燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展

吴 柯,鲍中凯,段伦博,黄 宇

(东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,江苏 南京 210096)

摘 要:超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO2)布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。作为新型动力循环工质的sCO2具有温和的临界点条件(31.1 ℃/7.38 MPa),同时在临界点附近物性变化剧烈。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为实现煤炭的清洁高效低碳利用提供了新的思路。笔者分析了sCO2工质的性质,介绍了间接加热式和直接加热式两类sCO2布雷顿循环的基本原理,总结了sCO2动力循环应用于燃煤电站的研究进展。sCO2循环燃煤电站的发展可分为以下2条路径:① 间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,可与煤粉锅炉、循环流化床锅炉、富氧燃烧等技术相结合;② 发展更加高效且固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤电站技术,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)电站竞争。分析了sCO2动力循环与燃煤电站结合的多种技术方案,讨论不同方案的优势、技术挑战与发展方向。在此基础上,重点阐述了sCO2作为工质在常规管径圆管、细管道圆管、微细管道圆管及印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)中的传热试验研究和传热特性,总结了sCO2工质在圆管内和PCHE内流动传热经验关联式并进行分析比较,同时介绍了sCO2工质流动传热的数值模拟研究。最后,从基础理论、系统设计、设备研发层面指出了现有研究的不足和对未来研究的展望。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多关注。在我国将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,目前我国关于sCO2循环发电技术的研究与国外仍存在相当差距,应依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站的技术积累,快速推动燃煤sCO2循环发电技术的研发进展。

关键词:超临界二氧化碳;布雷顿循环;间接加热式;直接加热式;燃煤电站;传热;印刷电路板式换热器

0 引 言

电力使用的高速增长已成为社会发展不可缺少的推动力,但伴随而来的是能源消耗与环境问题的日益突出。为了获取更高的经济效益,电力机组参数呈现向高温高压发展的趋势,但针对超超临界蒸汽朗肯循环机组,过高的蒸汽参数需在高温部件采用昂贵的新型镍基合金,导致经济性降低。因此,在不增加投资成本的基础上,探索更高效率、低碳排放的新型发电技术是当前面临的一项重要任务[1]。近年来,以sCO2为工作介质的布雷顿循环发电技术受到了国内外学者的广泛关注,成为一项快速发展的前沿技术。sCO2循环发电技术可实现更具竞争力的循环效率,同时sCO2的高密度和高能量密度可使涡轮机械等关键设备更加紧凑,实现系统小型化,降低前期投资[2]。此外,sCO2循环可适用于多种热源,包括核能、太阳能、余热回收、化石能源等[2]

《中国能源发展报告2018》[3]指出,2018年我国电源结构仍以煤电为主,煤电发电量占比为63.7%。受能源结构影响,煤炭仍将是未来我国能源消费中的基石。化石能源的使用带来巨大碳排放,中国目前已经是全球碳排放量最大的国家,将在2030年迎来碳排放的高峰。面对全球气候变化的巨大挑战,碳捕集、利用与封存(carbon capture,utilization and storage,CCUS)技术作为应对气候变化的重要手段,一直是国际社会关注的重点领域,CO2的减排将是未来几十年发电研究的主要方向。燃煤sCO2循环与CCUS技术结合可以在获得高效率的同时有效减少CO2排放,为燃煤发电技术提供了新的发展方向。

目前对sCO2布雷顿循环发电技术的研究仍处在初期阶段,对sCO2动力循环在燃煤电站中的应用形式存在多种方案,而对于系统中的高效换热器设计、管路系统布置及关键热端件的选取均需建立在sCO2流体传热特性的基础研究之上。本文以sCO2布雷顿循环发电技术为背景,介绍了sCO2布雷顿循环的基本原理及其在燃煤电站中的应用形式,并对系统中的sCO2工质在圆管及印刷电路板式换热器内的传热特性研究进展进行综述,总结了其发展现状并指出了研究方向,对sCO2布雷顿循环燃煤发电系统的建立具有参考意义。

1 sCO2动力循环工作原理

sCO2动力循环采用超临界态的CO2作为循环工质,根据加热方式的不同可分为两大类:间接加热式循环和直接加热式循环[4]。间接加热式循环(闭式循环)在热源处通过换热器对进入透平前的工质进行加热;直接加热式循环(半闭式循环),循环过程中工质参与燃烧直接加热后进入透平做功。

1.1 sCO2工质特性

sCO2被选作新型动力循环的工质,主要基于两方面:温和的临界点条件(31.1 ℃/7.38 MPa)和临界点附近sCO2的特殊物性[4]。 CO2的物性参数在超临界状态下会发生剧烈改变,尤其在临界点附近,流体的热物理性质随温度和压力的变化异常剧烈。4种不同超临界压力下CO2的热物理性质随温度的变化如图1所示。

在特定的压力下,CO2的密度、黏度、热导率呈现随着温度的增加而减小的趋势,在跨临界点处下降尤为剧烈,达到超临界态后减小程度趋于平缓;而在特定的温度下,密度、黏度、热导率随压力的升高而增大。另一方面,CO2的定压比热容Cp在临界点附近可以观察到不同的行为,在所有压力下,sCO2均在接近临界温度时达到峰值,随后迅速下降,在超临界相重新恢复稳定。峰值随压力的增大而减小。上述热物性参数均可从National Institute of Standards(NIST)获得。

