吳毅,王旭榮,楊翼,戴義平

?

以液化天然氣為冷源的超臨界CO2-跨臨界CO2冷電聯(lián)供系統(tǒng)

吳毅,王旭榮,楊翼,戴義平

跨臨界CO2(TCO2)發(fā)電系統(tǒng)在低溫回收領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢,這是因?yàn)镃O2臨界參數(shù)較低(臨界壓力為7.38 MPa,臨界溫度為31.1 ℃),很容易實(shí)現(xiàn)超臨界狀態(tài),使熱源的放熱溫度曲線和CO2吸熱溫度曲線達(dá)到很好的匹配,提高了熱力循環(huán)的平均吸熱溫度,具有較高的能源轉(zhuǎn)換效率[1]。Chen等研究了應(yīng)用于低溫余熱回收的TCO2動力循環(huán)的性能,并與有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)做了比較,發(fā)現(xiàn)在相同熱源條件下回收低品質(zhì)余熱,TCO2動力循環(huán)比ORC的凈功率大[2]。之后,有學(xué)者開始將TCO2循環(huán)和其他熱力系統(tǒng)集成在一起,以提高總的能源利用效率。文獻(xiàn)[3-5]均設(shè)計了太陽能驅(qū)動的TCO2循環(huán),以實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩吹亩嗉壚?。Lin將TCO2循環(huán)用于燃?xì)廨啓C(jī)的余熱回收[6]。近期,Wang等提出將TCO2循環(huán)作為底循環(huán),與超臨界CO2布雷頓循環(huán)(SCO2循環(huán))結(jié)合起來,將SCO2-TCO2聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用于反應(yīng)堆系統(tǒng),研究結(jié)果顯示系統(tǒng)熱效率可達(dá)到45.92%,比單獨(dú)SCO2循環(huán)熱效率提高了4%[7-8]。

但是,由于CO2的臨界點(diǎn)溫度非常接近于環(huán)境溫度,用冷卻水對CO2進(jìn)行冷凝有一定的限制,并且TCO2循環(huán)中冷凝溫度僅略低于CO2的臨界點(diǎn)溫度,限制了TCO2循環(huán)的回收熱效率,因此需要使用更低溫度的冷卻劑去冷凝CO2。LNG因?yàn)闇囟冉咏?12 K(-161 ℃),已作為CO2的冷卻劑被用在熱力循環(huán)中[6,1]。

針對上述問題,本文提出了一種以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng),應(yīng)用于反應(yīng)堆系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對外輸出電能和制冷量。作為頂循環(huán)SCO2循環(huán)采用分流再壓縮式布雷頓循環(huán),比簡單的SCO2循環(huán)具有更高的熱效率,底循環(huán)采用TCO2循環(huán),實(shí)現(xiàn)對頂循環(huán)的余熱回收。TCO2循環(huán)采用LNG對工質(zhì)進(jìn)行冷凝,由于冷凝溫度較低,泵出口的CO2溫度低于環(huán)境溫度,因此在循環(huán)中加入一個預(yù)熱器,作為制冷器來回收CO2的冷能,以產(chǎn)生制冷量。文中對該冷電聯(lián)供系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了熱力學(xué)分析和火用分析。

1 系統(tǒng)描述

1.1 循環(huán)流程

圖1給出了以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng)的示意圖,該系統(tǒng)包括SCO2頂循環(huán)和TCO2底循環(huán)兩個子系統(tǒng),圖2給出了系統(tǒng)的溫-熵(T-s)圖。

圖1 以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

SCO2頂循環(huán)包括反應(yīng)堆、透平、2個壓縮機(jī)、低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞骱皖A(yù)冷器7個主要部件。如圖1所示:一部分CO2氣體通過一級壓縮機(jī)被壓縮至高壓,在低溫回?zé)崞髦蓄A(yù)熱至二級壓縮機(jī)出口溫度,并與二級壓縮機(jī)出口的CO2氣體混合;混合后的CO2氣體繼續(xù)在高溫回?zé)崞髦屑訜?然后經(jīng)過反應(yīng)堆加熱至循環(huán)最高溫度;高溫的超臨界CO2氣體進(jìn)入SCO2透平膨脹做功,輸出電量,之后CO2氣體分別在高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞髦袚Q熱;經(jīng)過低溫回?zé)崞鞯腃O2氣體分流,一部分CO2氣體在二級壓縮機(jī)中壓縮,另一部分CO2氣體在預(yù)冷器進(jìn)一步降溫,將熱量傳遞給TCO2底循環(huán)。

