CN115288819A - 煤富氧燃烧下超临界co2再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***及仿真方法，属于能源动力技术领域，本发明主要提出了针对超临界CO₂动力循环的新型组合***：煤富氧燃烧下的超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集***。首先，使用煤富氧燃烧下为超临界CO₂再压缩布雷顿循环提供热源，使其燃料燃烧更加充分，提高整个动力循环的效率。然后耦合碳捕集***实现动力循环的减排与低碳，同时构建了热力学仿真模型，其使用Python进行模块化编程。利用此仿真模型可以得出锅炉入口O₂浓度、排烟温度对锅炉效率和电效率的影响以及透平入口温度和压力、主压缩机入口温度和压力对循环效率和电效率的影响，为新型的组合***提供优化参考的依据。

Description

煤富氧燃烧下超临界CO2再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组 合***及仿真方法

技术领域

本发明涉及超临界CO₂再压缩布雷顿动力循环技术，具体涉及一种煤富氧燃烧下超临界 CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***及仿真方法，属于能源动力技术领域。

背景技术

随着全球气候的变化加剧，人们对减少碳排放的关注度也愈加提高。根据燃烧类型的不 同，将CO₂捕集技术划分为：燃烧前碳捕集、富氧燃烧碳捕集、燃烧后碳捕集。研究人员对煤 粉富氧燃烧电厂的详细布置进行了研究和评估，结果表明，在燃烧过程中产生的高达93.3％ 的CO₂和95％的SO₂可以被捕获，同时压缩到110bar的超临界压力，产生纯度为95.5mol％的 可封存CO₂流，实现了碳捕集，但这套技术的能源损失相当于使电厂净效率下降约8.5％。随 着研究的不断发展超临界CO₂(Supercritical CO₂,sCO₂)动力循环具有临界参数低(304.13K, 7.377MPa)、***紧凑、热源温度>550℃时效率比蒸汽朗肯循环高、CO₂与金属材料化学反应 速率小于水蒸汽等优点，被科学界广泛关注。其中基于煤富氧燃烧的超临界CO₂再压缩循环复 合发电***因为使用空分装置与循环热集成，可以使***供电效率提高到43.76％，比无集成 ***高1.93％，但因为富氧燃烧，所以产生的碳化物含量比无集成***要高很多，造成严重 的碳排放。

现有的技术方案多是将传统碳捕集与传统的蒸汽循环电厂结合改造，缺乏富氧燃烧下 sCO₂动力循环与碳捕集***耦合构建的设计,更没有专门针对富氧燃烧碳捕集与sCO₂动力循 环耦合的***性能影响的分析技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳 捕集新型组合***及仿真方法。本发明主要提出了针对超临界CO₂动力循环的新型组合***： 煤富氧燃烧下的超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集***。首先，使用煤富氧燃烧下为超 临界CO₂再压缩布雷顿循环提供热源，使其燃料燃烧更加充分，提高整个动力循环的效率。然 后耦合碳捕集***实现动力循环的减排与低碳，其整个***的构想与设计如图1所示。针对 煤富氧燃烧下的超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集***构建了热力学仿真模型，其使用 Python进行模块化编程。利用此仿真模型可以得出锅炉入口O₂浓度、排烟温度对锅炉效率和 电效率的影响以及透平入口温度和压力、主压缩机入口温度和压力对循环效率和电效率的影 响，为新型的组合***提供优化参考的依据。

本发明的技术方案如下：

煤富氧燃烧下sCO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***，包括sCO₂再压缩布雷顿 循环与富氧燃烧及碳捕集的外循环；

外循环按气体流动方向包括空分设备、燃烧室、脱硝装置、静电除尘器、脱硫装置、CO₂压缩和纯化装置，静电除尘器出口端通过分流管线连接至燃烧室进口端作为循环烟气，分流 管线上设有外循环机；空气进入空分设备制造O₂，与循环烟气按比例混合后进入燃烧室与煤 进行富氧燃烧，富含CO₂的烟气依次经过脱硝装置、静电除尘器后分流，一部分作为循环烟气 返回燃烧室调节锅炉火焰温度，另一部分进入脱硫装置脱硫后进入CO₂压缩和纯化装置形成 CO₂产品便于储存或运输；

sCO₂再压缩布雷顿循环按流动方向包括透平、回热器、预冷器、压缩机，回热器包括高 温回热器、低温回热器，压缩机包括主压缩机、再压缩机，工质流过燃烧室吸热形成高温高 压sCO₂流体，sCO₂进入透平膨胀做功后，依次进入高温回热器、低温回热器等压放热，随后 按分流比分流为两股，一股经预冷器进入主压缩机绝热压缩，然后进入低温回热器吸热，另 一股直接进入再压缩机绝热压缩，两股流汇流混合后进入高温回热器吸热，最后回到燃烧室 恢复到高温高压状态，完成整个循环。