图1 CO2物性参数随温度和压力的变化

Fig.1 Variations for CO2 physical parameters with temperature and pressure

处于超临界态的CO2还具有以下特点:① 介于液体和气体之间,具有黏性小、密度大等特性,同时具有良好的流动性、高传热效率、不易压缩性和高能量密度;② 化学性能稳定、无毒,对金属腐蚀性弱。凭借工质优势sCO2布雷顿循环可获得更具竞争力的循环效率,使得系统更加紧凑小型化。

1.2 间接加热式循环

最基础的sCO2循环是带有回热的简单布雷顿循环,如图2所示,该循环系统主要由压缩机、回热器、冷却器、透平和热源等部分构成[5]。简单布雷顿循环包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热4个基本过程。低温低压的CO2工质经压缩机升压后,进入回热器与透平排出的工质进行换热,由高温热源进一步加热后,进入透平膨胀做功,做功完成后由透平排出并进入回热器换热,最后进入预冷器进一步冷却,达到压缩机入口要求温度要求并进入压缩机,完成一次闭式循环。由于循环透平压比相对较低,透平出口工质温度较高,大量热量需要回收,回热在sCO2布雷顿循环中发挥重要作用。为进一步提高循环效率,国内外学者基于该循环提出分流、预压缩再热、再压缩、中间冷却等改进循环[6]

图2 简单回热sCO2循环[5]

Fig.2 Simple recuperated sCO2 cycle[5]

CO2的比热容Cp等物性在临界点附近受温度和压力影响变化剧烈,回热器内高、低温侧热容不同易出现“夹点”问题。在简单回热sCO2循环的基础上改进,如图3所示,将回热器分为高温、低温回热器,同时加入再压缩机,将进入预冷器前的CO2工质分流,一部分工质直接进入再压缩机,另一部分工质经过冷却器后进入主压缩机后进入低温回热器吸热,在高温回热器入口与再压缩压缩机出口工质汇合,该布置方式称之为再压缩sCO2循环[5]

图3 再压缩sCO2循环[5]

Fig.3 Recompression sCO2 cycle[5]

1.3 直接加热式循环

直接加热式sCO2循环工作时,如图4所示,回流的高压CO2工质与燃料(天然气、煤合成气等)、空气分离装置制得的纯氧混合进入燃烧室;高温高压的燃烧产物经过除尘、脱硫、脱酸等处理,成为高纯度CO2工质(含有少量H2O)进入透平膨胀做功;透平排出的CO2工质经过回热器回收热量后,经冷却器进一步冷却,通过水分离装置去除水分,高纯度CO2工质经过压缩后,一部分经过回热器吸收热量后回流到燃烧室,另一部分进行CO2封存[7]

图4 直接加热式sCO2循环示意[4]

Fig.4 Schematic of direct-fired sCO2 cycle[4]

2 sCO2动力循环用于燃煤电站研究进展

煤炭在我国能源结构中的基础地位短期内难以改变,面对CO2减排的巨大压力,新一代燃煤发电技术应该朝着高效节能、低碳清洁的方向发展。受制于材料和制造技术,超超临界蒸汽朗肯循环机组面临效率提高的瓶颈。采用CCUS技术的sCO2循环燃煤电站和燃煤直接加热式sCO2循环电站,可以提高循环效率,同时实现CO2减排甚至零排放的要求,是面向未来的新一代燃煤发电技术。

sCO2循环燃煤发电的发展可分为以下2条路径:① 间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,实现更高的循环效率,结合CCUS技术实现CO2减排;② 以煤炭为燃料的直接加热式sCO2循环,获得更高效率的同时实现CO2零排放,与带有碳捕捉(carbon capture and storage,CCS)的整体煤气化联合循环(IGCC)竞争。

2.1 间接加热式sCO2循环燃煤电站

2.1.1 煤粉锅炉

间接加热式sCO2循环取代传统的蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,期望在相近的工质参数下实现更高的循环效率和CO2减排目标。在蒸汽循环机组的基础上,间接加热式sCO2循环与煤粉锅炉结合用于发电,主要关注动力循环配置、锅炉受热面的布置以及如何回收烟气中低品位热量等方面,除此之外仍需考虑电厂系统经济性、运行负荷等问题。

Muto等[8]在研究中指出,sCO2循环可以有效应用于化石燃料电站,并对采用sCO2循环的300 MWe级别化石燃料电站进行概念设计,设计中采用高、低双膨胀循环设计和引入省煤器预热空气等措施以解决CO2工质入口温度较高和炉膛内换热管侧压差大等问题,热效率在高压透平入口20 MPa/650 ℃条件下可达到43.7%。

法国电力公司(EDF)的Molluec等[9]对sCO2布雷顿循环燃煤电站进行了概念设计,循环流程采用两次再热的再压缩sCO2布雷顿循环,同时耦合胺吸收法(MEA)以实现燃烧后90%碳捕捉。该电站概念设计中,循环最高参数为620 ℃/30 MPa,2次再热均被加热到620 ℃,电站净效率达到41.3%。该研究在炉膛尾部设置平行烟道,其中一部分烟气用来加热从主压缩机出口分流出来的CO2工质,从而充分利用尾部烟气热量,提高热效率。

美国电力研究院(EPRI)与巴威公司(B&W)合作开展sCO2循环燃煤电站的主换热器研究[10],假定采用sCO2再压缩循环,给出了适应sCO2循环的倒塔式锅炉设计,同时采用小型级联式sCO2循环作为底循环回收烟气热量,将烟气温度降至空预器入口要求。

