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工業能耗佔我國總能耗的70%以上，工業生產在消耗大量化石能源的同時產生了大量餘熱資源。其中，電力、鋼鐵、石化等行業中，高達20%～50%的餘熱以不同載體攜帶排向或耗散至環境，以煙氣為介質的餘熱佔總餘熱資源的比例高達50%。品位較高的中高溫工業窯爐煙氣餘熱具有很高的動力回收價值，合理、高效地回收利用該部分餘熱資源是工業節能減排的重要組成。
近年來，CO2作為熱力循環工質受到廣泛關注。尤其在中高溫領域，以超臨界CO2為工質的循環受到重視。應用於中高溫煙氣餘熱回收，超臨界狀態CO2的吸熱過程可良好匹配於煙氣的大溫降放熱過程，但目前尚存以下問題：簡單的跨(超)臨界循環透平出口乏汽溫度高、顯熱量大，不加以利用則造成大量熱量浪費、循環效率低；回熱、再壓縮等循環形式雖然有效回收了乏汽攜帶的顯熱量，但會抬高吸熱過程中工質在主氣體加熱器的入口溫度，降低煙氣的熱利用率，總體上對淨輸出功率的收益不明顯。
本文針對於跨臨界CO2動力循環在中高溫煙氣餘熱動力回收存在的問題，構建了一種相對簡單的復疊跨臨界循環形式，在400～500 ℃煙氣熱源下，以單位質量煙氣的系統淨輸出功率為目標函數，分析該循環的熱力學性能，考察關鍵參數對循環性能的影響。並與簡單循環和回熱循環進行了優化對比分析，以考察復疊循環的熱力學性能改善程度。
摘要：工業窯爐存在大量的中高溫煙氣餘熱，現有的動力循環或工質存在難以有效回收大溫降煙氣餘熱的問題。提出以CO2為工質的復疊跨臨界動力循環，以單位質量煙氣的循環淨功率最大為優化目標，在400和500 ℃的煙氣熱源條件下，研究循環參數對循環性能的影響規律。重點分析了工質分流質量比、吸熱壓力對回熱過程換熱匹配特性以及循環性能的影響，並對簡單循環、回熱循環和復疊循環進行了優化對比。結果表明，復疊循環中，上下級循環的回熱匹配是影響循環性能的重要因素，通過調節工質泵出口的工質分流比x以改善回熱匹配性，煙氣初溫400和500 ℃下，最優的工質分流比0.6和0.7。吸熱壓力的增加有利於循環淨輸出功率的增加，煙氣初溫500 ℃下，吸熱壓力由20 MPa增至35 MPa時，淨功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅為22.49%；對各部件而言，提高吸熱壓力可增加高、低溫透平輸出功率，但對回熱功率的作用相反；20～35 MPa內隨吸熱壓力的升高，低溫透平輸出功率佔比由31.4%降至27.3%，吸熱壓力對高溫透平的性能影響更明顯。對比3種跨臨界CO2循環，簡單循環的熱效率和淨功率均最低，回熱循環具有最高的熱效率，復疊循環輸出最高的淨功率。煙氣初溫400 ℃下，復疊循環的淨功率比簡單循環和回熱循環分別高22.2%和6.1%；煙氣初溫500 ℃下，分別高35.7%和12.5%。
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循環介紹
圖1 復疊跨臨界CO2動力循環系統示意
圖2 復疊跨臨界CO2動力循環T-s圖
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結果與討論
2.1 高溫透平入口工況對乏汽參數的影響
乏汽溫度與膨脹初壓呈現負相關關係，在透平入口溫度485和385 ℃下，隨著壓力由20 MPa升至35 MPa，乏汽溫度變化區間分別為346.6～287.8 ℃和259.9～202.0 ℃。對於簡單跨臨界循環，相當於200 ℃以上的餘熱排向環境，造成浪費，導致循環平均放熱溫度高、效率低。對於回熱循環，過高的乏汽溫度勢必會引起回熱器被加熱側流體溫升較大，進而導致煙氣排溫較高。研究表明，煙氣初溫400和500 ℃時，煙氣排溫分別為159.7和186.3 ℃，循環對煙氣餘熱源的利用率受限。對於復疊跨臨界循環，高溫透平乏汽溫度影響底級循環的溫度上限，同時也影響底級循環的吸熱量及熱量品質，進而影響底級循環的循環性能。
圖3 吸熱壓力對乏汽溫度的影響
2.2 回熱過程匹配性影響分析
低溫流體(吸熱流體)壓力較高，平均比熱容較大，在加熱過程中由超臨界液相變化至超臨界流相，比熱容變化較為明顯；高溫流體(放熱流體)為亞臨界氣相，平均比熱容較小，在冷卻過程中比熱容變化平緩。當分流比x較小時，吸熱流體的平均比熱容明顯小於放熱流體的平均比熱容，因此，放熱流體的溫降小於吸熱流體的溫升，此時傳熱窄點位於回熱器高溫端，低溫端傳熱溫差較大，低溫端差為154.6 ℃。在較高的分流比x下，吸熱流體的平均比熱容明顯高於放熱流體的平均比熱容，放熱流體的溫降高於吸熱流體的溫升，此時傳熱窄點位於回熱器的低溫端，高溫端傳熱溫差較大，高溫端差為152.6 ℃。另外，窄點位於低溫端時，底級循環可充分回收高溫乏汽的餘熱，此時回熱功率保持最大值209.5 kW；隨著x的減少，窄點位置逐漸移動至高溫端，被加熱流體所需加熱量逐漸減少，不斷抬高回熱器放熱流體出口溫度，如x=0.3時，回熱功率為93.4 kW。
圖4 回熱過程兩側流體換熱匹配
