超临界CO2部分冷却布雷顿循环分析

方立军，杨 雪,，张桂英，郭 峰，孙立超

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003; 2． 国核电力规划设计研究院，北京 100095)

方立军1，杨 雪1,2，张桂英2，郭 峰2，孙立超1

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003; 2． 国核电力规划设计研究院，北京 100095)

0 引言

太阳能聚热技术已被证实是完全可以与传统化石能源竞争的可再生能源技术。太阳能热发电技术按聚光技术有槽式、塔式、蝶式、线性菲涅尔式4种。其中，槽式太阳能热发电技术已趋于成熟，塔式太阳能热发电技术由于其高聚光比、易得到较高的工作温度、能量集中过程一次完成以及吸热器散热小等优点受到人们广泛关注[1]。

太阳能热发电采用布雷顿循环技术最早见于20世纪70年代的塔式太阳能热发电，使用空气做传热和动力工质[2]。太阳能布雷顿循环分为开式和闭式2种，开式布雷顿循环热效率一般在38%左右，闭式布雷顿循环热效率在20%～50%之间[3]。2011年，美国推出的Sun Shot计划首次提出将闭式布雷顿循环热发电技术应用于太阳能热发电中，但由于科研示范难度大，至今未见实际应用[4]。

Turchi等对几个超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环进行热分析，得出S-CO2布雷顿循环比传统朗肯循环效率高，当入口温度超过650 ℃时能够达到50%左右。带有中间冷却或再热的再压缩式布雷顿循环具有更高的循环效率以及更大的换热器温差，更适用于显热蓄热的集中式太阳能热电站[5]。Harvego等对直接加热和间接加热的S-CO2再压缩布雷顿循环进行优化分析，得出直接加热过程的动力循环，具有更高的效率和输出功[6]。Turchi等指出有再热的布雷顿循环的循环热效率普遍比无再热的布雷顿循环热效率高1～2个百分点。提高再热温度可以提高循环的热效率，但是再热温度的提高受到膨胀机以及入口管材料的限制，通常会选择再热温度等于膨胀机的入口温度[7]。

1 超临界CO2部分冷却布雷顿循环

图1是S-CO2部分冷却循环示意图，图2是其T-S图。

图1 具有一级再热的S-CO2部分冷却循环示意图

图2 具有一级再热的S-CO2部分冷却循环T-S图

循环采用S-CO2作为传热和动力流体。整个循环由3个压缩机、2个回热器、2个透平、2个冷凝器组成。采用主压缩机、预压压缩机以及再压缩机的目的是：一方面为了使流体进行分流，减少低温回热器的“夹点”问题；另一方面是减少进入冷凝器的工质流量，减少冷源温差，提高热效率。循环流程主要有：1-2为高温流体进入第一透平(T1)做功。当高温流体做一部分功后，温度、压力降低，压力降低到一定程度时，进入2-3再热器进行吸热；3-4为吸收热量后的高温流体进入第二透平(T2)做功；4-5为做功后的高温流体进入高温回热器(HTR)将热量传递给低温流体；5-6为从高温回热器出来的流体还保留一定的能量经过低温回热器(LTR)放热；6-7为经过低温回热器出来的流体进入预冷器中进行放热，使通过预冷器出口的流体温度、压力达到预压压缩机入口所需的温度、压力；7-8为预冷器出来的流体进入到预压压缩机(C1)中进行压缩，从预压压缩机出口的流体进行分流，8-9为一部分进入中间冷却器进行放热，使中间冷却器的出口温度、压力达到主压缩机(C2)的入口温度、压力；另一部分进入8-12再压缩机(C3)中进行压缩；9-10为一部分流体进入主压缩机中进行压缩；10-11为从主压缩机出来的流体进行低温回热器中进行加热，并在低温回热器出口与从再压缩机出来的流体进行汇合；13-14为汇合后的流体进入高温回热器进行加热；14-1为从高温回热器出来的流体在加热器中进行加热。

2 S-CO2部分冷却布雷顿循环建模和分析

2.1 循环热力学模型

模型主要假设：1)不考虑储热系统；2)循环所有过程都已经处于稳定状态；3)忽略管道内压降；4)循环中的各设备绝热。

表1 S-CO2部分冷却布雷顿循环数学模型

2.2 相关参数的确定

本文选用主压缩机入口为初始点，相关参数如表2。

表分析的输入参数

3 计算结果及分析

图3 压缩机出口压力对循环效率的影响

图4 循环压比比对循环效率的影响

图5 再热压力对循环效率的影响

图6 透平入口温度对压缩机损系数的影响

图7 透平入口温度对透平损系数的影响

图8 透平入口温度对回热器损系数的影响

图9 透平入口温度对冷却器损系数的影响

3.3 最优工况点

表3 最优循环工作参数

4 结论

[1] 钟史明. 塔式太阳能热发电介绍[J]. 区域供热, 2015(1):3-8.

