热力发电循环的改进思路目前热力发电循环主要由两种方式,一种是蒸汽朗肯循环,也就是人们常说的燃煤发电循环,至今有已有一百多年的历史;另一种是燃气布雷顿循环,在上世纪四五年代开始发展,技术也得到了一定的进步。
蒸汽循环采用水作为工质,将水加热变成蒸汽用于推动轮机发电,能够达到的温度较低,仅有600℃左右,由于水蒸汽的密度较小,因此热力发电设备的体积较大。
蒸汽循环由于存在汽化和凝结过程,导致热效率低下。
燃气循环采用燃气与空气混合燃烧,利用烟气作为工质,推动轮机发电,主要由氮气、二氧化碳、氧气等气体组成,其中氮气量最大,因此密度与空气相近,烟气的温度可以达到1500℃以上,因此可以达到更高的效率。
由以上可以看出,热力发电循环工质在整个循环中起关键作用,一个是工质的压力温度参数,另一个则是密度,也就是动能的承载能力。
个人认为热力发电循环有以下改进思路;一、尽可能采用大分子气体循环目前采用的蒸汽循环,分子量只有18,如果采用空气,则会有29,采用二氧化碳,则将达到44。
按照动能公式E=1/2mv2,分子量越大,设备的体积也会越小,制造难度也会越大。
二氧化碳二、采用更高的工质温度压力参数以常温常压作为基点,工质的温度压力越高,所携带的能量就会越大,具有的释放能量的能力也会越大。
压力可以看做决定动力循环过程的路径长度的参数,压力越高,循环次数、长度也会增加。
温度则可以看做是热量的承载能力,温度越高,吸收的热量越多,工质的焓值越高。
三、热力循环构建思路由上所述,更高效的热力循环研究可以从以下方面入手。
1.研究高效的气体压缩途径。
采用间冷的轴流压缩方式,对产生的热量合理利用。
采用容积压缩方式,提高工质的压缩比。
气体压缩是需要持续研究的重点。
上世纪四十年代以前的航空发动机多采用活塞容积式的方式,四十年代之后发明了轴流发动机,获得了更大的流量和能量转化效率。
但对于地面的热力循环来说,过低的压比限制了做功路径的长度,透平排烟温度超过600℃。
2.采用二氧化碳循环。
单位体积二氧化碳循环能量承载能力更强。
如按照目前燃煤机组参数,温度可以达到600℃,采用合理的压缩方式,可以获得更高的效率,设备体积也将会大幅缩小。
如构建温度更高的燃气循环,采用分子筛空分技术、水分解技术获得氧气,与二氧化碳按比例混合,则可以与燃气混合燃烧,温度可达1500℃,形成更加高效的二氧化碳循环,这样的循环能够排出高浓度的二氧化碳,可以直接进行封存或简单处理后利用。
相较于煤基二氧化碳循环,高温烟气式二氧化碳循环更有潜力。
轮机3.采用压缩空气循环。
压缩空气通过压缩,加热,并设置轮机,能够形成热力循环。
目前研究的压缩空气储能即为采用高压压缩空气,在电力高峰时送入膨胀机发电。
压缩空气可以用于助燃,如果接入燃气可以燃烧,形成高温高压烟气,获得更高的能力,也可以大幅提高热力效率。
4.采用不凝结的蒸汽循环。
采用合理的方式对蒸汽进行压缩,将整个热力循环提升至水线之上进行,能够避免50%凝结换热的冷源损失。
有人说气体压缩耗功过大,但目前的研究并未证实这一点。
从目前试验的二氧化碳循环、燃气循环来看,气体压缩是可行的。
将蒸汽工质进行压缩,再次加热,能够重新获得热能和动能,具有一定的研究价值,并能对已建的蒸汽机组进行改造,重新利用,获得更高的效率。
5.太阳能辐射汇聚加热工质可以获得更高的温度,用于加热盐类可以进行热力储能,通过光热发电获得高质量的电能,其热力系统也可以采用二氧化碳循环,减小设备的体积。
光热发电储能6.研究高效的容积循环。
对容器中的气体加热,可以同时获得很高的压力和温度,避免采用轴流风机等机械方式对气体压缩,耗用大量的机械功。
设计带有输送逆止功能的设备可以防止气体回流,通过加热可提高压力,将压力最高点设置在加热点,工质同时达到更高的压力和温度。
带有输送逆止功能的装置能够防止工质回流,并能获得连续的工质流量,消除爆震增压加热方式的缺点,具有一定的研究价值。
容积加压加热