余热利用
    时间:2017-6-29     点击率:257

编者按:中国科学院力学研究所魏小林研究员自2008年以来一直坚持从事纯低温余热回收利用技术的研究,并且在2011年建立了一个使用CO2作为循环工质的低温余热回收发电实验平台,取得了长时间稳定运行的CO2超临界朗肯循环发电功率1.1kW的可喜成果。该平台为国内首套装置,它的建成为我国今后低温热能回收利用提供技术储备和科学依据。目前他们正在攻关100kW级实验平台的建设,并启动兆瓦级装置核心技术的研发。本刊特此专文介绍魏小林团队在该领域取得的进展。

1.1kW纯低温余热CO2工质发电实验平台一撇

新技术或将助力发电设备升级换代

一、   高效热电转换是发电和能源利用的不懈追求

在节能减排的环境生态压力之下,世界各国的科学界和工程界都在追求高功效、低排放的发电技术。但是,传统的蒸汽热力循环发电技术已陷入了效率提升的瓶颈,必须寻求彻底更新换代的新技术。二氧化碳(CO2)热力循环发电技术是一项划时代新型发电技术,有望成为实现这一愿景的新路径。

众所周知,当前的主流发电技术是借助汽轮机的蒸汽循环,通过水汽相变实现热和功的转换,此即所谓的“蒸汽热力循环发电技术”。然而,由于受到工作介质(水或蒸汽)特性的限制,其发电效率最高只能达到40%。而且,这种技术的另一个劣势,则是它难以应用于种类繁多、数量巨大的低温热能。而低温热能的开发或回收利用,对缓解化石能源不足的压力具有重要意义,采用非常规工质的动力循环具有高效回收低温热能的潜力。

魏小林研究团队没有沿用人们一直着力发掘现有设备潜能的途径来提升蒸汽热力循环发电技术的效率,而是发展CO2热力循环发电技术,着力对发电设备本身进行升级换代。近年来,发达国家纷纷将CO2热力循环发电技术视为革命性的前沿技术,投入了大量人力物力,然而对其中的关键技术均给予严格的保护与屏蔽。魏小林团队发扬了不惧困难、勇攀高峰的精神,在追寻高效热电转换新技术的征战中画下了浓彩的一笔:使用CO2作为循环工质,取得了长时间稳定运行的CO2超临界朗肯循环发电功率1.1kW的可喜成果。目前,国内外已有学者建立了以卤代烃类有机物为工质的动力循环实验平台,如:采用五氟丙烷(R245fa)或三氟二氯乙烷(R123)为工质。但是,以CO2为工质的膨胀机发电动力循环实验平台还很少见。一般而言,卤代烃类或碳氢化合物类等的有机工质成本较高,在一定程度上制约了余热利用技术的发展。而CO2是一种天然工质,相对其它工质,它经济性好、安全性好、化学性能稳定;采用超临界朗肯循环时,CO2在高温侧处于超临界状态,没有相变,温度密度连续变化,换热性能良好。

二、   热电转换过程的热力学理论

到目前为止,世界各国的发电技术,无论是传统使用的蒸汽热力循环发电技术还是正在发展的CO2热力循环发电技术,都属于热机范畴,即是把热能转换成机械能,然后再驱动电机发电。热机在工作过程中,通过一个个周而复始的循环来实现其自身的长时间稳定运行。热力学采用卡诺循环、朗肯循环、布雷顿循环等理论模型来描述不同类型的工作过程,对于热机的研究发展起到了很好的指导作用。其中,描述蒸汽热力循环发电的“朗肯循环”如图1所示,由绝热压缩(给水泵)—等压吸热(锅炉)—绝热膨胀(汽轮机)—等压放热(凝汽器)四个过程构成。可以看到,由于工质是水和水蒸气,循环中发生了相变过程:水(液态)先在锅炉中加热变成水蒸气(气态),水蒸气又在凝汽器中冷凝为水(液态)。其实,“布雷顿循环”也是由上述四个过程构成,只是其中的工质总是气态,不发生液态与气态转换的相变。这样,采用朗肯循环的热机中所选用的装置(如给水泵、锅炉、汽轮机、凝汽器等),会依据实际工况做相应的变化。

1 蒸汽热力发电中的朗肯循环示意图

这里还需说说热机中工质运行时的状态,它对热机的效率也有重要的影响。大家知道,自然界的物质有固态、液态、气态以及等离子体等不同的状态。在热机中,主要涉及的是液态和气态两种,人们也称之为液相和气相。一般条件下,当物质有两相共存时,我们可以看到它们之间有清晰的分界面。然而在一定的压力与温度下,物质的液、气两相之间的界面会消失。这个状态点,人们称之为“临界点”,相应的压力与温度被称之为“临界压力”与“临界温度”。依据热力学知识,水(H2O)和二氧化碳(CO2)的临界参数分别如下表所示。

物质名称

  临界压力(MPa)

  临界温度(℃)

