以液化天然氣為冷源的超臨界CO2-跨臨界CO2冷電聯供系統

吳毅,王旭榮,楊翼,戴義平

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以液化天然氣為冷源的超臨界CO2-跨臨界CO2冷電聯供系統

吳毅,王旭榮,楊翼,戴義平

跨臨界CO2(TCO2)發電系統在低溫回收領域具有很大的優勢,這是因為CO2臨界參數較低(臨界壓力為7.38 MPa,臨界溫度為31.1 ℃),很容易實現超臨界狀態,使熱源的放熱溫度曲線和CO2吸熱溫度曲線達到很好的匹配,提高了熱力循環的平均吸熱溫度,具有較高的能源轉換效率[1]。Chen等研究了應用于低溫余熱回收的TCO2動力循環的性能,并與有機朗肯循環(ORC)做了比較,發現在相同熱源條件下回收低品質余熱,TCO2動力循環比ORC的凈功率大[2]。之后,有學者開始將TCO2循環和其他熱力系統集成在一起,以提高總的能源利用效率。文獻[3-5]均設計了太陽能驅動的TCO2循環,以實現低溫熱源的多級利用。Lin將TCO2循環用于燃氣輪機的余熱回收[6]。近期,Wang等提出將TCO2循環作為底循環,與超臨界CO2布雷頓循環(SCO2循環)結合起來,將SCO2-TCO2聯合循環應用于反應堆系統,研究結果顯示系統熱效率可達到45.92%,比單獨SCO2循環熱效率提高了4%[7-8]。

但是,由于CO2的臨界點溫度非常接近于環境溫度,用冷卻水對CO2進行冷凝有一定的限制,并且TCO2循環中冷凝溫度僅略低于CO2的臨界點溫度,限制了TCO2循環的回收熱效率,因此需要使用更低溫度的冷卻劑去冷凝CO2。LNG因為溫度接近于112 K(-161 ℃),已作為CO2的冷卻劑被用在熱力循環中[6,1]。

針對上述問題,本文提出了一種以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯供系統,應用于反應堆系統,實現對外輸出電能和制冷量。作為頂循環SCO2循環采用分流再壓縮式布雷頓循環,比簡單的SCO2循環具有更高的熱效率,底循環采用TCO2循環,實現對頂循環的余熱回收。TCO2循環采用LNG對工質進行冷凝,由于冷凝溫度較低,泵出口的CO2溫度低于環境溫度,因此在循環中加入一個預熱器,作為制冷器來回收CO2的冷能,以產生制冷量。文中對該冷電聯供系統建立了數學模型,并進行了熱力學分析和火用分析。

1 系統描述

1.1 循環流程

圖1給出了以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯供系統的示意圖,該系統包括SCO2頂循環和TCO2底循環兩個子系統,圖2給出了系統的溫-熵(T-s)圖。

圖1 以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯供系統流程圖

SCO2頂循環包括反應堆、透平、2個壓縮機、低溫回熱器、高溫回熱器和預冷器7個主要部件。如圖1所示:一部分CO2氣體通過一級壓縮機被壓縮至高壓,在低溫回熱器中預熱至二級壓縮機出口溫度,并與二級壓縮機出口的CO2氣體混合;混合后的CO2氣體繼續在高溫回熱器中加熱,然后經過反應堆加熱至循環最高溫度;高溫的超臨界CO2氣體進入SCO2透平膨脹做功,輸出電量,之后CO2氣體分別在高溫回熱器和低溫回熱器中換熱;經過低溫回熱器的CO2氣體分流,一部分CO2氣體在二級壓縮機中壓縮,另一部分CO2氣體在預冷器進一步降溫,將熱量傳遞給TCO2底循環。

1～15:狀態點圖2 以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯供系統T-s圖

TCO2底循環包括透平、冷凝器、泵、制冷器4個部件。工質經過預冷器吸收來自SCO2頂循環的低溫熱量,形成高溫的CO2,然后進入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成為氣態后可進一步利用,例如作為船舶上燃氣輪機的燃氣或者通過管道輸送給用戶。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境溫度,并產生制冷量。

1.2 數學模型

為了簡化系統的數學模型,本文做了如下假設:

(1)系統處于穩定流動狀態;

(2)系統中的設備與環境不進行換熱;

(3)換熱器與連接管道的壓力損失可忽略不計;

(4)冷凝器出口的工質為飽和液態。

基于以上假設,根據質量和能量守恒定律,可以對各設備建立數學模型。

高溫回熱器換熱效率可定義為[9]

(1)

低溫回熱器換熱效率可定義為[9]

(2)

系統凈輸出功為

(3)

系統制冷量為

(4)

系統熱效率為

(5)

反應堆的熱量火用為[1]

(6)

式中:T0為環境溫度;Tr為反應堆的溫度。

系統輸出制冷火用為

(7)

系統的火用效率為

(8)

2 計算與分析

系統工質熱物理性質按照NIST數據庫提供的REFPROP軟件[10]進行計算。在Matlab平臺上搭建系統的仿真程序。表1列出了系統的計算條件,其中系統各部件的效率值參考文獻[7],高、低溫回熱器的換熱效率值參考文獻[9]。