1～15:狀態(tài)點(diǎn)圖2 以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng)T-s圖

TCO2底循環(huán)包括透平、冷凝器、泵、制冷器4個部件。工質(zhì)經(jīng)過預(yù)冷器吸收來自SCO2頂循環(huán)的低溫?zé)崃?形成高溫的CO2,然后進(jìn)入TCO2透平膨脹做功,輸出電量。透平排氣在冷凝器中冷凝,LNG作為冷源。LNG成為氣態(tài)后可進(jìn)一步利用,例如作為船舶上燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)饣蛘咄ㄟ^管道輸送給用戶。冷凝后的飽和CO2液體被泵加壓,CO2在制冷器中被加熱至接近環(huán)境溫度,并產(chǎn)生制冷量。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,本文做了如下假設(shè):

(1)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動狀態(tài);

(2)系統(tǒng)中的設(shè)備與環(huán)境不進(jìn)行換熱;

(3)換熱器與連接管道的壓力損失可忽略不計;

(4)冷凝器出口的工質(zhì)為飽和液態(tài)。

基于以上假設(shè),根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律,可以對各設(shè)備建立數(shù)學(xué)模型。

高溫回?zé)崞鲹Q熱效率可定義為[9]

(1)

低溫回?zé)崞鲹Q熱效率可定義為[9]

(2)

系統(tǒng)凈輸出功為

(3)

系統(tǒng)制冷量為

(4)

系統(tǒng)熱效率為

(5)

反應(yīng)堆的熱量火用為[1]

(6)

式中:T0為環(huán)境溫度;Tr為反應(yīng)堆的溫度。

系統(tǒng)輸出制冷火用為

(7)

系統(tǒng)的火用效率為

(8)

2 計算與分析

系統(tǒng)工質(zhì)熱物理性質(zhì)按照NIST數(shù)據(jù)庫提供的REFPROP軟件[10]進(jìn)行計算。在Matlab平臺上搭建系統(tǒng)的仿真程序。表1列出了系統(tǒng)的計算條件,其中系統(tǒng)各部件的效率值參考文獻(xiàn)[7],高、低溫回?zé)崞鞯膿Q熱效率值參考文獻(xiàn)[9]。

表1 系統(tǒng)計算條件

經(jīng)過計算,該系統(tǒng)的熱效率(動力)在給定的條件下達(dá)到了54.47%,高于文獻(xiàn)[7]的系統(tǒng)在相同條件下的熱效率45.92%。這是因?yàn)楸疚闹惺褂肔NG作為冷源,使得TCO2底循環(huán)中CO2冷凝溫度降低,降低了TCO2透平出口的壓力,增加了TCO2透平的膨脹功,從而提高了系統(tǒng)的熱效率。

表2給出了整個系統(tǒng)火用輸入、火用輸出及各個設(shè)備的火用損失,從表中可以看出,系統(tǒng)的火用輸入包括反應(yīng)堆提供的熱量火用和LNG提供的冷量火用。冷凝器中的火用損最大,這是由冷凝器入口較大的溫度差引起的,并且溫度差越大,火用損越大[4]。因此,可以通過升高LNG入口溫度來減小冷凝器中的火用損,可將LNG先通過其他方式進(jìn)行預(yù)熱,例如用于干冰生產(chǎn)過程,然后再對SCO2透平的排氣進(jìn)行冷凝,實(shí)現(xiàn)LNG冷能的多級利用。經(jīng)過計算,如果將LNG入口溫度增加至-70 ℃,冷凝器的火用損將會從91.94 kW降至16.54 kW,整個循環(huán)系統(tǒng)的火用效率將從40.83%增加至59.02%。同時,由于系統(tǒng)中制冷器的增加,減小了預(yù)冷器冷熱流體的溫差,從而降低了預(yù)冷器的火用損。