超临界CO₂的比热容随压力变化很大，因此sCO₂简单布雷顿循环由于热侧和冷侧流体之 间的热容不平衡而在回热器中存在很大的不可逆性，而在回热器中出现夹点问题，故本发明 的动力***采用sCO₂再压缩布雷顿循环，通过分流在不放热的情况下对部分CO₂流进行再压 缩，以补偿低温回热器(LTR)中的热容量差异，提高了效率。由于LTR效率提高，热流在更高 温度下进入高温回热器(HTR)，这样反过来又会提高离开HTR的热流的温度，从而提高加热的 平均温度，进而提高循环效率。采用富氧燃烧，以纯氧代替常规空气进行燃烧，使煤燃烧的 更加充分，生成烟气中CO₂富集。使用碳捕集***，可以脱除灰尘和污染物后进行CO₂捕集可 获得纯度在96％以上CO₂产品，最终实现近零碳排放。捕集的CO₂可以用于化工原料，同时也 可以作为超临界CO₂动力循环中工质的补充剂。

优选的，低温回热器出口处分流点为a点，再压缩机出口汇流处为b点，循环烟气与氧 气汇流处为c点，静电除尘器出口段分流处为d点。

进一步优选的，燃烧室与透平之间管线标号为1，透平与高温回热器之间管线标号为2， 高温回热器与低温回热器之间管线标号为3，低温回热器与a点之间,管线标号为4，预冷器 与主压缩机之间管线标号为5，主压缩机与低温回热器之间管线标号为6，低温回热器与b点 之间管线标号为7，再压缩机与b点之间管线标号为8，b点与高温回热器之间管线标号为9， 高温回热器与燃烧室之间管线标号为10，空分设备进口管线标号为11，空分设备与c点之间 管线标号为12，c点与燃烧室之间管线标号为13，燃烧室与脱硝装置之间管线标号为14，脱 硝装置与静电除尘器之间管线标号为15，静电除尘器与d点之间管线标号为16，d点与外循 环机之间管线标号为17，外循环机与c点之间管线标号为18，d点与脱硫装置之间管线标号 为19，脱硫装置与CO₂压缩和纯化装置之间管线标号为20，CO₂压缩和纯化装置出口管线标号 为21。

煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，根据能 量守恒和质量守恒对***各部件建立以下耦合循环***数学模型：

(1)超临界CO₂再压缩布雷顿动力循环数学模型建立

透平做功过程可近似视为绝热膨胀过程，透平功W_t及等熵效率η_t为：

式中：

为工质总质量流量，kg/s；

回热器为逆流回热器，并以压力损失系数C_p和基于焓差的效能ε表示回热器性能，效能ε 定义为实际换热量与理论最大换热量之比；

高温回热器视为等压换热过程，其效能ε_htr为：

低温回热器视为等压换热过程，其效能ε_ltr为：

或

式中，如果从主压缩机中出来的高压流体的比热容大于从高温回热器中流出的低压流体 的比热容，则ε_ltr采用式(4)；否则，采用式(5)；正因为使用二氧化碳为循环工质，因此在流 经低温回热器的冷热流体比热容差异较大，所以本发明程序设计中的低温回热器效能ε_ltr采用 式(4)计算，但如果程序更改为水蒸气作为工质，则本发明的程序设计计算公式改为式(5) 计算；

根据能量守恒，回热器中冷、热流体换热量达到热平衡；

高温回热器热平衡：

h₂-h₃＝h₁₀-h₉ (6)

低温回热器热平衡：

h₃-h₄＝x·(h₇-h₆) (7)

式中：x为分流比，定义为进入主压缩机的工质质量流量与循环工质总质量流量之比，优 选的，其值的大小针对不同的工况可以选取不同的分流比，为保证其***循环的效率，程序 设计的取值范围在0.65-0.8之间，进一步优选的，在本发明中分流比选取的值为0.721；

预冷器视为等压放热，过程热量变化Q_pc为：

主压缩机视为绝热压缩过程，主压缩机功耗W_mc及等熵效率η_mc为：

再压缩机视为绝热压缩过程，再压缩机功耗W_rc及等熵效率η_rc为：

汇合点b处根据能量守恒得：

h₉＝x·h₇+(1-x)h₈ (13)

燃烧室内视为等压吸热过程，工质吸热量Q_c为：

上述式中：h_n为sCO₂在循环各状态点的焓值，kJ/kg；h_ns为sCO₂在循环各状态点的理想 焓值，kJ/kg；T_n为sCO₂在循环各状态点的温度，℃，其中n的取值为对应的管线标号，取该管线上的状态点。

(2)对于富氧燃烧及碳捕集外循环数学模型建立

设定排烟热损失q₂，化学不完全燃烧热损失q₃，机械不完全燃烧热损失q₄，散热损失q₅， 灰渣物理热损失q₆，

优选的，排烟热损失q₂为：

式中：h_py为锅炉排烟焓，kJ/kg；h_r为锅炉入口焓，kJ/kg；Q_r为锅炉输入热量，对于本 发明燃煤锅炉，由于燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤中水分M_ar＜Q_net,ar/630, 所以锅炉输入热量等于燃煤收到基低位发热量，即Q_r＝Q_net,ar，kJ/kg。