Xu等[11]提出1 000 MWe sCO2循环燃煤电站概念设计,设计参数为620 ℃/ 30 MPa,循环效率达到48.37%。研究指出对于同等1 000 MW发电量的锅炉,sCO2工质锅炉内焓升为136.4 kJ/kg,水蒸汽锅炉内工质焓升为2 170.5 kJ/kg,导致sCO2锅炉工质流量为蒸汽锅炉的7~9倍,sCO2锅炉内工质压降损失大。为解决这一问题,Xu等[11]将锅炉内流入单级受热面工质的流程和流量减半使工质压降损失降至原来的1/8,即“1/8原则”,提出局部流动策略,指导锅炉模块化设计。

2.1.2 循环流化床锅炉

循环流化床(CFB)锅炉作为一种清洁高效燃烧技术,广泛应用于燃煤电站,能够在炉膛提供恒定的燃烧温度,匹配sCO2再压缩循环温度加热窗口小的特点。美国国家能源技术实验室(NETL)将再压缩sCO2布雷顿循环与富氧燃烧燃煤CFB锅炉结合[12],利用烟气中热量去预热回流到CFB炉膛受热面的CO2工质,并比较了采用不同sCO2循环流程的电站效率。普惠洛克达公司(PWR)提出再压缩sCO2布雷顿循环与加压富氧流化床耦合的近零排放电站(ZEPS)概念[13],如图5所示,该系统中增压流化床(PFBC)运行在0.83 MPa/871 ℃条件。研究指出sCO2布雷顿循环能够补偿由于CO2捕集与封存以及富氧燃烧制氧消耗能量所造成的系统效率下降,净电站效率在35.5%~41.7%。GTI与加拿大能源与矿业技术中心(CANMET)目前正在合作建造使用以sCO2为受热面工质的中试规模PFBC装置[14]

图5 ZEPS系统示意[12]

Fig.5 Schematic of the Zero Emissions Power and Steam(ZEPS) system[12]

Liu 等[15]针对sCO2布雷顿循环发电系统设计了600 MW常压燃煤流化床锅炉,与朗肯循环流化床相比,其锅炉结构简化,炉内与外置床换热器总传热面积增加40%,工质80%的热量在炉内吸收。Sun等[16] 对增压流化床sCO2布雷顿循环发电技术进行了系统设计,提出了一次再热与二次再热2种不同的系统设计方案,指出炉内压降是影响热效率的关键因素,并建议采用烟气再循环避免炉内压降过高。为解决增压流化床受热面布置问题,Sun等[16]采用增压鼓泡床作为热源,在密相区布置埋管,在炉膛顶部放置印刷电路板式换热器作为过热器和再热器满足换热需求。

2.2 直接加热式sCO2循环燃煤电站

直接加热式sCO2循环相比于间接加热式sCO2循环,具有以下2个优势:更高的透平入口温度和压力意味着更高循环效率潜力,可补偿空气分离装置制备纯氧所消耗的能量;直接加热式循环具有固有的CO2捕集能力,不需要额外工艺流程和能量去捕捉CO2,可直接用于封存或利用。

2.2.1 煤气化

Allam等[7,17]将煤气化和直接加热式sCO2循环结合,提出煤气化Allam循环,流程如图6所示。不同于以天然气为燃料的Allam循环,在煤合成气进入燃烧室之前,需要先对煤炭进行气化、净化。Allam循环系统由SCO2动力循环、燃料供应、空分制氧3部分组成[18],在循环最低温度为20 ℃、循环最高压力为30 MPa、透平压比为10、透平进口温度为1 150 ℃等操作条件下,煤气化Allam循环净循环效率达到51.44%,同时实现接近100%的CO2捕集率。值得注意的是,稍微损失效率的前提下,缺水地区仍可采用空气冷却来满足煤气化Allam循环运行条件。Lu等[19]在研究中构建不同煤种、气化类型的模型论证了煤气化Allam循环的可行性,证明实现完全碳捕集的煤气化Allam循环确实能以煤合成气为燃料,不同煤种、气化类型组合的电站热效率在43.3%~49.7%,效率高于未采用碳捕集的IGCC基准电站。

图6 煤气化Allam循环流程示意[17]

Fig.6 Process schematic ofcoal Allam Cycle[17]

煤气化直接加热式sCO2循环系统的高效率和固有碳捕捉能力优势使其成为研究热点。EPRI对采用Shell干煤粉气化技术的煤气化sCO2循环电站进行性能评估,系统中通过粗煤气换热器耦合蒸汽底循环进行发电,研究指出,为使工质满足长久封存的CO2纯度要求(98.1%),应满足高氧纯度(99.5%),并以CO2作为煤粉输运气体[20]。NETL从经济性和性能角度对煤气化直接加热式sCO2循环电站的进行评价,研究发现在透平入口1 149 ℃/30 MPa参数条件下,基准煤气化直接加热式sCO2循环电站性能优于带有CCS的IGCC基准电站[21]。不同于EPRI的研究,该系统中合成气冷却器产生的蒸汽只用来满足系统内煤粉干燥、脱硫等工艺需要,多余的热量用来预热压缩合成气和回流的CO2工质,不再耦合蒸汽朗肯循环用来发电。中科院的赵永明[22]搭建整体煤气化直接加热式sCO2循环系统模型,评价该循环的热力学性能,并提出双膨胀循环流程。

