基于超臨界CO2布雷頓循環的塔式太陽能集熱發電系統

吳毅,王佳瑩,王明坤,戴義平

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

?

基于超臨界CO2布雷頓循環的塔式太陽能集熱發電系統

吳毅,王佳瑩,王明坤,戴義平

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

為了提高太陽能熱發電系統的性能,建立了以熔融鹽為傳熱介質、再壓縮式超臨界CO2布雷頓(SCO2)循環為動力循環的塔式太陽能集熱發電系統的分析模型,分析了定日鏡、腔式吸熱器、再壓縮式SCO2發電系統3個子系統的性能,并研究了太陽輻射強度和采用不同底循環的SCO2發電系統對整個電站性能的影響,最后對采用不同類型的蒸汽動力循環和SCO2循環為動力子系統的5種塔式太陽能集熱發電系統進行了對比。結果顯示:吸熱器的能量損失率最小,但損失率最大;隨著太陽輻射強度增大,吸熱器和整個電站的熱效率和效率均增大;采用有機朗肯循環和跨臨CO2(TCO2)循環作為底循環對SCO2發電系統進行余熱回收,可提高整個電站的熱效率,并且SCO2-TCO2循環具有更高的熱效率;相同條件下,不同的SCO2循環均比蒸汽動力循環具有更高的熱效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太陽能電站熱效率最高。

超臨界CO2布雷頓循環;太陽能熱發電;吸熱器;底循環;余熱利用

目前,超臨界CO2布雷頓(SCO2)循環在第4代先進核反應堆系統中的應用得到了廣泛研究[1-2]。這是因為CO2熱穩定性和物理性質良好,超臨界CO2在臨界點附近密度較大,可以減小壓縮功,在循環最高溫度為500～700 ℃時即可達到較高的循環熱效率;另外,由于超臨界CO2密度高、循環簡單,因此以超臨界CO2為工質的壓縮機、透平機等動力系統設備結構緊湊,可降低設備造價。研究表明,尤其采用再壓縮式SCO2循環,可以充分利用CO2在臨界點附近密度較大、所需壓縮功較小的優勢,并且克服了簡單的SCO2循環中回熱器易出現夾點問題而導致的傳熱惡化和引起效率較低等缺點[3]。

SCO2循環所需的500～700 ℃的最高溫度,正是太陽熱發電的聚光器和太陽熱接收器應用現有技術即可實現的溫度,且SCO2循環性能明顯高于商業化的蒸汽動力循環,因此將SCO2循環應用于聚光型太陽能熱發電系統已經引起國外學者興趣。但是,國外研究[4-6]主要集中在對比不同的SCO2循環形式(簡單SCO2循環、再壓縮式SCO2循環、部分冷卻式SCO2、采取再熱等)在透平入口溫度為500～800 ℃時的性能,而國內關于聚光型太陽能熱發電系統的研究還集中在太陽能-蒸汽動力循環發電系統[7]、太陽能-燃氣輪機發電系統[8]和塔式太陽能吸熱器熱力學性能[9]分析及動態仿真等方面。文獻[10]建立了以熔融鹽為傳熱介質的塔式太陽能蒸汽動力發電系統的分析模型,分析了電站各部分子系統的能量損失和損失,并研究了聚光比和不同的常規動力循環形式對整個電站性能的影響。

目前,國內外還未見到完整的有關SCO2循環-塔式太陽能電站的熱力學分析。本文建立了基于再壓縮式SCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統的分析模型,以熔融鹽為傳熱介質,分析了定日鏡、腔式吸熱器、再壓縮式SCO2發電系統各子系統的性能,以及太陽輻射強度和采用底循環的SCO2發電系統對整個電站性能的影響,并與采用蒸汽動力循環的塔式太陽能發電系統進行了性能對比分析。

1 系統描述

1.1 循環流程

圖1給出了基于SCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統流程圖。由于本文只研究系統在穩態下的熱力學性能,因此不討論儲能子系統,也沒有在圖1中畫出。該系統包括集熱島和SCO2發電系統2部分。圖2給出了SCO2發電系統的溫-熵(T-s)圖。