化学不完全燃烧热损失q₃为：固态排渣炉q₃＝0。

机械不完全燃烧热损失q₄为：根据电厂锅炉q₄的一般数据，本发明选用q₄＝1.1。其值的 设定可以依据厂家设计的锅炉参数进行修改，以此适用***的更改。

散热损失q₅为：本发明选用q₅＝0.2。其值的设定可以依据厂家设计的压缩机参数进行修 改，以此适用***的更改。

灰渣物理热损失q₆为：对于固态排渣煤粉炉，只有当灰分

时才考虑。对于本发 明来说，q₆＝0。

采用反平衡法计算锅炉效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆) (16)

燃煤量M为：

Q_c为sCO₂在锅炉中吸收的热量；

sCO₂循环效率η_sCO2为：

式中：W_asu为空分设备功耗；W_cpu为CO₂压缩和纯化设备功耗；W_eq为***中其它主要设备 功耗的和(包括脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp和脱硫装置的耗功W_fgd)；W_ap为 除去主要设备外的厂用电功耗；

电效率为η_e为：

(3)利用步骤(1)步骤(2)的仿真模型可以得出锅炉入口O₂浓度、排烟温度对锅炉效 率和电效率的影响，利用python语言将上述的数学模型编写成程序，通过改变锅炉入口O₂浓度参数，就可以改变锅炉的燃烧程度，通过数学模型可以计算出不同O₂浓度对锅炉效率的 影响；对于排烟温度的参数也可以在程序中进行修改，排烟温度越高，说明锅炉的热损失越 多，则sCO₂工质吸收的热量就少，能量少的CO₂对透平的推力就小，因而影响电效率；

对于整个sCO₂动力循环***中，最重要的两个部件是透平和压缩机，这两个部件的效率 会极大的影响整个机组的循环效率。对于透平机械而言，透平入口温度和压力是影响其效率 的因素，不同的入口温度和压力会造成透平效率的改变，通过更改程序中透平入口温度和压 力可以计算出透平的效率，让设计人员找到合适的透平型号；对于主压缩机而言跟透平部件 一样，主压缩机入口温度和压力也通过设计的参数进行计算，可以根据实际的设备参数进行 更改，程序计算出部件效率，同时计算出整个***的循环效率和电效率。以便于设计人员去 判断选取的部件型号参数是否匹配整个循环***，选取的部件组合可以让***的效率达到最 大值，并为陈旧的发电循环***提供优化参考的依据。

优选的，步骤(3)模型运行方法包括步骤如下：

对于布雷顿循环：

1)读入***设计参数，参数包括分流比x、工质总质量流量

透平入口温度、主压缩 机入口温度、高温回热器效能、低温回热器效能、透平等熵效率、主压缩机等熵效率、再压 缩机等熵效率，其参数值如表1所示；

2)首先求解sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、 工质吸热量Q_c；已知T₁、T₅，及管线标号为1～10点的压力，对未知量T₃进行假设，设定一个 初始值，初始值在T₂和T₆之间，然后利用假设的温度T₃和其它已知量，根据低温回热器的效 率求解出低温回热器低压气体出口温度T₄和出口CO₂的焓值h₄；

3)利用低温回热器内能量守恒计算出高压侧气体出口温度T₇和出口CO₂的焓值h₇；

4)依据再压缩机等熵效率η_rc的计算式求解得出再压缩机出口处超临界二氧化碳的温度 T₈和CO₂的焓值h₈；

5)再压缩机中的二氧化碳和低温回热器高压侧的二氧化碳流体在b点混合，由混合的能 量守恒原理计算得到高压侧进入高温回热器的温度T₉和CO₂的焓值h₉，通过前面计算出的高 温回热器的焓值计算出高温回热器效能ε_{htr_j}；

6)将实际的高温回热器效能ε_htr与计算得到的高温回热器效能ε_{htr_j}进行比较，如果ε_htr> ε_{htr_j},则减小步骤2)中假设的温度T₃,重新计算；如果ε_htr<ε_{htr_j},则增大步骤2)中假设的温 度T₃,重新计算；直到|ε_htr-ε_{htr_j}|的值小于设定的误差值，停止对于温度T₃的假设，选取当前 的值带入进行后续计算；

7)根据高温回热器的能量守恒定律计算的得出高压侧流出高温回热器的流体的温度T₁₀和h₁₀；

8)这样1～10点焓值就都计算得到，然后计算出sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主 压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、工质吸热量Q_c；

对于外循环，主要计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗 功W_fgd、空分设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的 耗功W_ap；

9)计算理论氧气量，根据气体分析仪测算的过量氧气系数α计算实际氧气量，计算循环 烟气量；

10)根据富氧燃烧下烟气成分表，计算烟气中成分容积；

11)由循环烟气量、烟气中成分容积根据学科统一的道尔顿分压定律计算烟气容积、入 口焓、烟气焓；

12)根据公式(15)计算排烟热损失q₂；

13)根据公式(16)计算锅炉效率η_b；

14)根据公式(17)计算燃煤量M；

15)利用富氧燃烧下烟气的成分表计算燃烧煤量M产生的烟气量与循环烟气量之和来得 到的整个外循环一次的烟气量；

16)计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗功W_fgd、空分 设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的耗功W_ap；