2.2.2 煤直接燃烧加热式

NETL、西南研究院(SwRI)等机构提出煤直接燃烧加热式sCO2循环构想,不再经过煤气化过程,煤炭直接进入燃烧室,燃烧后产物(主要是sCO2工质)进入透平做功。该方案目前停留在概念设计层面,主要是由于煤炭含有灰分和S、N、Cl等杂质。为实现该循环,需要将灰分颗粒在高温高压条件下完全去除;煤中S、N、Cl等杂质及燃烧引入的污染物需要在循环中分离,可以在燃烧过程中通过炉内脱除或在循环过程中脱除。

SwRI的Mcclung等[23-24]提出煤10 MPa O2/sCO2富氧燃烧耦合再压缩sCO2循环电站概念,如图7所示,该系统包含超临界富氧燃烧回路和sCO2再压缩动力循环回路,两回路之间通过主换热器进行耦合。同时给出煤超临界富氧燃烧室设计方案,着手1 MWt超临界富氧燃烧循环热侧中试回路的初步设计。煤超临界富氧燃烧回路侧包含超临界富氧燃烧室、旋风分离器(高温高压)、新型紧凑微通道换热器、压缩机等。燃烧回路中,煤炭采用水煤浆或sCO2-煤浆的形式进入燃烧室,经旋风除尘后进入主换热器完成换热,经过水分离、净化后,一部分用于CO2封存,另一部分经过余热回流至燃烧室。为了保障材料、设备的寿命,实现安全运行,燃烧回路需要实现灰分颗粒的完全分离和循环中杂质的清除。在该技术基础上,进一步提高燃烧室参数,开发新型先进CO2透平,即可将燃烧回路侧改造为煤直接燃烧加热式sCO2循环。

图7 O2/sCO2燃烧耦合再压缩sCO2循环示意[23]

Fig.7 Schematic diagram of O2/sCO2 combustion coupled with recompression sCO2 cycle[23]

3 sCO2流动传热特性基础研究

sCO2独特的热物理性质使其传热性能与超临界水存在差异,掌握sCO2流体在不同工况下的传热机制,对换热器的研发设计具有指导作用,是发展sCO2布雷顿循环燃煤发电技术的基础。目前对sCO2传热特性的研究主要集中在圆管和PCHE内的对流传热特性,国内外学者进行了大量试验与数值模拟研究工作。

3.1 sCO2管内流动传热特性研究

国内外学者针对sCO2在加热流动通道内对流换热特性进行了大量试验研究,在已发表的研究成果中,sCO2流动通道的换热研究主要集中于垂直圆管与水平圆管的换热特性,管径从0.2 mm细微管道至10 mm大管径圆管均有研究,sCO2入口压力在7.5~12 MPa。sCO2的管内对流传热主要有3种传热方式:正常传热、传热强化、传热恶化。

3.1.1 常规管径圆管传热特性

针对常规管径水平圆管的传热特性研究,Pitla 等[25]对内径7.73 mm的水平圆管内sCO2对流换热进行了试验研究,结果表明对流传热系数在临界区附近增加,其峰值出现在准临界温度区。Yoon 等[26]在水平管试验中得到相似的结论,并指出准临界温度对应压力升高,传热系数将降低。Tanimizu等[27]则在内径4.55和7.75 mm水平圆管内进行大量传热试验,进一步指出不同热流密度下,准临界温度区域会出现传热强化或传热恶化现象。

针对常规管径竖直圆管的传热特性研究,Song等[28]在直径4.4和9.0 mm,长度2 m的垂直管内进行sCO2的换热试验,对不同管径以及不同质量流量、热流密度的sCO2进行了试验,结果表明在临界点附近出现换热强化和换热恶化的现象,换热强化通常发生在高质量流量和低热流密度工况下,换热恶化通常发生在低质量流量和高热流密度工况下,这与前人所观测的试验现象一致。Lei 等[29]进一步指出,sCO2质量流量相同时,在低热通量条件下,传热系数随着压力的增加而显著下降,而在高热通量条件下压力之间的传热特性差异很小。

3.1.2 细管道圆管传热特性

Liao等[30]分别在直径0.70、1.40、2.16 mm的加热水平和垂直细圆管内进行sCO2对流换热试验,结果表明,在雷诺数Re已经高达105以上的工况下,浮升力对sCO2的换热影响仍然显著。在向下流动的工况中,由于浮升力的作用,3种管径在准临界温度附近均出现了换热恶化,对流传热系数h下降剧烈,而水平流动和向上流动的工况中则出现了换热强化,这与sCO2常规管径浮升力对传热特性的影响有一定区别(图8)。试验结果还进一步表明,sCO2所有流动方向,努赛尔数Nu均随着管径的减小而呈下降趋势。由于sCO2在细管径中Re较高,Nu本应增强,Liao认为出现Nu减小的现象是受浮升力和热流密度的影响,并据此提出新的关联式描述sCO2在细微管中的换热特性。

图8 传热系数随整体平均温度的变化[31]

Fig.8 Variations in the heat transfer coefficient with bulk mean temperature[31]

3.1.3 微细管道圆管传热特性

Liao等[30]、Jiang等[31-32]对sCO2在微细管道内的对流换热开展了研究,在直径0.27 mm的圆管内,当Re>4×103时,流动方向和浮升力对局部壁温的影响很小,在任一流动方向上未观察到对流换热的恶化。而在直径0.099 2 mm的圆管内,浮升力对sCO2向上和向下流动时的传热影响进一步减弱。同时表明局部传热系数在低热流密度时线性增加,在较高的热流密度下则观察到非线性特征关系。

