超臨界CO2部分冷卻布雷頓循環分析

方立軍，楊 雪,，張桂英，郭 峰，孫立超

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003; 2． 國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

方立軍1，楊 雪1,2，張桂英2，郭 峰2，孫立超1

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003; 2． 國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

0 引言

太陽能聚熱技術已被證實是完全可以與傳統化石能源競爭的可再生能源技術。太陽能熱發電技術按聚光技術有槽式、塔式、蝶式、線性菲涅爾式4種。其中，槽式太陽能熱發電技術已趨于成熟，塔式太陽能熱發電技術由于其高聚光比、易得到較高的工作溫度、能量集中過程一次完成以及吸熱器散熱小等優點受到人們廣泛關注[1]。

太陽能熱發電采用布雷頓循環技術最早見于20世紀70年代的塔式太陽能熱發電，使用空氣做傳熱和動力工質[2]。太陽能布雷頓循環分為開式和閉式2種，開式布雷頓循環熱效率一般在38%左右，閉式布雷頓循環熱效率在20%～50%之間[3]。2011年，美國推出的Sun Shot計劃首次提出將閉式布雷頓循環熱發電技術應用于太陽能熱發電中，但由于科研示范難度大，至今未見實際應用[4]。

Turchi等對幾個超臨界CO2(S-CO2)布雷頓循環進行熱分析，得出S-CO2布雷頓循環比傳統朗肯循環效率高，當入口溫度超過650 ℃時能夠達到50%左右。帶有中間冷卻或再熱的再壓縮式布雷頓循環具有更高的循環效率以及更大的換熱器溫差，更適用于顯熱蓄熱的集中式太陽能熱電站[5]。Harvego等對直接加熱和間接加熱的S-CO2再壓縮布雷頓循環進行優化分析，得出直接加熱過程的動力循環，具有更高的效率和輸出功[6]。Turchi等指出有再熱的布雷頓循環的循環熱效率普遍比無再熱的布雷頓循環熱效率高1～2個百分點。提高再熱溫度可以提高循環的熱效率，但是再熱溫度的提高受到膨脹機以及入口管材料的限制，通常會選擇再熱溫度等于膨脹機的入口溫度[7]。

1 超臨界CO2部分冷卻布雷頓循環

圖1是S-CO2部分冷卻循環示意圖，圖2是其T-S圖。

圖1 具有一級再熱的S-CO2部分冷卻循環示意圖

圖2 具有一級再熱的S-CO2部分冷卻循環T-S圖

循環采用S-CO2作為傳熱和動力流體。整個循環由3個壓縮機、2個回熱器、2個透平、2個冷凝器組成。采用主壓縮機、預壓壓縮機以及再壓縮機的目的是：一方面為了使流體進行分流，減少低溫回熱器的“夾點”問題；另一方面是減少進入冷凝器的工質流量，減少冷源溫差，提高熱效率。循環流程主要有：1-2為高溫流體進入第一透平(T1)做功。當高溫流體做一部分功后，溫度、壓力降低，壓力降低到一定程度時，進入2-3再熱器進行吸熱；3-4為吸收熱量后的高溫流體進入第二透平(T2)做功；4-5為做功后的高溫流體進入高溫回熱器(HTR)將熱量傳遞給低溫流體；5-6為從高溫回熱器出來的流體還保留一定的能量經過低溫回熱器(LTR)放熱；6-7為經過低溫回熱器出來的流體進入預冷器中進行放熱，使通過預冷器出口的流體溫度、壓力達到預壓壓縮機入口所需的溫度、壓力；7-8為預冷器出來的流體進入到預壓壓縮機(C1)中進行壓縮，從預壓壓縮機出口的流體進行分流，8-9為一部分進入中間冷卻器進行放熱，使中間冷卻器的出口溫度、壓力達到主壓縮機(C2)的入口溫度、壓力；另一部分進入8-12再壓縮機(C3)中進行壓縮；9-10為一部分流體進入主壓縮機中進行壓縮；10-11為從主壓縮機出來的流體進行低溫回熱器中進行加熱，并在低溫回熱器出口與從再壓縮機出來的流體進行匯合；13-14為匯合后的流體進入高溫回熱器進行加熱；14-1為從高溫回熱器出來的流體在加熱器中進行加熱。

2 S-CO2部分冷卻布雷頓循環建模和分析

2.1 循環熱力學模型

模型主要假設：1)不考慮儲熱系統；2)循環所有過程都已經處于穩定狀態；3)忽略管道內壓降；4)循環中的各設備絕熱。

表1 S-CO2部分冷卻布雷頓循環數學模型

2.2 相關參數的確定

本文選用主壓縮機入口為初始點，相關參數如表2。

表分析的輸入參數

3 計算結果及分析

圖3 壓縮機出口壓力對循環效率的影響

圖4 循環壓比比對循環效率的影響

圖5 再熱壓力對循環效率的影響

圖6 透平入口溫度對壓縮機損系數的影響

圖7 透平入口溫度對透平損系數的影響

圖8 透平入口溫度對回熱器損系數的影響

圖9 透平入口溫度對冷卻器損系數的影響

3.3 最優工況點

表3 最優循環工作參數

4 結論

[1] 鐘史明. 塔式太陽能熱發電介紹[J]. 區域供熱, 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] 吳毅,王佳瑩,王明坤,等. 基于超臨界CO2布雷頓循環的塔式太陽能集熱發電系統[J]. 西安交通大學學報,2016,50(5):108-113.

[9] 黃雯婷,趙航,鄧清華,等. 超臨界CO2部分預冷循環特性分析及優化研究[J]. 工程熱物理學報,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。

河北省自然科學基金(B2014502056)。

TK123

A

1672-0792(2017)04-0043-06

方立軍(1971-)，男，副教授，工學博士，主要從事大氣污染物控制和潔凈煤技術方面的研究工作。