17)根据公式(18)计算sCO₂循环效率

根据公式(19)计算电效率，供设计人员参考。

对于已经提出的带有二氧化碳捕集的超临界二氧化碳布雷顿动力循环发电***相比，本 发明采用可以减小换热造成不可逆损失的超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环，相比布雷 顿循环其减少了能量损耗，具有更高的效率。同时本发明还采用富氧燃烧，使其煤料燃烧的 更加充分，提供了更多的热量，提高了整体超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环的效率。 而且现已提出的超临界二氧化碳布雷顿动力循环发电循环方式，都是循环方式的物理模型， 不具备数学模型的分析，本发明在提出新的循环方式的同时，也提出本循环方式的数学模型， 用于对循环模型的检验与优化。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的***设计采用先进的超临界CO₂再压缩布雷顿动力循环，其具有高速响应， 高密度能量流等优点，而且再压缩循环可以避免冷热两侧流体热容不平衡的问题。

2、本发明采用富氧燃烧为动力循环提供热量，燃烧更加充分，动力循环整体的效率比使 用普通锅炉的动力循环效率更高。

3、本发明同时集合碳捕集***，再做到低碳减排的同时，产生的高纯度CO₂可以作为衍 生产品给化工业使用，提高动力循环整体的经济性能。

4、本发明利用python程序设计了针对煤富养燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳 捕集***性能进行分析的模块，可以为***的集成优化提供参考。

5、本发明的程序设计中的锅炉模块，可以根据设定的锅炉入口O₂浓度、排烟温度得出锅 炉效率和电效率的影响，为动力***中的锅炉的设计提供参考。

6、本发明的程序设计中透平模块，可以根据设定透平入口温度和入口压力计算得出整个 循环的循环效率和电效率，为动力循环中的透平部件的选取提供参考依据。

7、本发明的程序设计中压缩机模块，可以根据设定主压缩机入口温度和入口压力求得对 应的循环效率和电效率，为动力循环中的压缩机部件型号的选取提供参考依据。

8、程序的模块化设计，有助于增加或更改不同的***组件，以适应循环***更改。

附图说明

图1***流程图；

图2***模型求解逻辑图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

煤富氧燃烧下sCO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***，包括sCO₂再压缩布雷顿 循环与富氧燃烧及碳捕集的外循环。

外循环按气体流动方向包括空分设备、燃烧室、脱硝装置、静电除尘器、脱硫装置、CO₂压缩和纯化装置，静电除尘器出口端通过分流管线连接至燃烧室进口端作为循环烟气，分流 管线上设有外循环机；空气进入空分设备制造O₂(11-12)，与循环烟气按比例混合后进入燃烧 室与煤进行富氧燃烧(13-14)，富含CO₂的烟气依次经过脱硝装置(14-15)、静电除尘器(15-16) 后在d处分流，一部分作为循环烟气返回燃烧室调节锅炉火焰温度，另一部分进入脱硫装置 脱硫(19-20)后进入CO₂压缩和纯化装置(20-21)形成CO₂产品用于储存或运输；如图1所示；

sCO₂再压缩布雷顿循环按流动方向包括透平、回热器、预冷器、压缩机，回热器包括高 温回热器、低温回热器，压缩机包括主压缩机、再压缩机，工质流过燃烧室吸热(13-14)形成 高温高压sCO₂流体，sCO₂进入透平膨胀做功(1-2)后，依次进入高温回热器(2-3)、低温回热 器(3-4)等压放热，随后在a处按分流比分流为两股，一股经预冷器(a-5)进入主压缩机绝热 压缩(5-6)，然后进入低温回热器吸热(6-7)，另一股直接进入再压缩机绝热压缩(a-8)，两股 流在汇合点b处汇流混合后进入高温回热器吸热(9-10)，最后回到燃烧室恢复到高温高压状 态，完成整个循环。

设定低温回热器出口处分流点为a点，再压缩机出口汇流处为b点，循环烟气与氧气汇 流处为c点，静电除尘器出口段分流处为d点。燃烧室与透平之间管线标号为1，透平与高 温回热器之间管线标号为2，高温回热器与低温回热器之间管线标号为3，低温回热器与a点 之间,管线标号为4，预冷器与主压缩机之间管线标号为5，主压缩机与低温回热器之间管线 标号为6，低温回热器与b点之间管线标号为7，再压缩机与b点之间管线标号为8，b点与 高温回热器之间管线标号为9，高温回热器与燃烧室之间管线标号为10，空分设备进口管线 标号为11，空分设备与c点之间管线标号为12，c点与燃烧室之间管线标号为13，燃烧室与 脱硝装置之间管线标号为14，脱硝装置与静电除尘器之间管线标号为15，静电除尘器与d点 之间管线标号为16，d点与外循环机之间管线标号为17，外循环机与c点之间管线标号为18， d点与脱硫装置之间管线标号为19，脱硫装置与CO₂压缩和纯化装置之间管线标号为20，CO₂压缩和纯化装置出口管线标号为21。

实施例2：

利用实施例1所述煤富氧燃烧下sCO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真 方法，根据能量守恒和质量守恒对***各部件建立以下耦合循环***数学模型：

