热力发电循环的改进思路及设想

摘要：随着控制技术的不断进步，热力循环的精确控制成为可能，气体压缩、燃料燃烧、做功设计将更为合理，能够达到更高的效率。根据热力系统流程提出两种思路，设计气体压缩流程，一种采用燃煤循环，锅炉采用表面式换热，工质的温度可以达到600℃；另一种采用燃气循环，燃料和空气混合燃烧，可以达到1600℃的高温，生成的高温工质进入透平做功，带动发电机发电，两种循环经合理设计后均可以达到更高的效率。

关键词：热力循环；控制；气体压缩；燃煤循环；燃气循环；效率

1 热力发电循环的思路

1.1 当前的发电循环构成

（1）蒸汽朗肯循环

现在常见的燃煤发电机组即为朗肯循环，朗肯循环易于实现，至今已有百年的历史。朗肯循环采用水作为工质，利用给水泵获得工质压力，通过锅炉加热完成水的加热、相变、蒸汽的过热，最后通过高温高压蒸汽推动汽轮机发电。

燃煤循环采用的朗肯循环由于存在水的汽化凝结，造成汽轮机纯凝工况存在过大的冷源损失，大量的热量随蒸汽的凝结释放，并由循环水带走，并排入大气，大量的热量白白的损失掉。这也造成大气环境的湿度和温度受到影响，并和灰尘形成气溶胶污染。

蒸汽循环的参数变化图、温熵图、焓熵图如下。

从蒸汽循环的焓熵图可以看出，3-0过程给水经给水泵加压,0-1锅炉吸收热量变为过热蒸汽，1-2过程过热蒸汽在汽轮机做功，2-3水蒸气凝结放出热量，造成巨大的潜热冷源损失，这部分热量被排入大气。

为了提高燃煤机组的效率，常见的做法是提高蒸汽的初参数，提高蒸汽的温度和压力。提高蒸汽参数受到金属材料的影响，压力过高会造成金属容器和换热管束壁厚过大，影响传热效果，温度过高则会造成金属部件的损坏。目前超超临界蒸汽机组压力已达到30MPa，温度600℃，目前630℃、650℃金属材料的研究也在进行中。金属材料的应用已接近极限，效率提高受到限制。

关于蒸汽循环，以前提出过无凝结的蒸汽循环，保持整个循环位于水的相变线以上运行，避免冷源放热损失。蒸汽无凝结循环需要蒸汽压缩机群才能实现，系统较为复杂，由于在热力发电领域没有先例，尽管理论上能够实现，但未能开展尝试。

对于二氧化碳等高压气体循环也写过一些实现思路，并提出联合循环机组的闭式循环，并在科技期刊发表。该循环为采用二氧化碳作为主要工质热力发电循环，但需要对空气中的氧气进行分离，实现富氧燃烧，达到高效发电、并实现二氧化碳捕捉。

（2）燃气蒸汽联合循环

燃气循环是当前常见的发电循环，采用燃气轮机作为主设备，主循环为布雷顿循环。燃气循环用燃气和空气混合燃烧生成的烟气作为工质，推动透平旋转做功，带动发电机发电。由于燃气轮机排烟温度为600℃左右，为了利用这部分热量，采用蒸汽循环作为附加循环，带动发电机发电。

燃气轮机热通道部件技术先进，一直以来重型发电用燃气轮机的设计和制造技术依赖进口。当前先进的H级燃气轮机烟气温度达到1600℃，燃烧器、透平因国外技术壁垒，国内尚未完全掌握重型燃气轮机的制造技术。

1.2 热力发电循环的思路

（1）二氧化碳循环

二氧化碳循环采用二氧化碳循环作为工质，通过对二氧化碳进行加压，生成高压的二氧化碳，再经过锅炉的换热管束进行加热，获得高温高压的二氧化碳，推动透平做功，带动发电机发电。

常见的二氧化碳循环为类布雷顿循环，温熵图如下图所示。其中1-2为绝热压缩、2-3为等压加热，3-4为绝热膨胀，4-1为等压放热。由于存在4-1过程初始点的温度较高（单循环在600℃左右），导致等压放热过程热量损失较大。