表2 系統(tǒng)火用輸入、火用輸出及各個設(shè)備的火用損失

圖3給出了高溫回?zé)崞鲹Q熱效率對系統(tǒng)性能的影響,從圖中可以看出,隨著高溫回?zé)崞鲹Q熱效率的升高,系統(tǒng)凈輸出功增加。高溫回?zé)崞鲹Q熱效率升高意味著換熱器出口冷流體溫度升高,熱流體出口溫度降低,在反應(yīng)堆吸熱量不變的情況下,SCO2循環(huán)中系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量增加,系統(tǒng)做功增加,而制冷量隨著高溫回?zé)崞鲹Q熱效率的增加而減小。這是因?yàn)轭A(yù)冷器入口工質(zhì)溫度降低,引起TCO2循環(huán)中的工質(zhì)質(zhì)量流量相應(yīng)減小,因此制冷量減小。另外,由于系統(tǒng)凈輸出功的增加量大于制冷量的減小量,因此系統(tǒng)熱效率增加,同時也使得系統(tǒng)的火用效率增加。

圖3 高溫回?zé)崞鲹Q熱效率對系統(tǒng)性能的影響

圖4給出了SCO2透平膨脹比對系統(tǒng)性能的影響,從圖中可以看出,當(dāng)SCO2透平膨脹比增加時,系統(tǒng)凈輸出功增大,這是由SCO2透平膨脹功、壓縮機(jī)(一級和二級)的耗功和TCO2循環(huán)凈輸出功三者共同作用所致。隨著SCO2透平膨脹比的增加,SCO2透平膨脹功增加,但壓縮機(jī)的耗功增加,一級壓縮機(jī)的工質(zhì)質(zhì)量流量減小,引起TCO2循環(huán)中工質(zhì)質(zhì)量流量減小,從而TCO2循環(huán)凈輸出功減小,但是SCO2透平膨脹功的增加量大于壓縮機(jī)耗功的增加量及TCO2循環(huán)凈輸出功的減小量之和。另外,制冷量也隨著SCO2透平膨脹比的增加而減小,這是由于TCO2循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量減小所致。當(dāng)SCO2透平膨脹比增加時,系統(tǒng)的熱效率隨之減小,這是由系統(tǒng)凈輸出功、制冷量共同決定的,但制冷量變化幅度較大,占主導(dǎo)作用。最后,系統(tǒng)的火用效率隨SCO2透平膨脹比增加而增加,這主要是由系統(tǒng)輸入冷火用量大幅度減小引起的。

圖4 SCO2透平膨脹比對系統(tǒng)性能的影響

圖5給出了TCO2透平進(jìn)口壓力對系統(tǒng)性能的影響,從圖中可以看出,隨著TCO2透平進(jìn)口壓力的升高,系統(tǒng)凈輸出功率先增加后降低,存在一個最優(yōu)壓力使得系統(tǒng)的凈輸出功率最大。隨TCO2透平進(jìn)口壓力升高,TCO2循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量相應(yīng)增大,TCO2透平膨脹功增大,但是增壓泵的耗功也相應(yīng)增加。系統(tǒng)凈輸出功率開始增大是因?yàn)門CO2透平膨脹功增大量大于增壓泵的耗功,系統(tǒng)凈輸出功率開始減小是因?yàn)門CO2透平膨脹功增大量小于增壓泵的耗功。另外,隨TCO2透平進(jìn)口壓力升高,增壓泵出口壓力升高,使得制冷器入口溫度升高,制冷量減少,但是由于TCO2循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量也在增加,因此在二者共同作用下系統(tǒng)制冷量先減小后增加。當(dāng)TCO2透平進(jìn)口壓力升高時,系統(tǒng)熱效率先減小再升高再減小,變化幅度比較小。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)凈輸出功和制冷量共同作用的結(jié)果,剛開始制冷量起主要作用,后來系統(tǒng)凈輸出功起主要作用。隨著TCO2透平進(jìn)口壓力升高,系統(tǒng)火用效率也呈現(xiàn)先減小再升高再減小的變化趨勢。這是因?yàn)橄到y(tǒng)火用效率受到系統(tǒng)凈輸出功、制冷火用以及LNG冷火用輸入量三者的共同作用,而LNG冷火用輸入量隨TCO2透平進(jìn)口壓力升高一直呈現(xiàn)增大趨勢,所以剛開始系統(tǒng)凈輸出(動力+制冷)變化起主要作用,系統(tǒng)火用效率變化趨勢與系統(tǒng)熱效率變化趨勢一致,后來LNG冷火用輸入量變化起主要作用,導(dǎo)致系統(tǒng)火用效率呈減小趨勢。