(1)超临界CO₂再压缩布雷顿动力循环数学模型建立

透平做功过程(1-2)可近似视为绝热膨胀过程，透平功W_t及等熵效率η_t为：

式中：

为工质总质量流量，kg/s；

回热器为逆流回热器，并以压力损失系数C_p和基于焓差的效能ε表示回热器性能，效能ε 定义为实际换热量与理论最大换热量之比；

高温回热器(2-3)视为等压换热过程，其效能ε_htr为：

低温回热器(3-4)视为等压换热过程，其效能ε_ltr为：

或

式中，如果从主压缩机中出来的高压流体的比热容大于从高温回热器中流出的低压流体 的比热容，则ε_ltr采用式(4)；否则，采用式(5)；正因为使用二氧化碳为循环工质，因此在流 经低温回热器的冷热流体比热容差异较大，所以本发明程序设计中的低温回热器效能ε_ltr采用 式(4)计算，但如果程序更改为水蒸气作为工质，则本发明的程序设计计算公式改为式(5) 计算；

根据能量守恒，回热器中冷、热流体换热量达到热平衡；

高温回热器热平衡：

h₂-h₃＝h₁₀-h₉ (25)

低温回热器热平衡：

h₃-h₄＝x·(h₇-h₆) (26)

式中：x为分流比，定义为进入主压缩机的工质质量流量与循环工质总质量流量之比，优 选的，其值的大小针对不同的工况可以选取不同的分流比，为保证其***循环的效率，程序 设计的取值范围在0.65-0.8之间，进一步优选的，在本发明中分流比选取的值为0.721；

预冷器(a-5)视为等压放热，过程热量变化Q_pc为：

主压缩机(5-6)视为绝热压缩过程，主压缩机功耗W_mc及等熵效率η_mc为：

再压缩机(a-8)视为绝热压缩过程，再压缩机功耗W_rc及等熵效率η_rc为：

汇合点b处根据能量守恒得：

h₉＝x·h₇+(1-x)h₈ (32)

燃烧室内(10-1)视为等压吸热过程，工质吸热量Q_c为：

上述式中：h_n为sCO₂在循环各状态点的焓值，kJ/kg；h_ns为sCO₂在循环各状态点的理想 焓值，kJ/kg；T_n为sCO₂在循环各状态点的温度，℃，其中n的取值为对应的管线标号，取该管线上的状态点。

(2)对于富氧燃烧及碳捕集外循环数学模型建立

设定排烟热损失q₂，化学不完全燃烧热损失q₃，机械不完全燃烧热损失q₄，散热损失q₅， 灰渣物理热损失q₆，

排烟热损失q₂为：

式中：h_py为锅炉排烟焓，kJ/kg；h_r为锅炉入口焓，kJ/kg；Q_r为锅炉输入热量，对于本 发明燃煤锅炉，由于燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤中水分M_ar＜Q_net,ar/630, 所以锅炉输入热量等于燃煤收到基低位发热量，即Q_r＝Q_net,ar，kJ/kg。

化学不完全燃烧热损失q₃为：固态排渣炉q₃＝0。

机械不完全燃烧热损失q₄为：根据电厂锅炉q₄的一般数据，本发明选用q₄＝1.1。其值的 设定可以依据厂家设计的锅炉参数进行修改，以此适用***的更改。

散热损失q₅为：本发明选用q₅＝0.2。其值的设定可以依据厂家设计的压缩机参数进行修 改，以此适用***的更改。

灰渣物理热损失q₆为：对于固态排渣煤粉炉，只有当灰分

时才考虑。对于本发 明来说，q₆＝0。

采用反平衡法计算锅炉效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆) (35)

燃煤量M为：

Q_c为sCO₂在锅炉中吸收的热量；

sCO₂循环效率η_sCO2为：

式中：W_asu为空分设备功耗；W_cpu为CO₂压缩和纯化设备功耗；W_eq为***中其它主要设备 功耗的和(包括脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp和脱硫装置的耗功W_fgd)；W_pa为 除去主要设备外的厂用电功耗；

电效率为η_e为：

(3)利用步骤(1)步骤(2)的仿真模型可以得出锅炉入口O₂浓度、排烟温度对锅炉效 率和电效率的影响，利用python语言将上述的数学模型编写成程序，通过改变锅炉入口O₂浓度参数，就可以改变锅炉的燃烧程度，通过数学模型可以计算出不同O₂浓度对锅炉效率的 影响；对于排烟温度的参数也可以在程序中进行修改，排烟温度越高，说明锅炉的热损失越 多，则sCO₂工质吸收的热量就少，能量少的CO₂对透平的推力就小，因而影响电效率；

对于整个sCO₂动力循环***中，最重要的两个部件是透平和压缩机，这两个部件的效率 会极大的影响整个机组的循环效率。对于透平机械而言，透平入口温度和压力是影响其效率 的因素，不同的入口温度和压力会造成透平效率的改变，通过更改程序中透平入口温度和压 力可以计算出透平的效率，让设计人员找到合适的透平型号；对于主压缩机而言跟透平部件 一样，主压缩机入口温度和压力也通过设计的参数进行计算，可以根据实际的设备参数进行 更改，程序计算出部件效率，同时计算出整个***的循环效率和电效率。以便于设计人员去 判断选取的部件型号参数是否匹配整个循环***，选取的部件组合可以让***的效率达到最 大值，并为陈旧的发电循环***提供优化参考的依据。