3.1.4 浮升力对传热特性的影响

大量研究表明,浮升力对sCO2管内流动有重要影响。在加热流体时,壁面温度高于流体中心温度,管内流体径向温度梯度导致流体沿径向产生密度梯度,进而产生浮升力。浮升力将导致流体剪切力发生改变,引起湍流动能的减弱或增强。热流密度越大,径向密度梯度越大,产生的浮升力也就越强。Jackson等[33]提出采用无量纲数Bo*来表征浮升力对sCO2换热的影响程度。

(1)

(2)

式中,Gr*为格拉晓夫数;RebPrb分别为流体温度下的雷诺数与普朗特数;β为体积膨胀系数;d为内管径,mm;g为重力加速度,m2/s;qw为壁面热流密度,W/m2λ为热导率,W/(m·K);v为运动黏度,m2/s。

Jackson等[33]指出对于常规管径加热工况,sCO2向下流动时浮升力起到强化换热的作用。而对于向上流动,当5.6×10-7<Bo*<1.2×10-6时,浮升力起到传热恶化的作用;当1.2×10-6<Bo*<8×10-6时,传热恶化减弱;当Bo*>8×10-6时,浮升力起到强化换热的作用。该规律能较好地描述常规管径中垂直流动中出现的传热强化与传热恶化现象。

Fewster等[34]提出另一参数Bu来描述浮升力在常规管径竖直流动中产生的影响。

(3)

式中,为平均格拉晓夫数。

Bu<5×10-6,浮升力的影响可忽略;5×10-6<Bu<10-4时,浮升力会产生传热恶化;10-4<Bu<10-2,浮升力会产生传热强化。Bu应用于低质量流率的sCO2换热时较Bo*有更高的精确性[35]

3.1.5 管内表面粗糙程度对传热特性的影响

Hiroaki等[36]在内径6 mm的竖直光滑管和粗糙管内进行sCO2对流换热试验,研究换热管表面粗糙程度对超临界压力下CO2对流换热特性的影响,结果表明增加管壁表面粗糙程度可以增强sCO2的对流换热特性,管子内表面粗糙程度从0.2 μm增至14 μm,对流换热明显增强,粗糙程度过大将牺牲压降,在布雷顿循环过程中,导致整体效率降低。

3.1.6 sCO2管内流动传热准则关联式

由于sCO2流体在临界点附近物理性质发生巨大改变,对流传热系数采用Dittus-Boelter关联式误差较大。学者们基于大量试验数据,提出了许多计算sCO2管内对流换热的经验关联式。考虑流体物理性质、浮升力、热流密度等因素,采用雷诺数、普朗特数以及边界层和圆管中心区流体物性参数比值形式的修正项拟合试验数据而得到。表1列举了一些主要的换热关联式。

表1 sCO2管内换热关联式

Table 1 Heat transfer correlations of sCO2 in tubes

序号文献换热关联式说明1Bringer andSmith[37]Nub=0.037 5Re0.77xPr0.55wTpc-TbTw-Tb<0,Tx=Tb; Tpc-TbTw-Tb>0,Tx=Tw式中,T为温度,℃;下标b、w、x、pc分别为流体、壁面、当地坐标x处、准临界点最先针对sCO2在临界点附近热物性的巨大变化提出,适用于竖直圆管内的传热2Krasnoshchek-ov等[38]Nuw=Nuo,wρwρb()nCpCp,w()mNuo,w=f8RewPrw1.07+12.7f8Pr23w-1(),Cp=ib-iwTb-Tw,m=BCpCp,w()kP=8 MPa时,n=0.38,B=0.75,k=0.18P=10 MPa时,n=0.68,B=0.97,k=0.04P=12 MPa时,n=0.80,B=1,k=0适用条件: 9×104≤Reb≤3.2×105;6.3×104≤Rew≤2.9×105式中,f为摩擦因数;P为压力,MPa;Nuo,w为内壁平均温度下的努赛尔数;ρ为密度,kg/m3;Cp为平均定压比热容,kJ/(kg·K);Cp,w为以壁面温度为定性温度的定压比热容,kJ/(kg·K);ib、iw分别为流体温度和壁面温度下的比焓,kJ/kg;n、m、B、k均为常数在sCO2传热前期研究中应用广泛,但与试验结果拟合结果有较大差异,很多学者在此关联式基础上提出新的准确定性高的关联式3Baskov等[39]Nuw=Nuo,wρwρb()nCpCp,w()mTbTpc≤1,m=1.4,n=0.15;TbTpc>1时,m与n的值由CpCp,w和P确定适用条件:9.5×104≤Reb≤6.44×105在Krasnoshchekov的关联式基础上进一步完善,该关联式与试验结果误差在20%以内