圖5 TCO2透平進(jìn)口壓力對系統(tǒng)性能的影響

圖6給出了冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響。隨著冷凝溫度升高,系統(tǒng)的凈輸出功減少,這是因?yàn)門CO2透平出口壓力升高,TCO2透平膨脹功減小。制冷量隨著冷凝溫度升高而降低,是因?yàn)橹评淦魅肟诠べ|(zhì)溫度升高,從而吸熱量減少。由于TCO2循環(huán)中做功與制冷量均減少,則系統(tǒng)熱效率也相應(yīng)減小。另外,從圖6中還可看出,當(dāng)冷凝溫度升高,系統(tǒng)火用效率先減小后增加。這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度升高時,LNG出口溫度降低,即LNG向系統(tǒng)輸入的冷火用量減少,且變化幅度小于制冷火用的減少量,所以系統(tǒng)火用效率開始先減小;系統(tǒng)火用效率后來增加是因?yàn)長NG向系統(tǒng)輸入的冷火用量的減小量大于制冷火用的減少量。

圖6 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

3 結(jié) 論

(1)由于本文使用LNG作為冷源,降低了TCO2循環(huán)中CO2的冷凝溫度,增加了透平的膨脹功,從而提高了系統(tǒng)的熱效率,系統(tǒng)的熱效率(動力)在文中給定的條件下達(dá)到了54.47%。

(2)通過火用分析模型可以對系統(tǒng)各設(shè)備火用損進(jìn)行分析,為系統(tǒng)的性能改善及優(yōu)化提供了依據(jù)。減小換熱器的兩端溫差,合理選擇LNG入口溫度,有利于減小換熱器的火用損,提高系統(tǒng)火用效率。

(3)隨著SCO2透平膨脹比增加,系統(tǒng)熱效率降低,但系統(tǒng)火用效率增加;隨著高溫回?zé)崞鲹Q熱效率的增加,系統(tǒng)熱效率和火用效率均增加;TCO2透平進(jìn)口壓力及冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律則較為復(fù)雜。

目前,對以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng)研究處于熱力學(xué)基礎(chǔ)計算階段,下一步需要考慮經(jīng)濟(jì)成本、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性等諸多問題,為實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

[1] 王江峰. 基于有機(jī)工質(zhì)的中低溫?zé)嵩蠢梅椒捌錈崃ο到y(tǒng)集成研究 [D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2010.

[2] CHEN Y, LUNDQVIST P, JOHANSSON A, et al. A comparative study of the carbon dioxide transcritical power cycle compared with an organic Rankine cycle with R123 as working fluid in waste heat recovery [J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(17/18): 2142-2147.

[3] WANG Jiangfeng, ZHAO Pan, NIU Xiaoqiang, et al. Parametric analysis of a new combined cooling, heating and power system with transcritical CO2driven by solar energy [J]. Applied Energy, 2012, 94: 58-64.

[4] SUN Zhixin, WANG Jiangfeng, DAI Yiping. Exergy analysis and optimization of a hydrogen production process by a solar-liquefied natural gas hybrid driven transcritical CO2power cycle [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(24): 18731-18739.

[5] XIA Guanghui, SUN Qingxuan, CAO Xu, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a solar-powered transcritical CO2(carbon dioxide) power cycle for reverse osmosis desalination based on the recovery of cryogenic energy of LNG (liquefied natural gas) [J]. Energy, 2014, 66: 643-653.

[6] LIN Wensheng, HUANG Meibin, HE Hongming, et al. A transcritical CO2Rankine cycle with LNG cold energy utilization and liquefaction of CO2in gas turbine exhaust [J]. ASME Journal of Energy Resources, 2009, 131(4): 042201.

[7] WANG Xurong, WU Yi, WANG Jiangfeng, et al. Thermo-economic analysis of a recompression supercritical CO2cycle combined with a transcritical CO2cycle [C]∥ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. New York, USA: ASME, 2015: GT2015-42033.