表1 系統計算條件

經過計算,該系統的熱效率(動力)在給定的條件下達到了54.47%,高于文獻[7]的系統在相同條件下的熱效率45.92%。這是因為本文中使用LNG作為冷源,使得TCO2底循環中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,從而提高了系統的熱效率。

表2給出了整個系統火用輸入、火用輸出及各個設備的火用損失,從表中可以看出,系統的火用輸入包括反應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先通過其他方式進行預熱,例如用于干冰生產過程,然后再對SCO2透平的排氣進行冷凝,實現LNG冷能的多級利用。經過計算,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,整個循環系統的火用效率將從40.83%增加至59.02%。同時,由于系統中制冷器的增加,減小了預冷器冷熱流體的溫差,從而降低了預冷器的火用損。

表2 系統火用輸入、火用輸出及各個設備的火用損失

圖3給出了高溫回熱器換熱效率對系統性能的影響,從圖中可以看出,隨著高溫回熱器換熱效率的升高,系統凈輸出功增加。高溫回熱器換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,在反應堆吸熱量不變的情況下,SCO2循環中系統工質質量流量增加,系統做功增加,而制冷量隨著高溫回熱器換熱效率的增加而減小。這是因為預冷器入口工質溫度降低,引起TCO2循環中的工質質量流量相應減小,因此制冷量減小。另外,由于系統凈輸出功的增加量大于制冷量的減小量,因此系統熱效率增加,同時也使得系統的火用效率增加。

圖3 高溫回熱器換熱效率對系統性能的影響

圖4給出了SCO2透平膨脹比對系統性能的影響,從圖中可以看出,當SCO2透平膨脹比增加時,系統凈輸出功增大,這是由SCO2透平膨脹功、壓縮機(一級和二級)的耗功和TCO2循環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,但壓縮機的耗功增加,一級壓縮機的工質質量流量減小,引起TCO2循環中工質質量流量減小,從而TCO2循環凈輸出功減小,但是SCO2透平膨脹功的增加量大于壓縮機耗功的增加量及TCO2循環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循環工質質量流量減小所致。當SCO2透平膨脹比增加時,系統的熱效率隨之減小,這是由系統凈輸出功、制冷量共同決定的,但制冷量變化幅度較大,占主導作用。最后,系統的火用效率隨SCO2透平膨脹比增加而增加,這主要是由系統輸入冷火用量大幅度減小引起的。

圖4 SCO2透平膨脹比對系統性能的影響

圖5給出了TCO2透平進口壓力對系統性能的影響,從圖中可以看出,隨著TCO2透平進口壓力的升高,系統凈輸出功率先增加后降低,存在一個最優壓力使得系統的凈輸出功率最大。隨TCO2透平進口壓力升高,TCO2循環工質質量流量相應增大,TCO2透平膨脹功增大,但是增壓泵的耗功也相應增加。系統凈輸出功率開始增大是因為TCO2透平膨脹功增大量大于增壓泵的耗功,系統凈輸出功率開始減小是因為TCO2透平膨脹功增大量小于增壓泵的耗功。另外,隨TCO2透平進口壓力升高,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循環工質質量流量也在增加,因此在二者共同作用下系統制冷量先減小后增加。當TCO2透平進口壓力升高時,系統熱效率先減小再升高再減小,變化幅度比較小。這主要是因為系統凈輸出功和制冷量共同作用的結果,剛開始制冷量起主要作用,后來系統凈輸出功起主要作用。隨著TCO2透平進口壓力升高,系統火用效率也呈現先減小再升高再減小的變化趨勢。這是因為系統火用效率受到系統凈輸出功、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透平進口壓力升高一直呈現增大趨勢,所以剛開始系統凈輸出(動力+制冷)變化起主要作用,系統火用效率變化趨勢與系統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,導致系統火用效率呈減小趨勢。

圖5 TCO2透平進口壓力對系統性能的影響

圖6給出了冷凝溫度對系統性能的影響。隨著冷凝溫度升高,系統的凈輸出功減少,這是因為TCO2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,是因為制冷器入口工質溫度升高,從而吸熱量減少。由于TCO2循環中做功與制冷量均減少,則系統熱效率也相應減小。另外,從圖6中還可看出,當冷凝溫度升高,系統火用效率先減小后增加。這是因為當冷凝溫度升高時,LNG出口溫度降低,即LNG向系統輸入的冷火用量減少,且變化幅度小于制冷火用的減少量,所以系統火用效率開始先減小;系統火用效率后來增加是因為LNG向系統輸入的冷火用量的減小量大于制冷火用的減少量。

圖6 冷凝溫度對系統性能的影響

3 結 論

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

(2)通過火用分析模型可以對系統各設備火用損進行分析,為系統的性能改善及優化提供了依據。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,提高系統火用效率。

(3)隨著SCO2透平膨脹比增加,系統熱效率降低,但系統火用效率增加;隨著高溫回熱器換熱效率的增加,系統熱效率和火用效率均增加;TCO2透平進口壓力及冷凝溫度對系統性能的影響規律則較為復雜。

目前,對以LNG為冷源的SCO2-TCO2冷電聯供系統研究處于熱力學基礎計算階段,下一步需要考慮經濟成本、系統安全穩定性等諸多問題,為實際系統應用提供理論依據。

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(編輯 荊樹蓉)

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

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

低溫余熱回收;超臨界CO2循環;跨臨界CO2循環;液化天然氣;冷電聯產

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