化石蒸汽厂朗肯循环亚临界蒸汽

兰金循环(或蒸气)蒸汽循环)代表基本能源转换循环，提供全港70%的电力美国经济．从根本上说，它是将水转化为蒸汽，然后提取功，今天通常是通过转化为电来完成的(或者在热电联产的情况下，工业过程中的蒸汽)。第一个设计是在1712年末开发出来的，产生的循环效率低于2%。它花了近300年的时间才达到40%以上的效率，这是目前化石的最先进水平蒸汽的植物．如今，亚临界电站的蒸汽温度范围为537°C/ 1000°F至565°C/ 1050°F。

在美国，50%的电力是用煤作为主要能源产生的，释放约1吨二氧化碳/兆瓦时。从煤中提取的能量转化为热量，将水转化为蒸汽，并送入旋转的蒸汽轮机。亚临界机组(运行远低于3,200 psig)的总效率约为10,000 Btu/kW h，约为33%(如果燃料中含有大量的水，如褐煤或粉河盆地煤)。

10.4.1.1朗肯循环(超临界)

增加蒸汽压力和蒸汽温度会增加蒸汽携带的能量，然后汽轮机就可以提取更多的能量。在超临界条件下运行(高于3200 psig)，循环效率可以额外提高5%(取决于工厂规模、复杂性和燃料)。

超临界蒸汽机组的运行效率更高，如果燃料成本高，它们可能是首选的热力系统。美国第一家商业超临界电厂于1957年投入使用(由AEP运营)，第二家于1961年在费城建成。按照今天的标准，这两个装置都相对较小，分别为125和325 MWe。以任何标准衡量，这些单位都是开创性的，具有开拓性的，但并非没有早期问题。

到20世纪60年代中期，美国订购的所有机组中约有一半是超临界机组，这表明新技术最初的初期问题已基本解决。一些关键问题与材料有关，导致决定降低单位以提高可靠性。截至1986年，美国15%的机组在超临界蒸汽条件下运行。

在日本和欧洲，超临界机组在整个20世纪80年代及以后不断地被建造。在第一波之后的数年时间里，材料、启动、可控性和可靠性方面的问题才得以解决。在美国，大部分超临界化石蒸汽的建设在20世纪80年代停止了，部分原因是核能发电的引入，部分原因是国内煤炭的低成本不需要更极端的运行条件。

到2001年，新一轮超临界化石蒸汽电厂建设浪潮开始了。几乎全是新的发电厂考虑的将是超临界(即运行在临界条件之上的蒸汽)。在世界范围内，有400多座超临界电站在运行。

10.4.1.2超超临界

在更高的压力和温度下运行蒸汽和燃气轮机可以提高效率。将热电厂的运行条件提高到5000 psig和700°C以上，可以使运行效率接近50%以上，比目前的商业超临界电厂高出约10%。当金属在高温和高压(可能高达4000 - 5000 psig)下变弱时，需要克服极端的材料挑战。寻找能够在这些条件下长期工作的材料是研究工作的另一个方面。

一旦金属温度超过620°C(1150°F)阈值，主要由铁(铁氧体)组成的钢必须替换为更奇特的、昂贵的、难以焊接和加工的镍基合金。为这些特殊条件提出的一些材料导热性能不如在不太恶劣的条件下使用的材料(即，在当今生产的最先进的锅炉和蒸汽轮机中发现的条件)。在一些更极端的条件下(接近700°C/ 1290°F)，可能需要非常昂贵的合金，如铬镍铁合金或哈氏合金。这就要求高压蒸汽管道、蒸汽涡轮叶片、叶片和外壳都要用材料来制造，以应对这些条件，这些材料也相当昂贵。

还在设计阶段的超高效率工厂需要特殊材料，如果化石工厂必须采用能源密集型，就需要高效率燃烧后碳捕获的排放控制。所有已知的碳捕获过程都大大降低了机组性能。因此，将电站的核心效率提高到最大是至关重要的，这样一旦额外的控制到位，效率损失就会被抵消。如果不能弥补效率上的损失，就需要更大的设备，消耗更多碳燃料在不受控制的情况下产生与机组相同的能量产量。从另一个角度考虑:如果我们使用现有的锅炉技术，将需要开采和消耗更多的煤炭，因为燃料中的很大一部分能量将需要运行碳捕获系统。

我们显然有工具来建模、设计，甚至建造可以在提取二氧化碳的同时发电的设施。对电力和效率的影响，以及最终对消费者成本的影响，尚未得到解决。这就是为什么提高工厂效率(每吨二氧化碳增加兆瓦时)或使用低碳燃料(天然气)为这个极具挑战性的问题提供了一个方便的短期解决方案。选择NGCC方案的一个主要好处是可以实现更低的二氧化碳排放量和更高的效率，显著高于任何竞争技术。与其他化石燃料发电相比，在一个已经显示出明显较低二氧化碳排放的来源上增加排放控制，这种好处可能很快就会失去。天然气选择只有在天然气供应充足的情况下才具有长期可行性。幸运的是，情况似乎就是这样。非常规天然气(页岩气和天然气)的供应煤层甲烷)和海上供应使得天然气选择更加可行。虽然美国似乎在“非常规天然气扩张”方面处于世界领先地位，但这些地质结构并非北美所独有，几乎在每个大陆都可以找到，这使得它成为一个长期的全球选择。因此，我们在美国解决这一问题时学到的经验，可以很容易地适用于其他面临同样问题的主要经济体。

10.4.1.3联合循环

结合了兰金和布雷顿循环在过去的几十年里产生了最大的效率提升。蒸汽循环在40-45%的范围内达到峰值，空气循环接近于此，将两种循环结合起来能够产生55-60%的整体循环效率。由于这些机组绝大多数以天然气作为主要燃料，循环效率和燃料碳含量的混合是二氧化碳排放水平达到0.3-0.35吨/兆瓦时范围的主要原因。要达到这些性能水平还需要数十年的研发。在20世纪70年代，燃气轮机部件的工作温度被限制在760°C，效率在28-30%的范围内。使用最先进的材料、设计方法和冷却策略，现在的工作温度在1300 - 1400°C范围内。这一进程经历了近40年，至今仍在继续。

继续阅读:碳捕获和控制系统

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