[8] ZHANG N, LIOR N. A novel near-zero CO2emission thermal cycle with LNG cryogenic exergy utilization [J]. Energy, 2006, 31(10/11): 1666-1679.

[9] SARKAR J. Second law analysis of supercritical CO2recompression Brayton cycle [J]. Energy, 2009, 34(9): 1172-1178.

[10]LEMMON E W, HUBER M L, MCLINDEN M O. NIST reference fluid thermodynamic and transport properties: REFPROP, NIST standard reference database 23 [DB]. version 9.0. Boulder, USA: National Institute of Standards and Technology, 2010.

(編輯 荊樹蓉)

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安)

為了提高超臨界CO2布雷頓循環(huán)(SCO2循環(huán))的低溫余熱回收效率,采用跨臨界CO2循環(huán)(TCO2循環(huán))作為底循環(huán)對再壓縮式SCO2循環(huán)進(jìn)行余熱回收,并采用液化天然氣(LNG)為冷源對工質(zhì)進(jìn)行冷凝,建立了以LNG為冷源的再壓縮式SCO2-TCO2冷電聯(lián)供系統(tǒng),以同時輸出電量和制冷量。對系統(tǒng)進(jìn)行火用分析比較,并研究了關(guān)鍵熱力參數(shù)對系統(tǒng)凈輸出功率、制冷量、系統(tǒng)熱效率和系統(tǒng)火用效率的影響。結(jié)果顯示:使用LNG作為冷源,降低了TCO2循環(huán)的冷凝溫度,提高了低溫回收熱效率,系統(tǒng)的熱效率(動力)在給定的條件下達(dá)到54.47%;提高LNG的入口溫度,可以減小系統(tǒng)火用損;高溫回?zé)崞鲹Q熱效率增加,系統(tǒng)熱效率和火用效率均增加;SCO2透平膨脹比增加,系統(tǒng)熱效率降低,但火用效率增加;TCO2透平進(jìn)口壓力升高,系統(tǒng)熱效率和火用效率均呈現(xiàn)先減小再升高后減小的變化趨勢;隨著冷凝溫度升高,系統(tǒng)熱效率降低,但火用效率先減小后增加。

低溫余熱回收;超臨界CO2循環(huán);跨臨界CO2循環(huán);液化天然氣;冷電聯(lián)產(chǎn)

A Combined Cooling and Power System of Supercritical/Transcritical CO2Cycle with Liquefied Natural Gas as Cool Source

WU Yi,WANG Xurong,YANG Yi,DAI Yiping

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the efficiency of low-temperature waste heat recovery for the supercritical CO2Brayton cycle(SCO2cycle), a cooling and power system combining recompression SCO2cycle with transcritical CO2cycle(TCO2cycle)and with liquefied natural gas as the heat sink was established to yield electricity and cold capacity. A TCO2cycle was employed as a bottoming cycle to recover the waste heat in the topping recompression SCO2cycle, and liquefied natural gas (LNG) was adopted to condense the CO2in the TCO2cycle to improve the heat recovery efficiency. Exergy analysis was performed and the effects of several key thermodynamic parameters on the system performance were examined according to the performance criteria, including net power output, refrigeration output, overall cycle thermal efficiency and exergy efficiency. The results show that the lower condensation temperature in the TCO2cycle could improve the heat recovery efficiency, with the thermal efficiency of 54.47% under given conditions when LNG was adopted as heat sink. Moreover, an increase in the LNG inlet temperature can lead to a reduction in exergy loss of the system. Furthermore, both thermal and exergy efficiency increase when the high-temperature recuperator efficiency increases; when the SCO2turbine expansion ratio increases, the thermal efficiency declines while exergy efficiency increases; with the increase of TCO2turbine inlet pressure, both thermal and exergy efficiency increase first, and then declines and increases at last; as the condensation temperature increases, the thermal efficiency deceases and exergy efficiency increases firstly and then declines.

low-temperature waste heat recovery; supercritical CO2cycle; transcritical CO2cycle; liquefied natural gas; combined cooling and power system

2015-01-12。 作者簡介:吳毅(1992—),女,碩士生;戴義平(通信作者),男,教授。

時間:2015-06-04

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150604.1711.003.html

10.7652/xjtuxb201509011

TK11

A

0253-987X(2015)09-0058-05