步骤(3)模型运行方法包括步骤如下：

对于布雷顿循环：

1)读入***设计参数，参数包括分流比x、工质总质量流量

透平入口温度、主压缩 机入口温度、高温回热器效能、低温回热器效能、透平等熵效率、主压缩机等熵效率、再压 缩机等熵效率，其参数值如表1所示；

2)首先求解sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、 工质吸热量Q_c；已知T₁、T₅，及管线标号为1～10点的压力，对未知量T₃进行假设，设定一个 初始值，初始值在T₂和T₆之间，然后利用假设的温度T₃和其它已知量，根据低温回热器的效 率求解出低温回热器低压气体出口温度T₄和出口CO₂的焓值h₄；

3)利用低温回热器内能量守恒计算出高压侧气体出口温度T₇和出口CO₂的焓值h₇；

4)依据再压缩机等熵效率η_rc的计算式求解得出再压缩机出口处超临界二氧化碳的温度 T₈和CO₂的焓值h₈；

5)再压缩机中的二氧化碳和低温回热器高压侧的二氧化碳流体在b点混合，由混合的能 量守恒原理计算得到高压侧进入高温回热器的温度T₉和CO₂的焓值h₉，通过前面计算出的高 温回热器的焓值计算出高温回热器效能ε_{htr_j}；

6)将实际的高温回热器效能ε_htr与计算得到的高温回热器效能ε_{htr_j}进行比较，如果ε_htr> ε_{htr_j},则减小步骤2)中假设的温度T₃,重新计算；如果ε_htr<ε_{htr_j},则增大步骤2)中假设的温 度T₃,重新计算；直到|ε_htr-ε_htr__j|的值小于设定的误差值，停止对于温度T₃的假设，选取当前 的值带入进行后续计算；

7)根据高温回热器的能量守恒定律计算的得出高压侧流出高温回热器的流体的温度T₁₀和h₁₀；

8)这样1～10点焓值就都计算得到，然后计算出sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主 压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、工质吸热量Q_c；

对于外循环，主要计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗 功W_fgd、空分设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的 耗功W_ap；

9)计算理论氧气量，根据气体分析仪测算的过量氧气系数α计算实际氧气量，计算循环 烟气量；

10)根据富氧燃烧下烟气成分表，计算烟气中成分容积；

11)由循环烟气量、烟气中成分容积根据学科统一的道尔顿分压定律计算烟气容积、入 口焓、烟气焓；

12)根据公式(15)计算排烟热损失q₂；

13)根据公式(16)计算锅炉效率η_b；

14)根据公式(17)计算燃煤量M；

15)利用富氧燃烧下烟气的成分表计算燃烧煤量M产生的烟气量与循环烟气量之和来得 到的整个外循环一次的烟气量；

16)计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗功W_fgd、空分 设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的耗功W_ap；

17)根据公式(18)计算sCO₂循环效率

根据公式(19)计算电效率，供设计人员参考。

实验例3：

Python程序设计以及算例验证计算。

采用Python对***进行模块化编程，编程采用模块化编程思路，将大程序按照部件功能 划分为若干小程序模块，并在这些模块之间建立必要的联系，通过模块的互相协作完成整个 程序设计。

求解逻辑如图2所示,输入***设计参数，首先对未知量T₃进行假设，在保证求得的各处 温度符合温度循环逻辑的前提下，选定本发明设定值高温回热器效能，以求得高温回热器效 能误差小于10^-8为判断标准对T₃进行迭代，随后求解循环***中各处参数。同时，通过计算 热损失来求解锅炉效率，进而求解燃煤量、外循环各设备耗功等，综合两部分求解***循环 效率、电效率。

采用美国Sandia实验室设备参数和实验数据作为程序设计准确性的验证，由于Sandia 实验室的数据中未给出透平等熵效率和主/再压缩机等熵效率，故对其进行适当假设。同时， 由于构建数学模型时假设忽略所有管道和部件的压损，故状态点7处的压力不应采用实验室 压力数据，而应与状态点6处压力保持一致，具体参数设置如表1和表2所示。由于目前对 拟临界区的实验与模拟较少，采用的Sandia实验室验证数据不涉及拟临界区，故主要对正常 的超临界工况进行验证与后续模拟。

输入表1仿真数据后对数学模型进行模拟，模拟结果与Sandia实验室数据的对比如表2 所示。表2中，实验室温度数据与仿真输出温度最大相差1.24℃，最大误差为0.80％<1.00％， 因此本发明设计的程序对动力循环计算的结果准确可行。

表1 Sandia实验室的循环参数设置

表2 Sandia实验室数据与仿真数据对比

Claims (8)

1.煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***，其特征在于，包括sCO₂再压缩布雷顿循环与富氧燃烧及碳捕集的外循环；