2.3 分流比x對循環性能的影響
隨著x的增加系統淨功率呈現先增長後降低的趨勢，最優值點在煙氣初溫400和500 ℃時，分別為0.6和0.7，最優值點受吸熱壓力的影響不明顯。在既定煙氣熱源參數和高溫透平入口參數下，頂級循環的工質質量流量及透平輸出功率不受分流比x的影響，保持不變。
圖5 分流比x對系統淨輸出功率的影響
隨著x的增加，回熱器的換熱功率先增大後保持不變。低溫透平入口溫度隨x的增加不斷降低，導致單位工質質量流量下的低溫透平做功降低，但因工質質量流量的增加，低溫透平總輸出功率呈現先快速增加後緩慢增加的變化，總體趨勢與回熱功率變化曲線基本一致，表明低溫透平的做功主要受回熱量的影響。但因工質泵耗功隨x的增加單調遞增，最終導致系統淨輸出功率存在最優值，最優值點的位置與回熱功率剛好達到最大值時的位置保持一致，即此時底級循環在保證充分吸熱的前提下，儘可能保持了較高的循環溫度上限及循環熱效率。
圖6 分流比x對系統部件功率的影響
2.4 吸熱壓力對循環性能的影響
隨著吸熱壓力的升高，淨輸出功率和熱效率均提高，但增長幅度有所降低。以x=0.6示例，吸熱壓力由20 MPa增至35 MPa時，淨功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅為22.49%，熱效率由25.5%增至31.2%，淨增值為5.7%。在材料強度允許範圍內，提高循環吸熱壓力有利於改善循環的熱力學性能。
圖7 吸熱壓力對淨功率和熱效率的影響
隨著吸熱壓力的升高，超臨界加熱器進出口工質的比焓差值逐漸降低，導致工質的質量流量不斷增加，但乏汽溫度不斷降低，總體來看高溫乏汽在回熱器內部的放熱量隨壓力的升高而遞減。高、低溫透平輸出功率均隨吸熱壓力的升高而增加，提高吸熱壓力對高溫透平性能提升效果更明顯。
圖8 吸熱壓力對透平輸出功率和回熱功率的影響
2.5 循環優化結果及對比分析
復疊循環的淨輸出功率分別為96.3和147.1 kW，熱效率分別為28%和31.9%。
各類循環的熱效率和淨功率均與吸熱壓力成正比。簡單跨臨界CO2循環在相同溫度和壓力下，均輸出最低的淨輸出功率和熱效率，主要原因在於中高溫工況下透平乏汽攜帶的大量顯熱被直接外排、未加以利用。回熱循環輸出最高的熱效率(2種熱源條件下分別為32.8%和35.6%)，但其淨功率介於簡單循環和復疊循環之間。主要由於其高溫乏汽餘熱用以預熱高壓側工質，但因換熱量大造成回熱器出口工質溫度較高，過分抬高煙氣出口溫度，導致煙氣熱利用率下降、吸熱量減少，從而減緩了系統淨功率的增加。復疊循環中，下級循環可較充分地回收利用上級循環的乏汽顯熱，但下級循環透平乏汽依然損失部分廢熱(煙氣初溫500 ℃時，低溫透平乏汽高達100 ℃)，因此其熱效率雖較簡單循環有明顯提升，但仍低於全回熱循環。此外，復疊循環與煙氣的換熱過程與簡單循環保持一致，即可充分回收煙氣之顯熱，加之低溫透平額外輸出功，因此復疊循環的淨輸出功率為三者最高。
圖9 各循環在不同吸熱壓力下的淨功率和熱效率對比
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結論
1）本文針對現有跨臨界CO2循環難以有效回收中高溫煙氣餘熱的問題，構建了復疊式跨臨界CO2循環，以淨輸出功率為優化目標，開展了循環參數性能影響分析；並對充分優化後的簡單跨臨界循環、回熱跨臨界循環與復疊跨臨界循環開展了對比分析。復疊循環中，上下級循環的回熱匹配是影響循環性能的重要因素。通過調節工質泵出口的工質分流比x以改善回熱匹配性，最優工況為同時保證下級循環充分吸熱和足夠的溫度上限；煙氣初溫400和500 ℃下，最優的工質分流比0.6和0.7。
2）吸熱壓力的增加有利於循環淨輸出功率的增加；對各部件而言，提高吸熱壓力可增加高、低溫透平輸出功率，但對回熱功率的作用相反；低溫透平輸出功率佔比隨吸熱壓力的升高而降低，吸熱壓力對高溫透平的性能影響更明顯。
3）對比3種跨臨界CO2循環：簡單循環、回熱循環和復疊循環，簡單循環的熱效率和淨功率均最低，回熱循環具有最高的熱效率，復疊循環輸出最高的淨功率。煙氣初溫400 ℃下，復疊循環的淨功率比簡單循環和回熱循環分別高22.2%和6.1%；煙氣初溫500 ℃下，分別高35.7%和12.5%。
引用格式
李成宇,高振強,高明雲,等.中高溫煙氣餘熱動力回收的復疊跨臨界CO2動力循環熱力學分析[J].潔淨煤技術,2020,26(5):70-76.
LI Chengyu,GAO Zhenqiang,GAO Mingyun，et al.Thermodynamic analysis of cascading transcritical power cycle using CO2 for waste heat recover from medium and high temperature flue gas[J].Clean Coal Technology，2020,26(5):70-76.
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