H2O

22.1

374

CO2

  7.38

   31.26

我们从上表的数据不难看到,水(H2O)和二氧化碳(CO2)两种工质在物性上有很大的差别。或者说,CO2比较容易实现超临界状态,既可以实现超临界布雷顿循环,也可以实现超临界朗肯循环,从而避免了蒸汽作为工质发电时,效率无法进一步提高的问题。对于高温热源,CO2热力循环发电技术的发电效率可达到50%以上。而且,由于极高的超临界CO2密度(与水蒸气相比)和膨胀部件转速,整个发电机组的体积大大减小,这样既可以显著降低建设成本,又能直接应用于轮船、潜艇等空间狭小场合。此外,CO2的临界温度较低,从而可以利用各类低温热能,而以水为工质的常规朗肯循环难以利用温度低于250℃的工业烟气余热。

三、   CO2热力循环发电技术

CO2热力循环发电技术是以CO2作为工质,按照所设计的工况,让它在布雷顿或朗肯热力循环中做功。图2给出布雷顿循环发电流程示意图,布雷顿循环发电技术与蒸汽热力发电技术很相似,区别则表现在:一方面工作介质不同,另一方面主要设备不同。在二氧化碳布雷顿循环发电中,采用压缩机代替了蒸汽热力循环发电中的给水泵,采用加热器代替了锅炉,采用冷却器代替了凝汽器。布雷顿循环中采用的膨胀部件可以采用膨胀机,也可以采用汽轮机。

2 CO2布雷顿循环发电技术工作流程示意图

四、   纯低温余热CO2工质发电实验平台

2011年,魏小林研究团队建成了国内首台使用CO2作为循环工质的低温余热回收发电实验平台,该发电装置主要由导热油循环回路、CO2工质循环回路和冷却水循环回路等三部分构成(参见图3)。导热油循环回路用于模拟工业余热热源,为整个系统提供热量输入,此循环回路由导热油炉、导热油泵,其中导热油炉采用电能加热换热介质导热油。CO2工质循环回路由膨胀机(含内置发电机)、回热器、冷凝器、储液罐、工质泵、超临界加热器构成。其中膨胀机是专为高温、高压CO2设计的滚动转子膨胀机,为提高密封性能,将发电机布置在膨胀机外壳内部。超临界加热器用于导热油与超临界CO2的换热,使得高压CO2吸热而温度升高。冷凝器用于低压CO2与冷却水的换热,使得低压气态CO2冷凝为液态。冷却水循环回路由冷水机组和冷却水泵组成,其中冷水机组为冷却水循环回路提供低温冷却水。

3 CO2超临界朗肯循环发电系统流程图

这个平台(参见图4)包括超临界加热器、转子膨胀机、回热器、冷凝器、CO2工质泵和流量控制器等部件,采用超临界朗肯循环。

4 CO2超临界朗肯循环发电系统实验平台

整个实验平台的CO2的工作流程如下:循环系统中低温(约20℃)、高压(约12MPa)的工质—液态CO2,经过“超临界加热器”,被加热至高温(约90℃)、高压(约12MPa)的气体状态,然后进入“转子膨胀机”做功,同时其温度和压力均降低,由“转子膨胀机”输出的动能经发电机转换为电能,做功后的气态CO2经“回热器”冷却后流入“冷凝器”冷却降温变为液态,液态的CO2由“工质泵”加压后流入“回热器”换热,经过初步余热的CO2工质再次流入“超临界加热器”完成一个热力循环。

在这台纯低温余热CO2工质发电实验平台中,转子膨胀机配备有润滑油循环系统,可以保证膨胀机长时间稳定运行。这里采用永磁式发电机,实现了电动和发电的平稳转换。该实验平台的主要技术指标如下:

超临界高压侧耐压20 MPa

导热油炉温度可达到200

温度传感器误差范围±0.2

压力传感器误差范围量程±0.5%

转子膨胀机最大发电量1.5 kW

CO2工质泵上限流量200 kg/h

质量流量计测量范围30~300 kg/h

作为首台采用CO2为发电工质的实验平台,这个循环系统能够稳定运行发电8小时以上,基本实现了自动化监测和控制,发电效率稳定,而且每天系统泄漏率小于1%(对于系统平衡压力高达5 MPa的余热发电实验系统,这是较难做到的)。通过实验平台成功运行证实超临界CO2与循环导热油的换热效率能达到95%以上,作为低温余热回收利用的循环工质,高压侧CO2优良的传热特性是其优势之一。总之,这项工作验证了采用CO2工质回收低温余热发电的可行性。由于CO2动力循环压差较大,致使转子膨胀机内部高压腔和低压腔间动密封效率较低,易形成较大的内部泄漏,因而转子膨胀机效率普遍不高,但是通过研究团队的努力,该实验平台的转子膨胀机等熵效率达到21.4%。当然,魏小林团队不会停步,他们已经准备进一步开展研发工作,包括攻关100kW级实验平台的建设、启动兆瓦级装置核心技术的研发、争取将发电系统推向实际的应用。

 

(王柏懿撰文)