褐煤抽气预干燥超临界二氧化碳循环发电系统性能分析_张旭伟.pdf

第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*褐煤抽气预干燥超临界二氧化碳循环发电系统性能分析张旭伟,白文刚,高炜,李红智,姚明宇(西安热工研究院有限公司,7 1 0 0 5 4,西安)摘要:为了提高褐煤发电系统能效,提出了一种基于抽气预干燥的褐煤超临界二氧化碳循环发电系统。首先以高温回热器热侧出口工质携带的高温热量为热源预热褐煤,使褐煤中的水分蒸发。其次预干燥褐煤抽气工质在干燥机中放热后,可以进入低温回热器加热冷侧低温工质,减少能量损失。基于热力学第一、第二定律,建立了新型超临界二氧化碳动力循环褐煤发电系统与褐煤预干燥系统高效耦合热力计算模型,并对直燃褐煤发电系统和褐煤抽气预干燥发电系统进行对比分析。以内蒙古锡林浩特胜利煤田原煤为例进行计算,结果表明:相比于直燃褐煤发电系统,褐煤抽气预干燥发电系统通过利用高温抽气干燥褐煤,可以使发电效率提高1.5 0%,发电标准煤耗率降低8.4 1g(kWh)-1;进一步分析结果显示,系统能效的提高主要得益于锅炉燃烧损的降低,预干燥褐煤使得锅炉燃烧损降低4.4 7%,故系统效率提高1.3 4%;干燥机效率和褐煤干燥程度越高,褐煤抽气预干燥发电系统节能潜力越大。关键词:超临界二氧化碳动力循环;褐煤;抽气预干燥;分析中图分类号:T K 1 1+4 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 0 8 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 0 7 8-0 9P e r f o r m a n c eA n a l y s i so fS u p e r c r i t i c a lC O2L i g n i t e-F i r e dP o w e rP l a n tI n t e g r a t e dw i t hG a sE x t r a c t i o nP r e-D r y i n gS y s t e mZ HANGX u w e i,B A IW e n g a n g,GAO W e i,L IH o n g z h i,YAO M i n g y u(X ia nT h e r m a lP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d,X ia n7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:T o i m p r o v et h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f t h el i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n t,as u p e r c r i t i c a lC O2l i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n t i n t e g r a t e dw i t hg a se x t r a c t i o np r e-d r y i n gs y s t e mi sp r o p o s e d.F i r s t l y,t h eh i g ht e m p e r a t u r eh e a t c a r r i e db yt h ew o r k i n gm e d i u ma t t h eh o ts i d eo u t l e to f t h eh i g ht e m-p e r a t u r er e g e n e r a t o r i su s e da s t h eh e a t s o u r c e t op r e h e a t t h e l i g n i t e t oe v a p o r a t e t h ew a t e r i nt h el i g n i t e.S e c o n d l y,t h ew o r k i n gf l u i da f t e rr e l e a s i n gh e a t i nt h ed r y e re n t e r st h e l o wt e m p e r a t u r er e g e n e r a t o r t oh e a tt h el o wt e m p e r a t u r ew o r k i n gf l u i do nt h ec o l ds i d et or e d u c ee n e r g yl o s s.B a s e do nt h e f i r s t a n ds e c o n d l a w so f t h e r m o d y n a m i c s,t h e t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o nm o d e l o f an o v e lh i g h-e f f i c i e n c yc o u p l e ds y s t e mo f s u p e r c r i t i c a lC O2l i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n t a n dg a se x t r a c-t i o np r e-d r y i n gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e d,a n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i si sm a d eb e t w e e nt h ed i r e c t-f i r e dl i g n i t ep o w e rp l a n ta n dt h el i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n ti n t e g r a t e d w i t hg a se x t r a c t i o np r e-*收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 4。