续表

序号文献换热关联式说明4Petrov andPopov[40]Nuw=Nuo,w1-0.001qG()CpCp,w()nCpCp,w≤1,n=0.664×104qG; CpCp,w>1,n=0.94×104qG适用条件:3.1×104≤Reb≤8×105;1.4×104≤Rew≤7.9×105;-350 J/kg≤q/G≤-29 J/kg 式中,q为热流密度,W/m2;G为质量流率,kg/(m2·s)基于Krasnoshchekov的关联式,引入质量流速与热流密度的影响,Nuo,w与Cp可用Krasnoshchekov关联式计算,热通量为负表示sCO2的冷却过程5Fang等[41]Nuw=fw8Rew-1 000()PrwA+12.7fw8Pr23w-1()1-0.001qG()CpCp,w()nfw=1.82lgRew-1.64()-2,A=1+7×10-8RewRew<106();A=1.07Rew≥106()适用条件: 3 000≤Rew≤106;-350 J/kg≤q/G≤0式中,A为常数基于Petrov和Popov的关联式进行优化,经过试验数据拟合验证,该关联式的适用条件范围更加广泛6Pitla等[25]Nu=Nuw+Nub2()λwλb,h=NuDλwNuw和Nub可通过下式计算:Nu=f8Re-1 000()Pr1.07+12.7f8Pr23-1()式中,D为管外径,m引入平均努塞尔数的概念,应用于管内冷却过程,关联式计算值与90%试验点误差在20%以内7Jackson等[42]NuNub=1±8×104Bo∗NuNub()-2[]0.46引入Bo∗因子考虑浮升力的作用,适用于常规管径竖直圆管中的sCO2换热,对细微管道误差较大8李志辉等[43]向下流动:NuNub=1+Bo∗0.1CpCp,b()-0.3ρwρb()0.5NuNub()-2[]0.46向上流动:NuNub=1-Bo∗0.1CpCp,b()-0.009ρwρb()0.35NuNub()-2[]0.46式中,Cp,b为以流体温度为定性温度的定压比热容,kJ/(kg·K)基于Jackson关联式,适用于垂直圆管中流动,对无浮升力影响以及浮升力影响较大的试验数据,95%的试验点均落在偏差±20%内9Liao和Zhao[30]Nu=0.124Re0.8wPr0.4bGrRe2b()0.203ρwρb()0.842CpCp,b()0.384Nu=0.354Re0.8wPr0.4bGrRe2.7b()0.157ρwρb()1.297CpCp,b()0.296Nu=0.643Re0.8wPr0.4bGrRe2b()0.186ρwρb()2.154CpCp,b()0.751适用条件:3个关联式由上而下分别适用于水平圆管、竖直圆管向上流动以及竖直圆管向下流动针对细微管道换热过程,引入Gr/Reb2(水平圆管)和Gr/Reb2.7(竖直圆管)因子,主要用于计算平均对流换热系数,不能揭示局部传热强化或恶化规律 10Kim等[44]Nu=0.024 3Re0.8bPr0.4ξMξF()CpCp,b()0.6ρwρb()nξMξF=8τwρbu2b1.82Reb-1.5()-2,τw=ρu2f,n=0.995-0.008 7qG+1.3×10-5qG()2式中,ξM为混合对流下的摩擦因数;ξF为强制对流下的摩擦因数;ub为流速,m/s;uf为摩擦速度,m/s;τw为剪切应力,kg/(m·s2)关联式中引入摩擦阻力系数修正项来考虑浮升力的影响,与90%试验数据偏差在±20%以内

续表

序号文献换热关联式说明11Zhang等[35]Nu1b=0.00672Re1.414bPr0.005CpCp,b()0.218ρwρb()0.448Bu0.586Nu2b=0.056Re0.829bPr0.35CpCp,b()0.214ρwρb()-0.095Bu0.142适用条件:当hb<0.9hpc时选用Nub1,反之选用Nub2P=7.5~10.5 MPa,G=50~200 kg/(m2·s),q=5~60 kW/m2关联式引入Bu项考虑浮升力的影响,揭示垂直管低质量流率sCO2传热规律,97.54%试验数据偏差在±20%以内12Zhang等[45]NuNuD-B=1±2.3×103GrRe2.625Pr0.4μwμb()0.56NuNuD-B()0.5[-104q+Re0.625μwμb()0.56NuNuD-B()0.5]0.53ρwρb()0.3CpCp,b()nq+=qβGCP0.31或h/hD-B<0.3,n=0.55式中,μ为动力黏度,Pa·s;D-B为Dittus-Boelter公式;q+为无量纲热流密度考虑sCO2物性梯度、加热速率、浮升力及壁面处与流体平均温度差异的影响,适用于Bo<10-4的流动工况,通过对不同文献中2 800余个数据点计算分析,81.77%试验数据偏差在±20%以内

3.2 sCO2PCHE中流动传热特性

PCHE是一种新型的紧凑型换热器,由多片刻蚀相当数量微通道的板组成,具有传热效率高、耐高温高压等优势。凭借紧凑高效等特点,PCHE在SCO2循环系统中具有广阔的应用前景。近年来,国内外学者围绕sCO2在PCHE中的传热特性与压降进行了大量试验与数值模型研究。

Khan等[46]对sCO2在直流微通道和Z型微通道PCHE的流动与传热进行了数值研究,分析了其在不同雷诺数下的传热特性及流动特性,证明Z型微通道比支流通道有更好的流动传热特性。Nikitin等[47]对不同温度、压力和质量流率的sCO2在Z形PCHE中的传热特性进行了试验与数值分析,针对流体雷诺数提出sCO2在PCHE冷端与热段的传热和摩擦因子(friction factor,f)的经验关联式。由于sCO2在PCHE换热过程中压降损失较大,如何降低压降损失并保持sCO2在PCHE中的良好传热特性一直是研究热点。Tsuzuki等[48]提出并优化了一种S型微通道PCHE,并得出结论在相同的传热特性下,S型PCHE中sCO2的压降是Z型PCHE的1/5。Kim 等[49]提出一种新型翼型翅片结构微通道PCHE,其工质压降为传统Z型通道的1/20。Saeed等[50]对sCO2在不同微通道结构的PCHE中流动与传热特性进行了数值分析,结果表明在大雷诺数范围内,PCHE的通道结构对流体参数的变化异常敏感,并建议在不同的雷诺数范围内必须建立不同的经验关联式。sCO2在PCHE中相关准则方程见表2。