（2）二氧化碳循环的优化思路一

二氧化碳循环采用二氧化碳循环作为工质，常见的二氧化碳循环采用压缩机对二氧化碳气体进行压缩后送入锅炉加热器进行加热，最高压力为压缩机出口压力p，为了维持循环，需保证加热器等下游系统设备的的压力均小于p。这就造成高温高压气体的初压力较低，膨胀做功能力减弱。

如果在循环中利用气体工质状态特性pv=RT，则可通过加热，升高气体温度，同时获得更高的气体压力p1。

如对于常温状态下2MPa的气体，如环境温度27℃，则绝对温度为300K，如通过加热方式升高气体温度至600℃（873K），则可获得压力5.82MPa。通过压缩机将气体压力升高至5.82Mpa压力耗功将是巨大的，但通过加热方式获得较为容易实现。

如图所示，在压缩机后面设置逆止阀，防止高压气体回流，通过控制阀控制多个加热器，通过分别加热的方式提高气体压力，并在压力升高至所需参数后分别向透平进行供气。供气结束后重新由压缩机充入气体，再次进行加热，通过集群的方式获得连续的高温高压气体供应。

温熵图较布雷顿循环有所变化。2-3过程为类似定容的加热过程，变为压力温度同时变化的热力过程，假设最终温度不变，压力将得到提高，3点的位置将向左移动，熵增将大幅减小，同时热效率得到提高。

（3）二氧化碳循环的优化思路二

改进思路1为采用集群的方式为透平提供连续的高温高压气体供应，如采用带有逆止功能的流体输送装置，能够大幅简化系统。由于带有逆止功能的流体输送装置流量较少，应用不多，需要进行设计。

如图所示，二氧化碳气体经压缩机加压，通过后部的流体输送装置向锅炉加热器进行供气，气体在经过加热后，压力和温度均得到提高，由于流体输送装置具有逆止功能，高压气体不会回流，将通过管路系统送至透平膨胀做功，将会获得更高的效率。

温熵图较布雷顿循环有所变化。2-3过程变为压力温度同时变化的热力过程，假设最终温度不变，3点的位置将向左移动，熵增将大幅减小，同时热效率得到提高。

（4）压缩空气循环及优点

二氧化碳工质不具有助燃功能，如采用压缩空气作为工质，则可在高压气体后部引入燃烧室，利用天然气燃烧将气体加热高更高温度。

如前所述，对于常温状态下2MPa的气体，如环境温度27℃，则绝对温度为300K，如通过天然气燃烧加热方式升高气体温度至1600℃（1873K），则可获得压力12.49MPa。同样通过普通压缩机将气体压力升高至12.49Mpa压力耗功将是巨大的，但通过加热方式获得较为容易实现。高压将会使工质的膨胀做功能力得到进行一步提升，效率得到更大幅度的提高。

具有逆止功能的流体输送功能可以采用容积式输送设备，目前容积式输送设备主要有齿轮压缩、螺杆压缩等，设备输送的流量较小，因此需要对输送设备进行全新设计。容积式流体输送设备输送流体具有连续性，较利用内燃机等设备用的活塞式点火加热容易实现，气体通过加热获得的高压也易于控制。

思路3的温熵图较上述两个方案有所变化。2-3过程变为压力温度同时变化的热力过程，假设最终温度达到1600℃，3点的位置将向上，并向左移动，4点仍在常压状态，热力过程的熵增也将大幅减小，同时热效率得到更大提高。

从当前先进的燃气轮机技术可以看出，压气机压比的提高对效率提高具有显著作用，压比提高可以使高温的高压气体膨胀路径加长，在透平中获得的焓降更多，效率更高。如果能将气体初压升高，并和温度匹配，在透平出口获得常温常压气体，则能获得更高的循环效率。

2 当前相关热力循环研究

2.1 压缩空气储能

压缩空气储能作为新能源受到科研人员的重视，采用高压压缩空气储能能够提高能源利用效率，并用于电网调峰。首先利用低谷低价电将空气压缩到大的密闭腔室，如废弃的油气矿井洞穴，用压缩机将大量的空气压缩至10MPa以上，在用电高峰时利用压缩空气带动膨胀设备发电，利用峰谷电价差获得收益。我国可研机构就压缩空气储能进行了研究，并在江苏金坛等地进行了试验和示范，项目热力效率可以达到60%-70%。