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

[3] KIM Y M, KIM C G, FAVRAT D. Transcritical or supercritical CO2cycles using both low-and high-temperature heat sources[J]. Energy, 2012, 43(1): 402-415.

[4] SIENICKI J J, MOISSEYTSEV A, FULLER R L, et al. Scale dependencies of supercritical carbon dioxide Brayton cycle technologies and the optimal size for a next-step supercritical CO2cycle demonstration[C]//2011 Supercritical CO2Power Cycle Symposium, Boulder, CO. 2011.

[5] TURCHI C S, MA Z, NEISES T W, et al. Thermodynamic study of advanced supercritical carbon dioxide power cycles for concentrating solar power systems[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2013, 135(4): 041007.

[6] HARVEGO E A, MCKELLAR M G. Optimization and comparison of direct and indirect supercritical carbon dioxide power plant cycles for nuclear applications[C]//ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition,American Society of Mechanical Engineers, 2011: 75-81.

[7] TURCHI C S, MA Z, NEISES T, et al. Thermodynamic study of advanced supercritical carbon dioxide power cycles for high performance concentrating solar power systems[C]//ASME International Conference on Energy Sustainability collocated with the ASME 2012 International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology, 2012: 1928-1936.

[8] 吴毅,王佳莹,王明坤,等. 基于超临界CO2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统[J]. 西安交通大学学报,2016,50(5):108-113.

[9] 黄雯婷,赵航,邓清华,等. 超临界CO2部分预冷循环特性分析及优化研究[J]. 工程热物理学报,2016,37(2):235-239.

[10] IVERSON B D, CONBOY T M, PASCH J J, et al. Supercritical CO2Brayton cycles for solar-thermal energy[J]. Applied Energy, 2013, 111: 957-970.

[11] PADILLA R V, TOO Y C S, BENITO R, et al. Exergetic analysis of supercritical CO2Brayton cycles integrated with solar central receivers[J]. Applied Energy, 2015, 148(6): 348-365.

[12] KULHANEK M, DOSTAL V. Thermodynamic analysis and comparison of supercritical carbon dioxide cycles[C]//Proceedings of Supercritical CO2Power Cycle Symposium 2011, Boulder, CO, 2011: 24-25.

[13] SARKAR J, BHATTACHARYYA S. Optimization of recompression S-CO2power cycle with reheating[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(8): 1939-1945.

Exergy Analysis of Supercritical CO2Partial Cooling Brayton Cycle

FANG Lijun1,YANG Xue1,2,ZHANG Guiying2,GUO Feng2,SUN Lichao1

(1． School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China; 2． State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100095，China)

In order to determine the energy-saving potential of the equipments that apply to the partial cooling brayton cycle, the optimal working parameters that are applied to concentrated solar thermal power plants (CSP) are summarized which could provide some references for the solar thermal power plants of the construction of supercritical CO2(S-CO2) brayton cycle. The engineering equation solver (EES) is used to carry out the exergy analysis of a 100 MW S-CO2partial cooling brayton cycle which is used in CSP. By analyzing the influence of the turbine inlet temperature and cycle pressure ratio on the circulating exergy efficiency and the influence of the different turbine inlet temperature on the exergy loss coefficient of each equipment, the result that the maximum exergy loss exists in condensers compared with other equipments is obtained. Therefore, by taking advantage of the useful exergy of the condensers, the bottom cycles can be greatly bettered. When the turbine inlet temperature is 700 ℃, the reheat pressure is 9.5 MPa, and the cyclic pressure ratio is 0.4, and the circulating exergy efficiency is 33.73% and cycle thermal efficiency is 50.90%.

concentrating solar power; supercritical carbon dioxide; partial cooling brayton cycle; exergy efficiency; exergy loss coefficient

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.008

2016-12-26。

河北省自然科学基金(B2014502056)。

TK123

A

1672-0792(2017)04-0043-06

方立军(1971-)，男，副教授，工学博士，主要从事大气污染物控制和洁净煤技术方面的研究工作。