3.3 sCO2流动传热特性的数值模拟

许多学者利用数值计算的方法模拟了管内sCO2的流动与传热特性,主要通过CFD预测sCO2在加热或冷却过程中的传热特性。在已报道的研究成果中,sCO2流动与传热特性的数值模拟主要采用湍流模型,其中LRN k-ε模型对于sCO2流体具有更高的精确性,目前管内sCO2流动与传热特性的数值模拟采用最广泛。此外,许多学者针对特定的物理模型建立了不同的sCO2传热数学模型。Pitla等[25]开发了一种用于模拟sCO2在套管式换热器中传热特性的数学模型,其中sCO2在管内流过,水在环形管道内流过。Cao等[52]基于SIMPLE算法研究了sCO2在水平细圆管和三角管中的流动和传热特性,并指出管壁与流体在未达到热平衡状态之前,浮升力可以强化换热,在临界点附近尤为明显。Choi等[53]基于SIMPLE算法,采用迎风格式处理流量变量,研究sCO2在微孔介质中的传热特性,结果表明随着雷诺数增加,壁面摩擦系数与努塞尔数近似呈线性增加。

4 展 望

表2 sCO2在PCHE中的传热与流动关联式

Table 2 Heat transfer and flow correlations of sCO2 in PCHE

序号文献适用范围流动与传热准则方程说明1Nikitin等[47]热侧:2 800≤Re≤5 800冷侧:6 200≤Re≤12 100热侧:f=-1.402±0.087()10-6Re+0.044 95±0.000 38()h=2.52Re0.681冷侧:f=-1.545±0.099()10-6Re+0.093 18±0.000 90()h=5.49Re0.625基于Z字形微通道PCHE试验数据拟合得出,并考虑了试验过程芯体和管箱的散热损失,但关联式仅考虑Re影响2Ngo等[51]3 500≤Re≤22 0000.75≤Pr≤2.2Nu=0.169 6±0.014 4()Re0.629±0.009Pr0.317±0.014热侧:f=0.339 0±0.028 5()Re-0.158±0.009冷侧:f=0.037±0.129 3()Re-0.154±0.036基于Z型和S型微通道PCHE试验数据拟合得出,并在Nu准则方程中引入Pr对传热系数的影响3Kim等[49]鳍角100°:2 000≤Re≤58 000鳍角115°:2 000≤Re≤55 000鳍角100°:f=0.251 5±0.009 7()Re-0.203 1±0.004 1Nu=0.029 2±0.001 5()Re0.813 8±0.005鳍角115°:f=0.288 1±0.212()Re-0.132 2±0.007 9Nu=0.018 8±0.003 2()Re0.874 2±0.016 2基于翼型翅片结构微通道PCHE数值模拟得出,并针对不同翼片鳍角提出不同的准则方程

sCO2布雷顿循环作为动力循环的主要优势是效率高、结构简单、系统紧凑、热源适应性广,有望在下一代核反应堆、燃煤电站、余热回收及可再生能源(太阳能、地热能等)领域得到大规模应用。鉴于我国以煤为主的能源结构及严峻气候挑战,sCO2动力循环与富氧燃烧、流化床锅炉、煤气化等技术结合为我国实现煤炭清洁高效低碳利用提供了新的思路。CO2减排在未来几十年将是燃煤发电的主要研究方向,具有更大效率优势和固有碳捕捉能力的直接加热式sCO2循环燃煤发电技术将引起更多学术界和工业界的关注,具有良好的应用前景。结合我国能源结构,将sCO2布雷顿循环应用于燃煤电站更具现实意义,建议今后的研究工作重点关注以下方面:

1)系统设计。间接加热式sCO2循环取代蒸汽朗肯循环应用于燃煤电站,结合燃煤热源的特点,优化sCO2循环流程设计,改进锅炉布置,解决目前间接加热式sCO2循环燃煤电站存在的热源处工质温升小、工质流量大、压降大、锅炉尾部排烟温度高等问题;开发效率更优、可实现完全碳捕集的直接加热式sCO2循环燃煤电站系统,可从气化类型、热量集成、流程配置等方面入手,优化系统整体性能,提高系统经济性;关注sCO2循环系统动态响应特性和非设计点性能,特别是系统在启停、紧急响应、负荷调整状态下系统的运行情况,提出sCO2循环系统的运行控制策略。

2)基础理论。目前关于sCO2工质的传热研究都是在小型试验装置上,流动和真实锅炉差距很大,应该加强在大型工程试验装置上的测试;目前关于煤合成气或煤粉在sCO2气氛下的燃烧特性试验报道较少,缺乏超临界条件下的燃烧特性参数,应开展sCO2条件下燃烧试验研究,建立超临界条件下的反应动力学机理;目前材料在sCO2气氛下的腐蚀行为研究存在获取时间较短的问题,更长试验时间、更真实的腐蚀试验有待进一步研究。