2.2 二氧化碳发电循环

国内西安热工院、华能等单位开展了二氧化碳热力循环的搭建，并制造了二氧化碳循环的样机，开展了热力试验。目前完成5MW机型的试验，采用二氧化碳作为工质，利用压缩机对二氧化碳进行压缩，加热后利用透平进行发电，获得的效率远高于普通的燃煤机组。

二氧化碳气体分子量为44，较蒸汽循环的水蒸气18密度要大很多，由于二氧化碳密度较大，远高于水蒸气，因此二氧化碳循环设备体积会远小于蒸汽发电机组。二氧化碳临界点很低，在31.3℃以上，压力7.38Mpa即相变临界点，气液两项呈现相同状态。这就为全气相热量过程提供了便捷。相对而言，水的临界点为22.129MPa，374.15℃，实现全气相热力过程要复杂得多。

二氧化碳循环类似于布雷顿循环，二氧化碳经压缩机提高压力，然后进入锅炉加热，生成一定压力温度的高温高压二氧化碳，再进入透平膨胀做功，带动发电机发电。

3 高效热力循环的实现

目前蒸汽循环效率已达到极限，金属材料压力温度极限很难在短时间内得到攻克，只能通过改善循环、增加回热、再热流程来提高热力循环效率。对于纯凝机组而言，循环水带走的冷源损失仍是蒸汽循环的最大损失，是蒸汽循环存在的瓶颈所在。

为此研究二氧化碳循环、压缩空气循环，提高热力机组的发电热效率是十分必要的。

3.1 二氧化碳循环的实现

二氧化碳循环采用二氧化碳作为工质，由于其临界点参数较低，更容易实现全气相的热力循环，可以控制在整个热力过程不发生相变，避免气化潜热的影响。

二氧化碳循环作为工质，可以利用压缩机获得高压，利用锅炉进行加热，来获得高温高压。参照目前金属材料应用，二氧化碳可以达到的压力最高可选择30MPa，600℃。

由于气体压缩耗功较大，可以参照600℃的温度极限，选择气体最佳膨胀过程来选择压力参数。即二氧化碳膨胀做功结束后，排出的气体压力和温度接近于常温常压，达到最佳的转换效率。

估算气体压缩设备的效率可达90%，燃烧加热效率95%，透平效率90%，估算整体热力效率77%。因此二氧化碳循环可以达到更高的循环效率，远高于现在燃煤机组。

因二氧化碳分子量为44，工质功率密度远远大于蒸汽，同样功率下体积会更小。

3.2 压缩空气循环的实现

空气中主要为氮气、氧气等气体，临界点更低，更容易实现全气相热力循环，不必在热力过程中考虑相变的影响。

（1）压缩空气作为工质，可以利用压缩机获得高压，利用锅炉进行加热，来获得高温高压。参照目前金属材料应用，二氧化碳可以达到的压力最高可选择30MPa，600℃。

由于气体压缩耗功较大，可以参照600℃的温度极限，选择气体最佳膨胀过程来选择压力参数。即做功结束后，排出的气体压力和温度接近于常温常压，达到最佳的转换效率。压缩空气循环达到的热力效率和二氧化碳类似。

但由于压缩空气由79%氮气（分子量28），21%氧气（分子量32）构成，当量分子量约为29，工质密度小于二氧化碳，因此同功率下设备体积较二氧化碳大，但要远小于蒸汽循环。

（2）压缩空气具有助燃是特性，因此可以通过燃料燃烧方式获得更高的温度，利用高温高压烟气进行膨胀做功。参照目前燃机设备的温度极限，烟气温度可以达到1600℃。

可以通过计算选择烟气的最佳压力，使膨胀做功结束后，排出的气体压力和温度接近于常温常压，达到最佳的转换效率。

由于高温烟气具有更高的焓值，该方式下机组的做功能力更强，1600℃的烟气可以达到600℃压缩空气的2.5倍以上。

3.3 气体特性的利用

能量守恒是大自然的普遍规律，热能、动能、压力能可以互相转化，但不会消失。对于热力循环而言，在绝热状态下，能量的转化只是状态的转化。热力学一般采用焓熵来描述热力过程。

利用气体工质状态特性pv=RT，可以达到更高的能量转化效率。对于绝热状态下的定容加热，气体在经过加热温度升高时，压力也同样获得了升高，利用这一特性可以提高热力效率，避免压缩机在对气体压缩过程中的机械损失。