圖1 基于SCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統流程圖

集熱島包括定日鏡和腔式吸熱器。定日鏡能夠同步自動跟蹤太陽光,可以準確地將太陽光反射到中央吸熱器窗口。進入吸熱器腔體內的聚集光線具有很高的能量密度,用來加熱流經吸熱器內管道的熔融鹽工質[11]。之后,高溫熔融鹽流經加熱器,將熱量傳遞給SCO2發電系統。

SCO2發電系統包括反應堆、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。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,然后經過加熱器被高溫熔融鹽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氣體在預冷器冷卻。

1～8:狀態點圖2 SCO2發電系統的T-s圖

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)除了太陽能吸熱器之外,系統中的其他設備與環境的熱損忽略不計;

(3)換熱器與連接管道的壓力損失可忽略不計。

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。

(1)

式中:Ts為太陽表面溫度,取5 327 ℃;T0為環境溫度;Q0為定日鏡接收到的總太陽輻射能。

(2)

式中:Qr為投射到吸熱器窗口上的太陽能。

定日鏡場的熱效率為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Qr,m為熔融鹽所吸收的熱量。

1.2.3 SCO2發電系統 高溫回熱器的換熱效率為

(8)

低溫回熱器的換熱效率為

(9)

SCO2發電系統的凈輸出功為

(10)

SCO2發電系統的熱效率為

(11)

SCO2發電系統的效率為

(12)

(13)

(14)

2 計算與分析

2.1 典型工況下的分析結果

本文SCO2發電系統工質熱物理性質按照NIST數據庫提供的REFPROP軟件[12]進行計算,熔融鹽由質量分數為60%的NaNO3和40%的KNO3組成,它的物性參數可通過文獻[13]獲取。吸熱器熱模型建立方法基于文獻[10]。表1列出了系統的計算條件及吸熱器的設計尺寸。

表1 系統計算條件和吸熱器的設計尺寸

由表2還可看出,SCO2發電系統效率較大,為74.98%,但其損失率最小,只占總電站損失的15.24%。與此相反,盡管吸熱器熱效率最高,能量損失率最小,但損失率最大。

通過對比發現,吸熱器和SCO2發電系統在能量利用方面表現出相反的特性。這是因為太陽輻射能具有很高的品質(Ts=5 327 ℃,按式(1)計算),當高品質的太陽輻射能被吸熱器吸收并轉換成熔融鹽工質的熱能(溫度為427～627 ℃)時,產生了非常大的不可逆損失,即吸熱器中損失的能量含有很多高品質的可用能。相反,雖然SCO2發電系統能量損失較大,但多為低品位能量。

2.2 太陽輻射強度對系統性能的影響

圖3給出了太陽輻射強度D對系統性能的影響。從圖中可看出,隨著太陽輻射強度增大,吸熱器和整個電站的熱效率與效率均增大,并且可以發現整個電站性能的變化趨勢與吸熱器的變化趨勢一致。這是因為太陽輻射強度對整個電站性能的影響主要取決于對吸熱器性能的影響,太陽輻射強度對吸熱器性能的影響可通過吸熱器的散熱損失原理解釋。從文獻[14]可知,吸熱器的2個主要散熱損失,即輻射散熱損失與對流散熱損失主要取決于吸熱器的表面溫度。吸熱器表面溫度Tsur隨太陽輻射強度的變化情況見圖4。當太陽輻射強度從200 W/m2升高到800 W/m2時,吸熱器表面溫度只是小幅度從505 ℃升高到535 ℃,從而輻射和對流散熱損失均小幅度增大,但是此時太陽光輸入的能量大幅度增加,因此吸熱器的熱效率和效率均增大。另外,從圖4中可發現當太陽輻射強度由200 W/m2升高到400 W/m2時,各效率值升高幅度較大,而太陽輻射強度從400 W/m2升高到800 W/m2時,各效率值升高幅度較小,逐漸趨于穩定。

