以液化天然气为冷源的超临界CO2-跨临界CO2冷电联供系统

吴毅,王旭荣,杨翼,戴义平



以液化天然气为冷源的超临界CO2-跨临界CO2冷电联供系统

吴毅,王旭荣,杨翼,戴义平

跨临界CO2(TCO2)发电系统在低温回收领域具有很大的优势,这是因为CO2临界参数较低(临界压力为7.38 MPa,临界温度为31.1 ℃),很容易实现超临界状态,使热源的放热温度曲线和CO2吸热温度曲线达到很好的匹配,提高了热力循环的平均吸热温度,具有较高的能源转换效率[1]。Chen等研究了应用于低温余热回收的TCO2动力循环的性能,并与有机朗肯循环(ORC)做了比较,发现在相同热源条件下回收低品质余热,TCO2动力循环比ORC的净功率大[2]。之后,有学者开始将TCO2循环和其他热力系统集成在一起,以提高总的能源利用效率。文献[3-5]均设计了太阳能驱动的TCO2循环,以实现低温热源的多级利用。Lin将TCO2循环用于燃气轮机的余热回收[6]。近期,Wang等提出将TCO2循环作为底循环,与超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)结合起来,将SCO2-TCO2联合循环应用于反应堆系统,研究结果显示系统热效率可达到45.92%,比单独SCO2循环热效率提高了4%[7-8]。

但是,由于CO2的临界点温度非常接近于环境温度,用冷却水对CO2进行冷凝有一定的限制,并且TCO2循环中冷凝温度仅略低于CO2的临界点温度,限制了TCO2循环的回收热效率,因此需要使用更低温度的冷却剂去冷凝CO2。LNG因为温度接近于112 K(-161 ℃),已作为CO2的冷却剂被用在热力循环中[6,1]。

针对上述问题,本文提出了一种以LNG为冷源的SCO2-TCO2冷电联供系统,应用于反应堆系统,实现对外输出电能和制冷量。作为顶循环SCO2循环采用分流再压缩式布雷顿循环,比简单的SCO2循环具有更高的热效率,底循环采用TCO2循环,实现对顶循环的余热回收。TCO2循环采用LNG对工质进行冷凝,由于冷凝温度较低,泵出口的CO2温度低于环境温度,因此在循环中加入一个预热器,作为制冷器来回收CO2的冷能,以产生制冷量。文中对该冷电联供系统建立了数学模型,并进行了热力学分析和火用分析。

1 系统描述

1.1 循环流程

图1给出了以LNG为冷源的SCO2-TCO2冷电联供系统的示意图,该系统包括SCO2顶循环和TCO2底循环两个子系统,图2给出了系统的温-熵(T-s)图。

图1 以LNG为冷源的SCO2-TCO2冷电联供系统流程图

SCO2顶循环包括反应堆、透平、2个压缩机、低温回热器、高温回热器和预冷器7个主要部件。如图1所示:一部分CO2气体通过一级压缩机被压缩至高压,在低温回热器中预热至二级压缩机出口温度,并与二级压缩机出口的CO2气体混合;混合后的CO2气体继续在高温回热器中加热,然后经过反应堆加热至循环最高温度;高温的超临界CO2气体进入SCO2透平膨胀做功,输出电量,之后CO2气体分别在高温回热器和低温回热器中换热;经过低温回热器的CO2气体分流,一部分CO2气体在二级压缩机中压缩,另一部分CO2气体在预冷器进一步降温,将热量传递给TCO2底循环。

1～15:状态点图2 以LNG为冷源的SCO2-TCO2冷电联供系统T-s图

TCO2底循环包括透平、冷凝器、泵、制冷器4个部件。工质经过预冷器吸收来自SCO2顶循环的低温热量,形成高温的CO2,然后进入TCO2透平膨胀做功,输出电量。透平排气在冷凝器中冷凝,LNG作为冷源。LNG成为气态后可进一步利用,例如作为船舶上燃气轮机的燃气或者通过管道输送给用户。冷凝后的饱和CO2液体被泵加压,CO2在制冷器中被加热至接近环境温度,并产生制冷量。

1.2 数学模型

为了简化系统的数学模型,本文做了如下假设:

(1)系统处于稳定流动状态;

(2)系统中的设备与环境不进行换热;

(3)换热器与连接管道的压力损失可忽略不计;

(4)冷凝器出口的工质为饱和液态。

基于以上假设,根据质量和能量守恒定律,可以对各设备建立数学模型。

高温回热器换热效率可定义为[9]

(1)

低温回热器换热效率可定义为[9]

(2)

系统净输出功为

(3)

系统制冷量为

(4)

系统热效率为

(5)

反应堆的热量火用为[1]

(6)

式中:T0为环境温度;Tr为反应堆的温度。

系统输出制冷火用为

(7)

系统的火用效率为

(8)

2 计算与分析

系统工质热物理性质按照NIST数据库提供的REFPROP软件[10]进行计算。在Matlab平台上搭建系统的仿真程序。表1列出了系统的计算条件,其中系统各部件的效率值参考文献[7],高、低温回热器的换热效率值参考文献[9]。

表1 系统计算条件

经过计算,该系统的热效率(动力)在给定的条件下达到了54.47%,高于文献[7]的系统在相同条件下的热效率45.92%。这是因为本文中使用LNG作为冷源,使得TCO2底循环中CO2冷凝温度降低,降低了TCO2透平出口的压力,增加了TCO2透平的膨胀功,从而提高了系统的热效率。

表2给出了整个系统火用输入、火用输出及各个设备的火用损失,从表中可以看出,系统的火用输入包括反应堆提供的热量火用和LNG提供的冷量火用。冷凝器中的火用损最大,这是由冷凝器入口较大的温度差引起的,并且温度差越大,火用损越大[4]。因此,可以通过升高LNG入口温度来减小冷凝器中的火用损,可将LNG先通过其他方式进行预热,例如用于干冰生产过程,然后再对SCO2透平的排气进行冷凝,实现LNG冷能的多级利用。经过计算,如果将LNG入口温度增加至-70 ℃,冷凝器的火用损将会从91.94 kW降至16.54 kW,整个循环系统的火用效率将从40.83%增加至59.02%。同时,由于系统中制冷器的增加,减小了预冷器冷热流体的温差,从而降低了预冷器的火用损。

表2 系统火用输入、火用输出及各个设备的火用损失

图3给出了高温回热器换热效率对系统性能的影响,从图中可以看出,随着高温回热器换热效率的升高,系统净输出功增加。高温回热器换热效率升高意味着换热器出口冷流体温度升高,热流体出口温度降低,在反应堆吸热量不变的情况下,SCO2循环中系统工质质量流量增加,系统做功增加,而制冷量随着高温回热器换热效率的增加而减小。这是因为预冷器入口工质温度降低,引起TCO2循环中的工质质量流量相应减小,因此制冷量减小。另外,由于系统净输出功的增加量大于制冷量的减小量,因此系统热效率增加,同时也使得系统的火用效率增加。

图3 高温回热器换热效率对系统性能的影响

图4给出了SCO2透平膨胀比对系统性能的影响,从图中可以看出,当SCO2透平膨胀比增加时,系统净输出功增大,这是由SCO2透平膨胀功、压缩机(一级和二级)的耗功和TCO2循环净输出功三者共同作用所致。随着SCO2透平膨胀比的增加,SCO2透平膨胀功增加,但压缩机的耗功增加,一级压缩机的工质质量流量减小,引起TCO2循环中工质质量流量减小,从而TCO2循环净输出功减小,但是SCO2透平膨胀功的增加量大于压缩机耗功的增加量及TCO2循环净输出功的减小量之和。另外,制冷量也随着SCO2透平膨胀比的增加而减小,这是由于TCO2循环工质质量流量减小所致。当SCO2透平膨胀比增加时,系统的热效率随之减小,这是由系统净输出功、制冷量共同决定的,但制冷量变化幅度较大,占主导作用。最后,系统的火用效率随SCO2透平膨胀比增加而增加,这主要是由系统输入冷火用量大幅度减小引起的。