上述热力循环过程中，整个循环的压力最高点位于压缩机出口，压缩机做功会消耗较大的机械功，虽然这部分机械功会被转化为压力能或热能，但由于有机械损失的存在，仍然会降低一定的效率。

为了实现定容加热，可在压缩机出口设置流体输送设备，如采用大直径螺杆输送机械，将压缩空气传送至下一级，螺杆输送机械具有止回的特性，能避免气体回流。螺杆式输送设备机械损失较小，在绝热工况下机械能会转化为压力能和热能，由于气体加热后压力会上升Δp，输送设备的耗功可以通过输送气体获得的压力能来测算。

4 热力发电循环的发展趋势

4.1 现有蒸汽循环存在的不足

（1）工质初参数难于进一步提高。燃煤发电循环是当前应用最为广泛的循环，为了提高循环效率，采用了回热、再热等多种形式，但由于存在冷源损失，导致纯凝工况热力循环效率不高。提高蒸汽初参数是提高蒸汽发电循环的主要手段，目前的超超临界机组的热力循环蒸汽参数已超过30MPa，600℃。由于金属材料研究的限制，蒸汽参数进一步提高的难度很大。

（2）蒸汽发电循环的热效率较低。由于冷源损失的存在，蒸汽发电循环尤其是纯凝机组的热效率较低，仅为40%左右，即使是最先进的超超临界机组，效率也只有45%左右。做过功的蒸汽在凝汽器凝结，会释放出大量的热量，形成凝结水。凝结水经给水泵加压进入锅炉，加热后生成过热蒸汽，因此相变是蒸汽发电循环最大的损失。

（3）循环的耗水量大。现有燃煤发电机组循环采用蒸汽作为工质，蒸汽由化学除盐水经锅炉加热获得，除盐水制备需消耗大量的清洁工业水。蒸汽循环排汽进入凝汽器，经循环水冷却水凝结，换热过程需消耗大量的循环水，为了防止凝汽器设备结垢腐蚀，循环水需加药处理，由于浓缩倍率的增加，会形成大量的排污，对环境带来不利影响。

（4）蒸汽发电循环的乏汽在凝结的过程中，大量的热量经循环水带走，并排放到环境中，大量的水蒸气进入大气，不但会增加大气的温度，还会增加大气的湿度，形成雾霾，对环境带来不利影响。

4.2 新型发电循环的应用前景

压缩空气储能技术结合当前的二氧化碳循环技术的项目的成功，表明高压气体循环具有广泛的应用前景，能够达到更高的效率。

通过对以上技术方案的比较，以下发电循环具有更高的效率，有较好的研究和应用前景。

（1）以煤炭为燃料，形成高效的燃煤二氧化碳循环，通过受热面对二氧化碳进行加热，可以达到600℃的高温，合理匹配压力能够获得较高的热力循环效率。

（2）以燃气为燃料，高压压缩空气与燃气等燃料混合燃烧，生成1600℃温度的高温烟气，具有更高的焓值，能够达到更高的效率。要优于利用锅炉加热受热面（由于金属材料限制，最高约为600℃）的技术方案。

（3）合理选择压气机压力进行匹配，做到透平排烟参数达到环境压力和温度，进一步降低热力损失，能够达到更高的效率。更进一步，设计大型螺杆气体输送装置，将循环的压力最高点由压气机入口移至燃烧室，降低压缩机机械做功损失，能够进一步提升循环效率。合理构建的气体发电循环不需设置联合循环，补水的消耗量较小，也无需循环水的消耗，实施难度较小。

如果能针对以上方案开展试验，用高压气体循环代替传统的燃煤发电循环能够大幅提高自然能源的利用效率，如果能够通过技术改进将热力发电循环效率提升至80%以上，则能大幅降低煤炭、天然气等自然资源的消耗，二氧化碳排放也能得到大幅降低。

因此，对高压气体发电循环开展研究具有现实意义。当前燃煤发电循环受限于金属材料研究的限制，效率难于进一步提升，在这个时候转变思路、开展技术方案研究是十分必要的。同时我们也没有必要固守欧美热力发电技术的狭隘思路，应该在热力发电循环上开展技术创新，并开展必要的热力试验，对原有的低效热力发电循环进行替代。

作者简介：

刘建生，男，正高级工程师，主要从事汽轮机、燃气-蒸汽联合循环机组的技术研究和设备管理工作。