圖3 太陽輻射強度對系統性能的影響

圖4 太陽輻射強度對吸熱器表面溫度的影響

2.3 先進的SCO2發電系統對系統性能的影響

本文著力提高SCO2發電系統的效率來提高整個電站的熱效率和效率。由于再壓縮式SCO2循環預冷器入口溫度約為110 ℃,因此可使用底循環對其進行低溫余熱利用,能夠進一步提高SCO2系統的熱效率。本文分別采用有機朗肯循環(ORC)和跨臨界CO2(TCO2)循環作為底循環,基于SCO2-ORC/TCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統的流程圖見圖5,在低溫回熱器出口,工質先通過預冷器1將熱量傳遞給底循環,再進入預冷器2進行冷凝。圖6給出了SCO2-TCO2和SCO2-ORC發電系統的T-s圖。

通過系統參數優化,圖7給出了SCO2循環、SCO2-ORC(6種有機工質)和SCO2-TCO2循環的最優熱效率ηI,opt對比圖。在6種不同有機工質的SCO2-ORC中,

以R123為工質的SCO2-ORC熱效

表2 系統典型工況下的熱力學和分析結果

以R123為工質的SCO2-ORC熱效

子系統輸入能量/kW輸出能量/kW熱效率/%能量損失率/%輸入/kW輸出/kW效率/%損失率/%定日鏡8000.006000.0075.0035.297441.655685.9276.4134.37吸熱器6000.005401.1990.0210.575685.923111.6554.7350.39SCO2發電系統5401.192333.2643.2054.143111.652333.2674.9815.24整個電站5401.192333.2629.177441.652333.2631.35

圖5 基于SCO2-ORC/TCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統流程圖

(a)SCO2-TCO2發電系統

(b)SCO2-ORC發電系統1～13:狀態點圖6 SCO2-TCO2和SCO2-ORC發電系統的T-s圖

1:單獨SCO2循環;2:SCO2-TCO2循環;3:SCO2-ORC(R245fa)循環;4:SCO2-ORC(R601)循環;5:SCO2-ORC(Isobutane)循環;6:SCO2-ORC(R123)循環;7:SCO2-ORC(n-Butane)循環;8:SCO2-ORC(R245ca)循環圖7 3種SCO2循環最優熱效率對比

率最高,為46.10%,比SCO2循環提升了2.88%,而SCO2-TCO2循環的最優熱效率為46.43%,比SCO2循環提升了3.21%。由此可見,SCO2-TCO2循環具有最高的熱效率。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。

表3列出了以一級回熱的蒸汽動力循環、一級回熱和再熱的蒸汽動力循環[10]、SCO2循環、SCO2-ORC(R123)循環和SCO2-TCO2循環為動力子系統的5種塔式太陽能集熱系統的性能對比結果。從表中看出,相同的透平入口溫度下,SCO2循環均比蒸汽動力循環具有更高的最優熱效率和效率。其中,SCO2-TCO2動力子系統具有最高的熱效率46.63%,SCO2動力子系統熱效率為43.22%,均高于一級回熱和再熱的蒸汽動力循環熱效率39.7%。由此可見,采用SCO2循環為動力子系統的塔式太陽能集熱發電系統更高效,具有更廣闊的發展潛力。

表3 采用不同動力子系統的塔式太陽能集熱系統比較

3 結 論

本文建立了基于再壓縮式SCO2循環的塔式太陽能集熱發電系統的分析模型,分析對比了各子系統的性能。

(1)由于SCO2發電系統能量損失中含有較多的低品位能量,因此雖然SCO2發電系統能量損失率最大,但損失率最小;相反,雖然吸熱器的能量損失率最小,但損失率最大。

(3)通過增加底循環ORC和TCO2循環對SCO2發電系統進行余熱回收,可提高整個電站的熱效率,并且通過系統優化發現SCO2-TCO2循環具有更高的熱效率;對采用不同類型的蒸汽動力循環和SCO2循環為動力子系統的5種塔式太陽能集熱系統進行對比,發現SCO2循環均比蒸汽動力循環具有更高的熱效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的太陽能電站熱效率最高,為31.35%,具有更廣闊的發展潛力。

[1] 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.

[2] MOISSEYTSEV A, SIENICKI J J. Investigation of alternative layouts for the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for a sodium-cooled fast reactor [J]. Nucl Eng Des, 2009, 239: 1362-71.