外循环按气体流动方向包括空分设备、燃烧室、脱硝装置、静电除尘器、脱硫装置、CO₂压缩和纯化装置，静电除尘器出口端通过分流管线连接至燃烧室进口端作为循环烟气，分流管线上设有外循环机；空气进入空分设备制造O₂，与循环烟气按比例混合后进入燃烧室与煤进行富氧燃烧，富含CO₂的烟气依次经过脱硝装置、静电除尘器后分流，一部分作为循环烟气返回燃烧室调节锅炉火焰温度，另一部分进入脱硫装置脱硫后进入CO₂压缩和纯化装置形成CO₂产品；

sCO₂再压缩布雷顿循环按流动方向包括透平、回热器、预冷器、压缩机，回热器包括高温回热器、低温回热器，压缩机包括主压缩机、再压缩机，工质流过燃烧室吸热形成高温高压sCO₂流体，sCO₂进入透平膨胀做功后，依次进入高温回热器、低温回热器等压放热，随后按分流比分流为两股，一股经预冷器进入主压缩机绝热压缩，然后进入低温回热器吸热，另一股直接进入再压缩机绝热压缩，两股流汇流混合后进入高温回热器吸热，最后回到燃烧室恢复到高温高压状态。

2.根据权利要求1所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***，其特征在于，低温回热器出口处分流点为a点，再压缩机出口汇流处为b点，循环烟气与氧气汇流处为c点，静电除尘器出口段分流处为d点。

3.根据权利要求2所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***，其特征在于，燃烧室与透平之间管线标号为1，透平与高温回热器之间管线标号为2，高温回热器与低温回热器之间管线标号为3，低温回热器与a点之间,管线标号为4，预冷器与主压缩机之间管线标号为5，主压缩机与低温回热器之间管线标号为6，低温回热器与b点之间管线标号为7，再压缩机与b点之间管线标号为8，b点与高温回热器之间管线标号为9，高温回热器与燃烧室之间管线标号为10，空分设备进口管线标号为11，空分设备与c点之间管线标号为12，c点与燃烧室之间管线标号为13，燃烧室与脱硝装置之间管线标号为14，脱硝装置与静电除尘器之间管线标号为15，静电除尘器与d点之间管线标号为16，d点与外循环机之间管线标号为17，外循环机与c点之间管线标号为18，d点与脱硫装置之间管线标号为19，脱硫装置与CO₂压缩和纯化装置之间管线标号为20，CO₂压缩和纯化装置出口管线标号为21。

4.利用权利要求3所述煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，其特征在于，根据能量守恒和质量守恒对***各部件建立以下耦合循环***数学模型：

(1)超临界CO₂再压缩布雷顿动力循环数学模型建立

透平做功过程视为绝热膨胀过程，透平功W_t及等熵效率η_t为：

式中：

为工质总质量流量，kg/s；

回热器为逆流回热器，并以压力损失系数C_p和基于焓差的效能ε表示回热器性能，效能ε定义为实际换热量与理论最大换热量之比；

高温回热器视为等压换热过程，其效能ε_htr为：

低温回热器视为等压换热过程，其效能ε_ltr为：

或

式中，如果从主压缩机中出来的高压流体的比热容大于从高温回热器中流出的低压流体的比热容，则ε_ltr采用式(4)；否则，采用式(5)；

根据能量守恒，回热器中冷、热流体换热量达到热平衡；

高温回热器热平衡：

h₂-h₃＝h₁₀-h₉ (6)

低温回热器热平衡：

h₃-h₄＝x·(h₇-h₆) (7)

式中：x为分流比，定义为进入主压缩机的工质质量流量与循环工质总质量流量之比；

预冷器视为等压放热，过程热量变化Q_pc为：

主压缩机视为绝热压缩过程，主压缩机功耗W_mc及等熵效率η_mc为：

再压缩机视为绝热压缩过程，再压缩机功耗W_rc及等熵效率η_rc为：

汇合点b处根据能量守恒得：

h₉＝x·h₇+(1-x)h₈ (13)

燃烧室内视为等压吸热过程，工质吸热量Q_c为：

上述式中：h_n为sCO₂在循环各状态点的焓值，kJ/kg；h_ns为sCO₂在循环各状态点的理想焓值，kJ/kg；T_n为sCO₂在循环各状态点的温度，℃，其中n的取值为对应的管线标号，取该管线上的状态点；

(2)对于富氧燃烧及碳捕集外循环数学模型建立

设定排烟热损失q₂，化学不完全燃烧热损失q₃，机械不完全燃烧热损失q₄，散热损失q₅，灰渣物理热损失q₆，

排烟热损失q₂为：

式中：h_py为锅炉排烟焓，kJ/kg；h_r为锅炉入口焓，kJ/kg；Q_r为锅炉输入热量，对于本发明燃煤锅炉，由于燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤中水分M_ar＜Q_net,ar/630,所以锅炉输入热量等于燃煤收到基低位发热量，即Q_r＝Q_net,ar，kJ/kg；；

采用反平衡法计算锅炉效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆) (16)

