利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环系统优化研究

饶文姬， 赵良举， 张墨耕， 莫依璃

(重庆大学 动力工程学院,低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400030)

利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环系统优化研究

饶文姬， 赵良举， 张墨耕， 莫依璃

(重庆大学 动力工程学院,低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400030)

对提出的利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环系统进行参数优化分析和分析，选取R143a为循环工质，研究了循环蒸发温度、透平进口温度、冷凝温度和LNG汽化压力对循环系统效率、效率和单位做功的换热面积的影响.结果表明:循环系统效率和效率随蒸发温度的升高均先升高后降低，随透平进口温度和LNG汽化压力的升高而升高；冷凝温度越高，循环系统效率和效率越低；单位做功的换热面积随各变量的变化趋势与循环系统效率和效率随各变量的变化趋势相反；当蒸发温度为298.15 K、透平进口温度为353.15 K、冷凝温度为213.15 K和LNG汽化压力为3 MPa时，循环性能最优，在该工况下进行分析发现，换热器损占总损的80%，而泵的损最小.

LNG； 太阳能； 联合动力循环；分析

符号说明：

Aa，Ac，At——太阳能集热器、冷凝器及总换热面积，m2

BO——沸腾数

D——水力直径，m

h——比焓，kJ/kg

qm——单位面积的质量流量，kg/(m2·s)

qm,w，qm,l——工质和LNG的质量流量，kg/s

Qsf，Qc——集热器与工质和工质与冷凝器的换热量，kJ

s——比熵，kJ/(kg·K)

Kcf，Kcl——冷凝器中工质侧和LNG侧的传热系数，W/(m2·K)

x——干度

η0a——太阳能集热器在垂直入射时的光学效率

ξreg——回热器效率

a1a，a2a——热损系数

d——管径，m

G——太阳能集热器单位面积辐射换热量，W/m2

f——达西摩擦因子

λ——导热系数，W/(m·K)

Pr——普朗特数

Re——雷诺数

μ——动力黏度，Pa·s

Tf，T0，Ts——换热平均温度、环境温度和热源温度，K

Wnet——净输出功，kW

ηsc——太阳能集热器效率

ρl，ρv——液体密度、蒸汽密度，kg/m3

下标

1～4，n1～n5——循环状态点

a，c，w，l——集热器、冷凝器、工质、LNG

P1，P2，T1，T2，HX——泵1，泵2，透平1，透平2，换热器HX

L——换热器HX的热源

为了节约能源、保护环境，许多学者将目光转向洁净新能源,如太阳能、风能和氢能等，在开发新能源发电技术方面进行了很多研究[1-4].其中，利用太阳能有机朗肯循环(ORC)发电的研究由来已久，早在19世纪80年代，Probert等[5-6]就对太阳能ORC进行了实验和理论研究.近些年，韩中合等[7-9]对太阳能ORC适用工质选择及系统优化方面进行了理论分析.Wang等[10-11]对不同太阳能集热器的太阳能发电系统进行了实验研究.但是以上研究均发现，太阳能ORC的热效率较低.因此，如何提高太阳能动力循环的热功转换效率是太阳能利用技术迫切需要解决的问题.

太阳能发电系统的冷源通常为水和空气，若将液化天然气(LNG)作为循环的冷源，将大大降低平均放热温度，实现高效动力回收利用.近年来，国内外学者对以LNG作为冷源的动力循环进行了相关研究.Wang等[12]对基于LNG和低温余热的循环进行了热力分析，指出热源温度、冷凝温度和蒸发压力对循环效率有重要影响.Shi等[13]使用氨水作为工质提出了一种新型联合循环，结果显示该循环的热效率和效率分别为33%和48%.Zhang等[14-15]对氮气Brayton循环和CO2朗肯循环回收LNG冷能进行了分析，发现循环自变量的选取对循环影响很大.此外Dispenza等[16-18]也对以LNG为冷源的联合动力循环进行了相关研究.

LNG的温度约为-160 ℃，经海运到达接收站后，先经过压缩升压，再重新汽化为天然气后经管道配送给用户.LNG汽化过程释放大量的冷能，约为830 kJ/kg.若仅利用海水来加热汽化LNG，不但浪费了冷能，还会影响海洋生态.若用工业余热来汽化LNG，由于LNG汽化站多建立在沿海城市，难以保证汽化站周围存在可以利用的工业余热.

因此，笔者提出了一种利用LNG冷能与低温太阳能的联合动力循环，并对该循环进行适用工质研究.结果表明，与传统的独立循环相比，该循环的系统效率、效率及净输出功有了很大提高，换热面积也减少很多，且R143a、丙烷和丙烯为该循环的适用工质[19].对任何循环来说，工作参数直接影响循环的性能，然而文献[19]中并没有对有关参数进行优化.因此，笔者选取R143a作为循环工质，对该循环进行参数优化分析，研究4个独立变量(即循环蒸发温度、透平进口温度、冷凝温度和LNG汽化压力)对循环系统效率、效率和单位做功的换热面积的影响.此外，也对该联合循环各部件的损进行了分析，研究的相关结果为循环和设备的优化改进提供了一定的依据.