图4 SCO2透平膨胀比对系统性能的影响

图5给出了TCO2透平进口压力对系统性能的影响,从图中可以看出,随着TCO2透平进口压力的升高,系统净输出功率先增加后降低,存在一个最优压力使得系统的净输出功率最大。随TCO2透平进口压力升高,TCO2循环工质质量流量相应增大,TCO2透平膨胀功增大,但是增压泵的耗功也相应增加。系统净输出功率开始增大是因为TCO2透平膨胀功增大量大于增压泵的耗功,系统净输出功率开始减小是因为TCO2透平膨胀功增大量小于增压泵的耗功。另外,随TCO2透平进口压力升高,增压泵出口压力升高,使得制冷器入口温度升高,制冷量减少,但是由于TCO2循环工质质量流量也在增加,因此在二者共同作用下系统制冷量先减小后增加。当TCO2透平进口压力升高时,系统热效率先减小再升高再减小,变化幅度比较小。这主要是因为系统净输出功和制冷量共同作用的结果,刚开始制冷量起主要作用,后来系统净输出功起主要作用。随着TCO2透平进口压力升高,系统火用效率也呈现先减小再升高再减小的变化趋势。这是因为系统火用效率受到系统净输出功、制冷火用以及LNG冷火用输入量三者的共同作用,而LNG冷火用输入量随TCO2透平进口压力升高一直呈现增大趋势,所以刚开始系统净输出(动力+制冷)变化起主要作用,系统火用效率变化趋势与系统热效率变化趋势一致,后来LNG冷火用输入量变化起主要作用,导致系统火用效率呈减小趋势。

图5 TCO2透平进口压力对系统性能的影响

图6给出了冷凝温度对系统性能的影响。随着冷凝温度升高,系统的净输出功减少,这是因为TCO2透平出口压力升高,TCO2透平膨胀功减小。制冷量随着冷凝温度升高而降低,是因为制冷器入口工质温度升高,从而吸热量减少。由于TCO2循环中做功与制冷量均减少,则系统热效率也相应减小。另外,从图6中还可看出,当冷凝温度升高,系统火用效率先减小后增加。这是因为当冷凝温度升高时,LNG出口温度降低,即LNG向系统输入的冷火用量减少,且变化幅度小于制冷火用的减少量,所以系统火用效率开始先减小;系统火用效率后来增加是因为LNG向系统输入的冷火用量的减小量大于制冷火用的减少量。

图6 冷凝温度对系统性能的影响

3 结 论

(1)由于本文使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环中CO2的冷凝温度,增加了透平的膨胀功,从而提高了系统的热效率,系统的热效率(动力)在文中给定的条件下达到了54.47%。

(2)通过火用分析模型可以对系统各设备火用损进行分析,为系统的性能改善及优化提供了依据。减小换热器的两端温差,合理选择LNG入口温度,有利于减小换热器的火用损,提高系统火用效率。

(3)随着SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但系统火用效率增加;随着高温回热器换热效率的增加,系统热效率和火用效率均增加;TCO2透平进口压力及冷凝温度对系统性能的影响规律则较为复杂。

目前,对以LNG为冷源的SCO2-TCO2冷电联供系统研究处于热力学基础计算阶段,下一步需要考虑经济成本、系统安全稳定性等诸多问题,为实际系统应用提供理论依据。

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(编辑 荆树蓉)

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)

为了提高超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)的低温余热回收效率,采用跨临界CO2循环(TCO2循环)作为底循环对再压缩式SCO2循环进行余热回收,并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝,建立了以LNG为冷源的再压缩式SCO2-TCO2冷电联供系统,以同时输出电量和制冷量。对系统进行火用分析比较,并研究了关键热力参数对系统净输出功率、制冷量、系统热效率和系统火用效率的影响。结果显示:使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环的冷凝温度,提高了低温回收热效率,系统的热效率(动力)在给定的条件下达到54.47%;提高LNG的入口温度,可以减小系统火用损;高温回热器换热效率增加,系统热效率和火用效率均增加;SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但火用效率增加;TCO2透平进口压力升高,系统热效率和火用效率均呈现先减小再升高后减小的变化趋势;随着冷凝温度升高,系统热效率降低,但火用效率先减小后增加。

低温余热回收;超临界CO2循环;跨临界CO2循环;液化天然气;冷电联产

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。 作者简介:吴毅(1992—),女,硕士生;戴义平(通信作者),男,教授。

时间: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