燃煤量M为：

Q_c为sCO₂在锅炉中吸收的热量；

sCO₂循环效率

为：

式中：W_asu为空分设备功耗；W_cpu为CO₂压缩和纯化设备功耗；W_eq为***中其它主要设备功耗的和，包括脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp和脱硫装置的耗功W_fgd；W_ap为除去主要设备外的厂用电功耗；

电效率为η_e为：

(3)利用步骤(1)步骤(2)的仿真模型可以得出锅炉入口O₂浓度、排烟温度对锅炉效率和电效率的影响，利用python语言将上述的数学模型编写成程序，通过改变锅炉入口O₂浓度参数，就可以改变锅炉的燃烧程度，通过数学模型可以计算出不同O₂浓度对锅炉效率的影响；对于排烟温度的参数也可以在程序中进行修改，排烟温度越高，说明锅炉的热损失越多，则sCO₂工质吸收的热量就少，能量少的CO₂对透平的推力就小，因而影响电效率；

对于透平机械而言，透平入口温度和压力是影响其效率的因素，不同的入口温度和压力会造成透平效率的改变，通过更改程序中透平入口温度和压力可以计算出透平的效率，主压缩机入口温度和压力也通过设计的参数进行计算，根据实际的设备参数进行更改，程序计算出部件效率，同时计算出整个***的循环效率和电效率。

5.根据权利要求4所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，其特征在于，步骤(3)模型运行方法包括步骤如下：

对于布雷顿循环：

1)读入***设计参数，参数包括分流比x、工质总质量流量

透平入口温度、主压缩机入口温度、高温回热器效能、低温回热器效能、透平等熵效率、主压缩机等熵效率、再压缩机等熵效率；

2)首先求解sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、工质吸热量Q_c；已知T₁、T₅，及管线标号为1～10点的压力，对未知量T₃进行假设，设定一个初始值，初始值在T₂和T₆之间，然后利用假设的温度T₃和其它已知量，根据低温回热器的效率求解出低温回热器低压气体出口温度T₄和出口CO₂的焓值h₄；

3)利用低温回热器内能量守恒计算出高压侧气体出口温度T₇和出口CO₂的焓值h₇；

4)依据再压缩机等熵效率η_rc的计算式求解得出再压缩机出口处超临界二氧化碳的温度T₈和CO₂的焓值h₈；

5)再压缩机中的二氧化碳和低温回热器高压侧的二氧化碳流体在b点混合，由混合的能量守恒原理计算得到高压侧进入高温回热器的温度T₉和CO₂的焓值h₉，通过前面计算出的高温回热器的焓值计算出高温回热器效能ε_{htr_j}；

6)将实际的高温回热器效能ε_htr与计算得到的高温回热器效能ε_{htr_j}进行比较，如果ε_htr>ε_{htr_j},则减小步骤2)中假设的温度T₃,重新计算；如果ε_htr<ε_{htr_j},则增大步骤2)中假设的温度T₃,重新计算；直到|ε_htr-ε_{htr_j}|的值小于设定的误差值，停止对于温度T₃的假设，选取当前的值带入进行后续计算；

7)根据高温回热器的能量守恒定律计算的得出高压侧流出高温回热器的流体的温度T₁₀和h₁₀；

8)这样1～10点焓值就都计算得到，然后计算出sCO₂再压缩动力循环的透平做功W_t、主压缩机功耗W_mc、再压缩机功耗W_rc、工质吸热量Q_c；

对于外循环，主要计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗功W_fgd、空分设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的耗功W_ap；

9)计算理论氧气量，根据气体分析仪测算的过量氧气系数α计算实际氧气量，计算循环烟气量；

10)根据富氧燃烧下烟气成分表，计算烟气中成分容积；

11)由循环烟气量、烟气中成分容积根据道尔顿分压定律计算烟气容积、入口焓、烟气焓；

12)根据公式(15)计算排烟热损失q₂；

13)根据公式(16)计算锅炉效率η_b；

14)根据公式(17)计算燃煤量M；

15)利用富氧燃烧下烟气的成分表计算燃烧煤量M产生的烟气量与循环烟气量之和来得到的整个外循环一次的烟气量；

16)计算的是脱销装置的耗功W_src、静电除尘器的耗功W_esp、脱硫装置的耗功W_fgd、空分设备的耗功W_asu、CO₂压缩和纯化设备的耗功W_cpu和除去主要设备外的厂用电的耗功W_ap；

17)根据公式(18)计算sCO₂循环效率

根据公式(19)计算电效率，供设计人员参考。

6.根据权利要求4所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，其特征在于，步骤(1)中，分流比x的大小针对不同的工况选取不同的分流比，取值范围在0.65-0.8之间。

7.根据权利要求6所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，其特征在于，步骤(1)中，分流比x选取的值为0.721。

8.根据权利要求4所述的煤富氧燃烧下超临界CO₂再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合***的仿真方法，其特征在于，步骤(2)中，化学不完全燃烧热损失q₃为：固态排渣炉q₃＝0；机械不完全燃烧热损失q₄为：q₄＝1.1；散热损失q₅为：q₅＝0.2；灰渣物理热损失q₆为：q₆＝0。

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