1 循环模型

1.1 物理模型

利用LNG冷能与低温太阳能的联合动力循环示意图见图1.该循环将太阳能ORC和LNG汽化动力循环联合起来.有机工质经泵1升压后被太阳能集热器直接加热升温，升温升压的工质进入透平1做功，通过回热器回收一部分热量后到冷凝器中与LNG换热降温，完成一个循环.LNG经泵2升压后在冷凝器中与有机工质换热升温，接着进入透平2膨胀做功，最后在换热器HX中与空气换热，达到用户所需的供气温度和压力后进入输送管道进行供气.

图1 利用LNG冷能与低温太阳能的联合循环示意图

1.2 数学模型

对图1的联合循环进行以下分析：

太阳能集热器效率为

(1)

冷凝器换热面积为

(2)

其中冷凝器换热平均温差为

(3)

计算冷凝器传热系数时，忽略导热的影响.

走在雪地上，脚下“吱吱”作响，转身一看，身后已经留下了一串串脚印。不知不觉，思绪开始飞扬。一阵爽朗的笑声突然穿透了我耳膜，回首看，一群孩子欢呼着从屋子里跑出来。他们穿着各式各样颜色的羽绒服，仿佛雪地里盛开的朵朵鲜花，他们快乐地奔跑着，一会儿玩着滑雪车的游戏，一会儿打着雪仗；一会儿又兴高采烈地堆起雪人来，尽情享受着北方冬天的快乐时光。

(4)

在冷凝器中，无论是工质侧还是LNG侧，都存在单相对流换热及相变换热2个过程，其中单相对流传热系数由Petuk-hov关系式[20]得到：

(5)

其中，

(6)

工质冷凝传热系数由Shah[21]得到：

(7)

LNG沸腾传热系数由Gungor等[22]改进后给出：

(8)

回热器计算模型为

T4a-T2=10

(9)

h2a=h2+ξregh4a-h4

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

LNG的冷为

Ex,l=qm,l·T0s0-sn1-h0-hn1

(15)

2 结果及分析

在优化过程中，表1中的参数固定不变，使用的太阳能集热器型号为CPC Aosol 1.12X.

表1 循环优化过程中保持不变的参数

2.1 循环参数优化分析

对循环进行优化分析，选取的循环变量xi包括蒸发温度Te、透平进口温度TIT、冷凝温度Tc和LNG汽化压力pn3.考察这些变量对循环系统效率、效率和单位做功的换热面积的影响.优化过程中，当xi变化时，xj(i≠j)保持恒定，即考察一个变量的影响时，其他变量为恒定值.

为了更直观地展示多变量对同一优化参数的影响，定义相对变量xrv，将各变量转换为一个相对变量.定义式见式(16)，其中xu为各变量取值的最大值，xl为各变量取值的最小值，xm为各变量中间取值.各变量的取值范围见表2.

(16)

表2 各变量的取值范围

2.1.1 循环系统效率随各变量的变化

图2给出了循环系统效率随各变量的变化关系.由图2可知，循环系统效率随蒸发温度的升高先升高后降低，存在最佳的蒸发温度使得循环系统效率最高.这是由于蒸发温度升高时，工质质量流量减小，LNG的质量流量也随之减小，使得循环透平2的做功量减小，因透平1的净输出功固定，因此循环总净输出功减小.同时，蒸发温度升高，太阳能集热器预热部分面积增大，而蒸发部分与过热部分面积都减小，太阳能集热器总面积先减小后增大.图3给出了LNG侧(透平2)做功及太阳能集热器换热面积随循环蒸发温度的变化.由图3可知，太阳能集热器面积减小的速度起初大于循环净功减小的速度，而当蒸发温度为300 K左右时出现逆转，由式(12)可知，循环系统效率的变化与两者有直接关系，两者变化综合后得到图2所示的结果.

图2 循环系统效率随各变量的变化

从图2还可以看出，循环系统效率随着透平进口温度和LNG汽化压力的升高而升高.随着TIT的升高，透平1进口焓值增大，比功增大，由于透平1净输出功固定，使得循环工质质量流量减小，太阳能集热器换热面积及LNG质量流量也随之减小，而透平2的比功随着TIT的升高而增大，且其增大的幅度大于LNG质量流量减小的幅度，因此循环总净输出功增加.由式(12)可知，分母的减小与分子的增大使得循环系统效率升高.随着LNG汽化压力的升高，循环透平2比功增大，而LNG的质量流量不变，因此循环系统净输出功增大，而太阳能集热器面积不会随着LNG汽化压力的升高而变化，因此循环系统效率升高.