作者简介:张旭伟(1 9 9 3),男,工程师;李红智(通信作者),男,研究员。基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 2 0 Y F F 0 2 1 8 1 0 4)。网络出版时间:2 0 2 2-1 0-0 6 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 0 9 2 9.2 1 2 3.0 0 2.h t m l 第1期张旭伟,等:褐煤抽气预干燥超临界二氧化碳循环发电系统性能分析 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n d r y i n gs y s t e m.T a k i n gt h el i g n i t ef r o mt h eS h e n g l ic o a l f i e l di nX i l i n h o t,I n n e rM o n g o l i aa sa ne x a m p l e,t h ec a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u t.R e s u l t ss h o wt h a tt h eg a se x t r a c t i o np r e-d r y i n gl i g n i t ec a n i n c r e a s e t h ep o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yb y1.5 0%a n dr e d u c e t h es t a n d a r dc o a l c o n s u m p t i o nr a t eb y8.4 1g(kWh)-1.E x e r g ya n a l y s i sf u r t h e rs h o w st h a tt h eg a se x t r a c t i o np r e-d r y i n gl i g n i t er e d u c e s t h ec o m b u s t i o ne x e r g yd e s t r u c t i o no ft h eb o i l e rb y4.4 7%,w h i c hi n c r e a s e st h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h el i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n tb y1.3 4%.A n dt h ei m p r o v e m e n to fs y s t e me x e r g ye f f i c i e n c y i sm a i n l yc o n t r i b u t e d t o t h e r e d u c t i o no f t h e e x e r g yd e s t r u c t i o nd u r i n g t h eb o i l e rc o m b u s t i o n.T h eh i g h e r t h ed r y e r e f f i c i e n c ya n d t h e l i g n i t ed r y i n gd e g r e e,t h eg r e a t e r t h e e n e r g y-s a v i n gp o t e n t i a l o f t h e l i g n i t e-f i r e dp o w e rp l a n t i n t e g r a t e dw i t hg a s e x t r a c t i o np r e-d r y i n gs y s t e m.K e y w o r d s:s u p e r c r i t i c a lC O2p o w e rc y c l e;l i g n i t e;g a se x t r a c t i o np r e-d r y i n g;e x e r g ya n a l y s i s 2 0 2 1年,我国发电装机容量2 3.7 7亿千瓦,其中火电装机容量1 2.9 7亿千瓦,占比高达5 4.5 6%,火力发电仍然是我国的主要发电方式1。同时,基于我国多煤、贫油、少气的能源结构特点,煤炭将长期作为我国火力发电的主体燃料。超临界二氧化碳动力循环作为当前学术界及工业界研究的热点,具有效率高、系统紧凑、灵活性高以及成本低等优势2-5,构建基于超临界二氧化碳动力循环原理的新型燃煤发电系统,可以显著提高燃煤发电效率,对我国节能减排及碳达峰、碳中和目标的实现具有重要意义。国内外学者对超临界二氧化碳循环燃煤发电系统进行了大量研究。M e c h e r i等6提出了基于再压缩超临界二氧化碳循环的燃煤发电系统。B a i等7提出从再压缩机出口分流低温工质回收锅炉尾部中低温烟气热量更有利于提高发电效率。P a r k等8研究表明超临界二氧化碳循环燃煤发电系统相比传统蒸汽朗肯循环发电机组具有更高的发电效率和更低的发电成本。L i u等9对比分析了水蒸气和超临界二氧化碳工质的燃煤发电系统,揭示了超临界二氧化碳循环燃煤发电系统节能的本质。L i u等5综合考虑了系统冷端和热端特性对超临界二氧化碳循环燃煤发电系统构型进行优化,结果显示一次再热和一 次 间 冷 对 系 统 性 能 提 升 较 为 显 著。冯 雪 佳等1 0提出了一种基于煤富氧燃烧的超临界二氧化碳再压缩循环复合发电系统,可以提高机组热经济性。吴佐莲等1 1提出了一种煤基超临界二氧