[3] 張振興, 武林林. 應用于鈉冷快堆的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統 [J]. 硅谷, 2014, 7(10): 192-193. ZHANG Zhenxing, WU Linlin. Supercritical CO2brayton cycles applied to sodium cooled fast reactor [J]. Silicon Valley, 2014, 7(10): 192-193.

[4] NEISES T, TURCHI C. A comparison of supercritical carbon dioxide power cycle configurations with an emphasis on CSP applications [J]. Energy Procedia, 2014, 49: 1187-1196.

[5] CHACARTEGUI R, DE ESCALONA J M M, SNCHEZ D, et al. Alternative cycles based on carbon dioxide for central receiver solar power plants [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(5): 872-879.

[6] BESARATI S M, GOSWAMI D Y. Analysis of advanced supercritical carbon dioxide power cycles with a bottoming cycle for concentrating solar power applications [J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2014, 136(1): 010904.

[7] 袁建麗, 韓巍, 金紅光, 等. 新型塔式太陽能熱發電系統集成研究 [J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(29): 115-121. YUAN Jianli, HAN Wei, JIN Hongguang, et al. Research on system integration of a novel solar tower thermal power plants [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(29): 115-121.

[8] 許昌, 李旻, 袁媛, 等. 塔式太陽能集熱-燃用天然氣燃氣輪機復合發電系統建模 [J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(32): 62-69. XU Chang, LI Min, YUAN Yuan, et al. Modeling research on a solar tower thermal collection-natural gas turbine power system [J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(32): 62-69.

[9] 徐二樹, 余強, 楊志平, 等. 塔式太陽能熱發電腔式吸熱器動態仿真模型 [J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(32): 115-120. XU Ershu, YU Qiang, YANG Zhiping, et al. Solar thermal power tower cavity receiver dynamic simulation model [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(32): 115-120.

[10]XU C, WANG Z, LI X, et al. Energy and exergy analysis of solar power tower plants [J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(17): 3904-3913.

[11]徐二樹, 胡忠良, 翟融融, 等. 塔式太陽能熱電站系統仿真與分析 [J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(11): 1799-1806. XU Ershu, HU Zhongliang, ZHAI Rongrong, et al. Simulation and exergy analysis of solar thermal tower plants [J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(11): 1799-1806.

[12]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.

[13]鄒琴梅. 塔式太陽能熔融鹽吸熱器的傳熱特性研究與設計 [D]. 杭州: 浙江大學, 2014.

[14]LI X, KONG W, WANG Z, et al. Thermal model and thermodynamic performance of molten salt cavity receiver [J]. Renewable Energy, 2010, 35(5): 981-988.

(編輯 荊樹蓉)

A Towered Solar Thermal Power Plant Based on Supercritical CO2Brayton Cycle

WU Yi,WANG Jiaying,WANG Mingkun,DAI Yiping

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

A towered solar thermal power plant using a recompression supercritical CO2Brayton (SCO2) cycle with molten salt as the heat transfer fluid was established to improve the performance of solar thermal power plant. The exergy analysis on the subsystems of the heliostat field, the cavity receiver and the recompression SCO2power cycle was performed. The effects of direct normal irradiation(DNI) and the type of SCO2power cycle with different bottoming cycles on the system performance were tested, and the performances of solar power plants using different power cycles of SCO2and steam power cycles were compared. The results show that: although the heat receiver has a least energy loss, it has the largest exergy loss rate; as DNI increases, the thermal and exergy efficiencies of the receiver and the whole plant increase; and adding a bottoming cycle such as ORC or TCO2cycle to recover the waste heat of SCO2power cycle can increase the overall efficiency. Especially, the SCO2-TCO2cycle can achieve higher thermal efficiency, and various SCO2cycles can achieve higher thermal and exergy efficiencies compared with steam power cycles under the same conditions. The towered solar thermal power plant using a SCO2-TCO2cycle has higher cycle efficiency compared with other configurations.

supercritical CO2Brayton cycle; solar thermal power; heat receiver; bottoming cycle; low-temperature waste heat recovery

10.7652/xjtuxb201605016

2015-09-11。 作者簡介:吳毅(1992—),女,碩士生;戴義平(通信作者),男,教授。

時間:2016-02-02

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160202.1551.006.html

TK51

A

0253-987X(2016)05-0108-06