3)设备研发。国内外都在积极开展sCO2循环系统中关键部件设备的研发,主要集中在CO2压缩机、先进CO2透平、大容量回热器等,目前在实验室和小试规模阶段,应加快开展中试规模测试,积累测试数据和研发基础,推动sCO2循环燃煤电站早日商业化应用;针对直接加热式sCO2循环燃煤电站,面对系统更高参数的挑战需开发新型高温高压的燃烧室,同时为避免煤炭燃烧生成的颗粒物对循环中设备的安全运行和寿命造成威胁,研发高温高压条件下的高温除尘装置。

5 结 语

本文针对sCO2布雷顿循环工作原理及特性、应用于燃煤电站的技术方案与工质传热特性的研究进展进行了综述,介绍了间接式与直接式sCO2循环应用于燃煤电站发电的多种技术方案,总结了sCO2作为工质在圆管及PCHE内的对流传热特性,对今后的sCO2循环燃煤电站系统设计及其换热面布置研究工作具有一定参考意义。目前我国关于sCO2循环发电的研究尚处于起步阶段,与国外研究存在一定差距。《中国制造 2025—能源装备实施方案》正式提出发展sCO2循环发电技术,是缩小与国外差距、快速发展sCO2循环燃煤发电技术的重要机会。研究机构和企业应抓住这一重大发展机遇,依托超超临界燃煤发电机组和IGCC电站技术积累,加速推动sCO2循环燃煤发电技术的研发进程。

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Research progress on supercritical CO2 Brayton cycle and its working fluid heat transfer characteristics for coal-fired power generation

WU Ke,BAO Zhongkai,DUAN Lunbo,Huang Yu

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control,Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract:The main advantages of the supercritical carbon dioxide(sCO2) Brayton cycle as a power cycle are high efficiency,simple structure,compact system and wide heat source adaptability,which is expected to be widely used in the next generation of nuclear reactors,coal-fired power plants,waste heat recovery and renewable energy(solar energy,geothermal energy,etc.) fields. As a new type of power cycle working fluid,sCO2 has mild critical point conditions(31.1 ℃/7.38 MPa),and its physical properties change sharply near the critical point. In view of the coal-based energy structure and severe climate challenges in China,the combination of sCO2 power cycle with oxy-fuel combustion,fluidized bed boilers,coal gasification and other technologies provides new solutions to achieve clean,efficient and low-carbon utilization of coal. In this paper,the properties of sCO2 were firstly analyzed,then the basic principles of two types of indirect-fired and direct-fired sCO2 Brayton cycles were introduced,and then the research progress of sCO2 power cycle applied to coal-fired power stations was summarized. The development of sCO2 cycle coal-fired power plant can be divided into the following two paths:① the indirect-fired sCO2 cycle instead of steam Rankine cycle,which is used in coal-fired power stations,and is combined with technologies such as pulverized coal boilers,circulating fluidized bed boilers,and oxy-fuel combustion;② the direct-fired sCO2 cycle coal-fired power station has higher efficiency and inherent carbon capture,which can compete with the IGCC power station with carbon capture and storage(CCS) system. And then a variety of technical solutions of sCO2 power cycle applied to coal-fired power station were analyzed,including the advantages,technical challenges and development directions of different types. Next,the experimental research and heat transfer characteristics of sCO2 in conventional round pipe,thin round pipe,micro round pipe,and printed circuit heat exchanger(PCHE) were elaborated. Also,the empirical correlations of sCO2 flow and heat transfer in circular tubes and PCHE were summarized and analyzed. At the same time,the numerical simulation methods of sCO2 heat transfer were presented. Finally,from the basic theory,system study and equipment development,the shortcomings of the existing research and prospects for future research were pointed out,which had reference significance for the future development of coal-fired sCO2 cycle power station technology. The CO2 emission reduction will be the main research direction of coal-fired power station in the next few decades. The direct-fired sCO2 cycle coal-fired power generation technology with higher efficiency and inherent carbon capture will attract more attention from academics and industry. In China,it is more practical to apply the sCO2 Brayton cycle to coal-fired power plants. At present,there is a considerable gap between China with foreign countries on the research of sCO2 cycle power station technology. We should rely on the technology accumulation of ultra supercritical coal-fired power plants and IGCC power plants to rapidly promote the research and development of the technology of coal-fired sCO2 cycle power station in China.

Key words:supercritical carbon dioxide;Brayton cycle;indirect-fired;direct-fired;coal-fired power plant;heat transfer;PCHE

中图分类号:TM621X701

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2020)01-0009-13

收稿日期:2020-02-18;

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.20021802

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基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB0605301-01)

作者简介:吴 柯(1994—),男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向为燃煤超临界二氧化碳循环系统。E-mail:cauchyw@163.com。

通讯作者:段伦博,教授,主要从事洁净煤燃烧、污染物控制及CO2减排利用方面的研究。E-mail:duanlunbo@seu.edu.cn

引用格式:吴柯,鲍中凯,段伦博,等.燃煤sCO2布雷顿循环及其工质传热特性研究进展[J].洁净煤技术,2020,26(1):9-21.

WU Ke,BAO Zhongkai,DUAN Lunbo,et al.Research progress on supercritical CO2 Brayton cycle and its working fluid heat transfer characteristics for coal-fired power generation [J].Clean Coal Technology,2020,26(1):9-21.