吴毅,王佳莹,王明坤,戴义平

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)



基于超临界CO2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统

吴毅,王佳莹,王明坤,戴义平

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)

为了提高太阳能热发电系统的性能,建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临界CO2布雷顿(SCO2)循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统3个子系统的性能,并研究了太阳辐射强度和采用不同底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,最后对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热发电系统进行了对比。结果显示:吸热器的能量损失率最小,但损失率最大;随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率和效率均增大;采用有机朗肯循环和跨临CO2(TCO2)循环作为底循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;相同条件下,不同的SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太阳能电站热效率最高。

超临界CO2布雷顿循环;太阳能热发电;吸热器;底循环;余热利用

目前,超临界CO2布雷顿(SCO2)循环在第4代先进核反应堆系统中的应用得到了广泛研究[1-2]。这是因为CO2热稳定性和物理性质良好,超临界CO2在临界点附近密度较大,可以减小压缩功,在循环最高温度为500～700 ℃时即可达到较高的循环热效率;另外,由于超临界CO2密度高、循环简单,因此以超临界CO2为工质的压缩机、透平机等动力系统设备结构紧凑,可降低设备造价。研究表明,尤其采用再压缩式SCO2循环,可以充分利用CO2在临界点附近密度较大、所需压缩功较小的优势,并且克服了简单的SCO2循环中回热器易出现夹点问题而导致的传热恶化和引起效率较低等缺点[3]。

SCO2循环所需的500～700 ℃的最高温度,正是太阳热发电的聚光器和太阳热接收器应用现有技术即可实现的温度,且SCO2循环性能明显高于商业化的蒸汽动力循环,因此将SCO2循环应用于聚光型太阳能热发电系统已经引起国外学者兴趣。但是,国外研究[4-6]主要集中在对比不同的SCO2循环形式(简单SCO2循环、再压缩式SCO2循环、部分冷却式SCO2、采取再热等)在透平入口温度为500～800 ℃时的性能,而国内关于聚光型太阳能热发电系统的研究还集中在太阳能-蒸汽动力循环发电系统[7]、太阳能-燃气轮机发电系统[8]和塔式太阳能吸热器热力学性能[9]分析及动态仿真等方面。文献[10]建立了以熔融盐为传热介质的塔式太阳能蒸汽动力发电系统的分析模型,分析了电站各部分子系统的能量损失和损失,并研究了聚光比和不同的常规动力循环形式对整个电站性能的影响。

目前,国内外还未见到完整的有关SCO2循环-塔式太阳能电站的热力学分析。本文建立了基于再压缩式SCO2循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,以熔融盐为传热介质,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统各子系统的性能,以及太阳辐射强度和采用底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,并与采用蒸汽动力循环的塔式太阳能发电系统进行了性能对比分析。

1 系统描述

1.1 循环流程

图1给出了基于SCO2循环的塔式太阳能集热发电系统流程图。由于本文只研究系统在稳态下的热力学性能,因此不讨论储能子系统,也没有在图1中画出。该系统包括集热岛和SCO2发电系统2部分。图2给出了SCO2发电系统的温-熵(T-s)图。

图1 基于SCO2循环的塔式太阳能集热发电系统流程图

集热岛包括定日镜和腔式吸热器。定日镜能够同步自动跟踪太阳光,可以准确地将太阳光反射到中央吸热器窗口。进入吸热器腔体内的聚集光线具有很高的能量密度,用来加热流经吸热器内管道的熔融盐工质[11]。之后,高温熔融盐流经加热器,将热量传递给SCO2发电系统。

SCO2发电系统包括反应堆、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。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,然后经过加热器被高温熔融盐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气体在预冷器冷却。

1～8:状态点图2 SCO2发电系统的T-s图

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)除了太阳能吸热器之外,系统中的其他设备与环境的热损忽略不计;

(3)换热器与连接管道的压力损失可忽略不计。

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。

(1)

式中:Ts为太阳表面温度,取5 327 ℃;T0为环境温度;Q0为定日镜接收到的总太阳辐射能。

(2)

式中:Qr为投射到吸热器窗口上的太阳能。

定日镜场的热效率为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:Qr,m为熔融盐所吸收的热量。

1.2.3 SCO2发电系统 高温回热器的换热效率为

(8)

低温回热器的换热效率为

(9)

SCO2发电系统的净输出功为

(10)

SCO2发电系统的热效率为

(11)

SCO2发电系统的效率为

(12)

(13)

(14)

2 计算与分析

2.1 典型工况下的分析结果

本文SCO2发电系统工质热物理性质按照NIST数据库提供的REFPROP软件[12]进行计算,熔融盐由质量分数为60%的NaNO3和40%的KNO3组成,它的物性参数可通过文献[13]获取。吸热器热模型建立方法基于文献[10]。表1列出了系统的计算条件及吸热器的设计尺寸。

表1 系统计算条件和吸热器的设计尺寸

由表2还可看出,SCO2发电系统效率较大,为74.98%,但其损失率最小,只占总电站损失的15.24%。与此相反,尽管吸热器热效率最高,能量损失率最小,但损失率最大。