图3 LNG侧做功及太阳能集热器换热面积随循环蒸发温度的变化

Fig.3 Change of work output for turbine 2 and area of solar collector with the evaporative temperature

随着冷凝温度的升高，循环系统效率呈线性降低，即冷凝温度越低，循环性能越好(图2).这是由于冷凝温度越高，工质质量流量越大，LNG的质量流量与太阳能集热器的换热面积也越大，而循环总净输出功的增加幅度比太阳能集热器换热面积的增加幅度更大(见图4).

图4 循环净输出功和太阳能集热器换热面积随冷凝温度的变化

Fig.4 Change of work output and area of solar collector with the condensing temperature

图5 循环效率随各变量的变化

2.1.3 单位做功的换热面积随各变量的变化

图6给出了单位做功的换热面积随各变量的变化.由图6可知，单位做功的换热面积随着蒸发温度的升高先减小后增大，存在最佳的循环蒸发温度使得单位做功的换热面积最小.这是因为随着蒸发温度的升高，太阳能集热器换热面积与换热器面积减小，冷凝器面积增大，循环总换热面积减小，而循环总净输出功随着蒸发温度的升高而减小.

图6 单位做功的换热面积随各变量的变化

从图6还可以看出，单位做功的换热面积随着透平进口温度及LNG汽化压力的升高而减小，且其随着LNG汽化压力的升高减小趋势更明显，而随TIT的变化不明显.这是因为随着TIT及LNG汽化压力的升高，循环总换热面积减小，循环总净输出功增大.

冷凝温度升高，单位做功的换热面积增大.随冷凝温度的升高，太阳能集热器换热面积及换热器面积增大，冷凝器面积减小，循环总换热面积增大.循环总净输出功随冷凝温度的升高而增加，且循环总换热面积的增大幅度大于循环总净输出功的增加幅度，由式(11)得到图6所示的结果.

表3 循环优化结果

输入系统的=有效利用的+消耗

(17)

表4 各部件损表达式

Tab.4 Expression of exergy loss for various components

表4 各部件损表达式

部件损表达式太阳能集热器Ia=qm,wT0s3-s2()-h3-h2Tf[]透平1IT1=qm,wT0s4-s3()冷凝器Ic=qm,w(ex,4-ex,1)+qm,l(ex,n2-ex,n3)泵1IP1=qm,wT0s1-s2()泵2IP2=qm,lT0sn1-sn2()透平2IT2=qm,lT0sn4-sn3()换热器HXIHX=qm,lT0(sn5-sn4)-hn5-hn4TL[]总损I=Ia+IT1+Ic+IP1+IP2+IT2+IHX

表5 各部件损和损率

Tab.5 Exergy loss and exergy loss rate of various components

部件损/kW损率/%太阳能集热器126.89329.27透平1141.9459.68冷凝器170.35739.29泵10.5780.13泵22.8030.65透平240.9409.44换热器HX50.02311.54

3 结 论

(2) 当蒸发温度为298.15 K、透平进口温度为353.15 K、冷凝温度为213.15 K、LNG汽化压力为3 MPa时，循环性能最优，为循环的最优工况.

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Optimization of a Novel Combined Cycle System Using LNG Cold Energy and Low-temperature Solar Energy

RAOWenji,ZHAOLiangju,ZHANGMogeng,MOYili

(Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems of Ministry of Education, College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Parameter optimization analysis and exergy analysis were conducted for a novel combined cycle system using LNG cold energy and low-temperature solar energy. Taking R143a as the working fluid, the effects of four independent variables, such as the evaporative temperature, turbine inlet and condensing temperature, and LNG vaporizing pressure, were studied on the cycle system efficiency, exergy efficiency and heat transfer area per unit work, etc. Results show that both the system efficiency and exergy efficiency increase first and decrease later on with the rise of evaporative temperature, which also increase with the rise of turbine inlet temperature and LNG vaporizing pressure; the higher the condensing temperature, the lower the cycle system efficiency and exergy efficiency; the change of the area of heat exchanger per unit net work with these variables is opposite with that of system efficiency and exergy efficiency. Optimum cycle performance can be obtained at the evaporative temperature of 298.15 K, turbine inlet temperature of 353.15 K, condensing temperature of 213.15 K and the LNG vaporizing pressure of 3 MPa, in which case, the heat exchanger exergy loss accounts for 80% of the total cycle exergy loss, and the pump exergy loss is the minimum among all the components.

LNG; solar energy; combined power cycle; exergy analysis

1674-7607(2014)12-0990-07

TK123

A

470.30

2014-03-07

2014-04-30

国家973资助项目(2011CB710701)

饶文姬(1985-), 女,江西吉安人，博士研究生, 研究方向为：低品位能源与LNG冷能联合利用.电话(Tel.): 18602379914; E-mail: 20101001008@cqu.edu.cn.