通过对比发现,吸热器和SCO2发电系统在能量利用方面表现出相反的特性。这是因为太阳辐射能具有很高的品质(Ts=5 327 ℃,按式(1)计算),当高品质的太阳辐射能被吸热器吸收并转换成熔融盐工质的热能(温度为427～627 ℃)时,产生了非常大的不可逆损失,即吸热器中损失的能量含有很多高品质的可用能。相反,虽然SCO2发电系统能量损失较大,但多为低品位能量。

2.2 太阳辐射强度对系统性能的影响

图3给出了太阳辐射强度D对系统性能的影响。从图中可看出,随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率与效率均增大,并且可以发现整个电站性能的变化趋势与吸热器的变化趋势一致。这是因为太阳辐射强度对整个电站性能的影响主要取决于对吸热器性能的影响,太阳辐射强度对吸热器性能的影响可通过吸热器的散热损失原理解释。从文献[14]可知,吸热器的2个主要散热损失,即辐射散热损失与对流散热损失主要取决于吸热器的表面温度。吸热器表面温度Tsur随太阳辐射强度的变化情况见图4。当太阳辐射强度从200 W/m2升高到800 W/m2时,吸热器表面温度只是小幅度从505 ℃升高到535 ℃,从而辐射和对流散热损失均小幅度增大,但是此时太阳光输入的能量大幅度增加,因此吸热器的热效率和效率均增大。另外,从图4中可发现当太阳辐射强度由200 W/m2升高到400 W/m2时,各效率值升高幅度较大,而太阳辐射强度从400 W/m2升高到800 W/m2时,各效率值升高幅度较小,逐渐趋于稳定。

图3 太阳辐射强度对系统性能的影响

图4 太阳辐射强度对吸热器表面温度的影响

2.3 先进的SCO2发电系统对系统性能的影响

本文着力提高SCO2发电系统的效率来提高整个电站的热效率和效率。由于再压缩式SCO2循环预冷器入口温度约为110 ℃,因此可使用底循环对其进行低温余热利用,能够进一步提高SCO2系统的热效率。本文分别采用有机朗肯循环(ORC)和跨临界CO2(TCO2)循环作为底循环,基于SCO2-ORC/TCO2循环的塔式太阳能集热发电系统的流程图见图5,在低温回热器出口,工质先通过预冷器1将热量传递给底循环,再进入预冷器2进行冷凝。图6给出了SCO2-TCO2和SCO2-ORC发电系统的T-s图。

通过系统参数优化,图7给出了SCO2循环、SCO2-ORC(6种有机工质)和SCO2-TCO2循环的最优热效率ηI,opt对比图。在6种不同有机工质的SCO2-ORC中,

以R123为工质的SCO2-ORC热效

表2 系统典型工况下的热力学和分析结果

以R123为工质的SCO2-ORC热效

子系统输入能量/kW输出能量/kW热效率/%能量损失率/%输入/kW输出/kW效率/%损失率/%定日镜8000.006000.0075.0035.297441.655685.9276.4134.37吸热器6000.005401.1990.0210.575685.923111.6554.7350.39SCO2发电系统5401.192333.2643.2054.143111.652333.2674.9815.24整个电站5401.192333.2629.177441.652333.2631.35

图5 基于SCO2-ORC/TCO2循环的塔式太阳能集热发电系统流程图

(a)SCO2-TCO2发电系统

(b)SCO2-ORC发电系统1～13:状态点图6 SCO2-TCO2和SCO2-ORC发电系统的T-s图

1:单独SCO2循环;2:SCO2-TCO2循环;3:SCO2-ORC(R245fa)循环;4:SCO2-ORC(R601)循环;5:SCO2-ORC(Isobutane)循环;6:SCO2-ORC(R123)循环;7:SCO2-ORC(n-Butane)循环;8:SCO2-ORC(R245ca)循环图7 3种SCO2循环最优热效率对比

率最高,为46.10%,比SCO2循环提升了2.88%,而SCO2-TCO2循环的最优热效率为46.43%,比SCO2循环提升了3.21%。由此可见,SCO2-TCO2循环具有最高的热效率。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。

表3列出了以一级回热的蒸汽动力循环、一级回热和再热的蒸汽动力循环[10]、SCO2循环、SCO2-ORC(R123)循环和SCO2-TCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热系统的性能对比结果。从表中看出,相同的透平入口温度下,SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的最优热效率和效率。其中,SCO2-TCO2动力子系统具有最高的热效率46.63%,SCO2动力子系统热效率为43.22%,均高于一级回热和再热的蒸汽动力循环热效率39.7%。由此可见,采用SCO2循环为动力子系统的塔式太阳能集热发电系统更高效,具有更广阔的发展潜力。

表3 采用不同动力子系统的塔式太阳能集热系统比较

3 结 论

本文建立了基于再压缩式SCO2循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析对比了各子系统的性能。

(1)由于SCO2发电系统能量损失中含有较多的低品位能量,因此虽然SCO2发电系统能量损失率最大,但损失率最小;相反,虽然吸热器的能量损失率最小,但损失率最大。

(3)通过增加底循环ORC和TCO2循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且通过系统优化发现SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热系统进行对比,发现SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的太阳能电站热效率最高,为31.35%,具有更广阔的发展潜力。

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(编辑 荆树蓉)

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

时间:2016-02-02

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

TK51

A

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