基于超臨界CO2循環(huán)的地?zé)崤c太陽能混合系統(tǒng)研究*

鄭開云，黃志強

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 前 言

隨著我國大力推進能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，可再生能源，包括水、風(fēng)、光、生物質(zhì)、地?zé)崮艿日蔀槟茉撮_發(fā)的熱點。根據(jù)可再生能源的形態(tài)和品位特點，多能互補發(fā)電方式是綜合提高能源利用率的有效途徑之一。對于通過動力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能方式的能源，可組成低溫?zé)嵩磁c高溫?zé)嵩瘩詈习l(fā)電系統(tǒng)，以提高整體的發(fā)電效率。我國西部地區(qū)具有豐富的太陽能資源，許多地區(qū)地?zé)嵋埠茇S富，例如西藏的羊八井[1]和四川甘孜[2]，兩種能源具備協(xié)同開發(fā)的潛力和條件，特別是近期在青海的共和盆地發(fā)現(xiàn) 200℃以上大規(guī)模可利用干熱巖，而青海地區(qū)的太陽能資源也特別多。在地?zé)峋浇梢虻刂埔私ㄔO(shè)太陽能聚光集熱系統(tǒng)，形成太陽能、地?zé)狁詈习l(fā)電站，充分發(fā)揮這兩種可再生能源的優(yōu)勢。

太陽能和地?zé)嵯嘟Y(jié)合的方式有兩種[3]：一種是以太陽能為主，另一種是以地?zé)崮転橹鳌，F(xiàn)有相關(guān)文獻報道的發(fā)電系統(tǒng)主要是基于有機朗肯循環(huán)[4]、蒸汽擴容[5]、卡琳娜循環(huán)[6]等發(fā)電技術(shù)，都具備技術(shù)可行性，其中有機朗肯循環(huán)技術(shù)比較成熟，十分適合于中、低溫?zé)嵩窗l(fā)電，但不能用于高溫?zé)嵩?。采用聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)，可提高動力循環(huán)的工作溫度，從而提高發(fā)電系統(tǒng)的效率和能源利用率。太陽能熱發(fā)電按聚光方式分為塔式、槽式、菲涅爾式、碟式，其中塔式和槽式均已有大規(guī)模商業(yè)電站。因此，可將地?zé)嶙鳛榈蜏責(zé)嵩?、太陽能作為高溫?zé)嵩唇M合成混合熱源。

將兩種不同的熱源耦合還需要合適的動力循環(huán)，且與目標地區(qū)的環(huán)境條件相適應(yīng)。近年來，超臨界CO2（S-CO2）循環(huán)技術(shù)發(fā)展迅速，關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破。CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、無毒性、低成本，S-CO2循環(huán)系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可空冷。S-CO2循環(huán)在火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景[7]。KIM 等[8]研究了高、低溫兩種熱源耦合的跨臨界和超臨界的CO2循環(huán)，研究表明，S-CO2循環(huán)可以實現(xiàn)低溫和高溫?zé)嵩吹挠袡C結(jié)合，對于給定的高溫?zé)嵩?，補充低溫?zé)嵩纯梢栽龃蟀l(fā)電系統(tǒng)出力。WANG等[9]研究了集成太陽能與生物質(zhì)能的混合發(fā)電超臨界CO2級聯(lián)循環(huán)，并開展了能量分析和?分析，由于生物質(zhì)能的輸入，系統(tǒng)效率對太陽輻照強度的敏感性減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，該發(fā)電系統(tǒng)適合于太陽能和生物質(zhì)能都比較豐富的我國西部地區(qū)。因此，S-CO2循環(huán)適合作為耦合地?zé)岷吞柲艿膭恿ρh(huán)，但是目前國內(nèi)外對此鮮有報道。

本文采用S-CO2循環(huán)，綜合利用地?zé)崤c太陽能，組成新型的混合發(fā)電系統(tǒng)。通過能量方法和?方法對系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析，獲得系統(tǒng)的熱效率和?效率，并識別造成?損失的主要環(huán)節(jié)，并提出優(yōu)化措施。

1 循環(huán)系統(tǒng)模型

地?zé)峥煞譃槎喾N類型，其中干熱巖溫度可達150 ～ 250℃，水熱型地?zé)釡囟容^低，在150℃以下，更低溫度的還有溫泉形式的地?zé)帷τ诘責(zé)岚l(fā)電，溫度較高的地?zé)岵啪哂虚_發(fā)價值。本文研究選擇溫度為 110℃以上的地?zé)?，將不同溫度的地?zé)崤c太陽能熱組合。太陽能集熱方式選擇技術(shù)上更加成熟的槽式，傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，其最高工作溫度可達400℃。對于熱源負荷匹配，首先設(shè)定系統(tǒng)設(shè)計點的凈輸出功率，再配上循環(huán)最大可吸收的地?zé)崮?，最后按照循環(huán)余下的負荷份額配上太陽能。

圖1為S-CO2循環(huán)系統(tǒng)布置及溫熵圖，采用簡單回?zé)嵫h(huán)模式，地?zé)嵬ㄟ^與低溫回?zé)崞鞑⒙?lián)的地?zé)崮芗訜崞鬏斎虢o工質(zhì)，太陽能熱通過太陽能加熱器輸入給工質(zhì)?；竟に囘^程為：低溫低壓工質(zhì)進入壓縮機升至高壓（1→2），然后分為兩路吸收熱量（2→3），一路經(jīng)低溫回?zé)崞魑胀钙脚懦龉べ|(zhì)的熱量，另一路經(jīng)地?zé)峒訜崞魑盏責(zé)崮埽俳?jīng)高溫回?zé)崞魑胀钙脚懦龉べ|(zhì)的熱量（3→4），然后經(jīng)太陽能熱加熱器吸收熱量達到最高溫度（4→5），然后進入透平做功推動發(fā)電機工作（5→6），透平排出的工質(zhì)經(jīng)高溫、低溫回?zé)崞麽尫挪糠譄崃浚?→7→8），最后經(jīng)預(yù)冷器冷卻后進入下一個循環(huán)過程（8→1）。簡單回?zé)嵫h(huán)模式的優(yōu)點是系統(tǒng)精簡且熱效率較高，但要注意在某些工況下回?zé)崞鲀?nèi)部出現(xiàn)“夾點”的問題[10]。

圖1 S-CO2循環(huán)系統(tǒng)布置及溫熵圖Fig. 1 Supercritical carbon dioxide cycle layout and T-s diagram

2 循環(huán)分析方法

循環(huán)分析針對設(shè)計點工況進行，其中槽式太陽能聚光集熱相關(guān)參數(shù)列于表1。

表1 槽式太陽能聚光集熱相關(guān)參數(shù)Table 1 Parabolic trough concentrating solar receiving parameters

槽式聚光集熱器熱效率（ηr）為[11]：

將表1數(shù)值代入式（1），可得ηr= 0.7153。

太陽能的?（Ex,s）為[12]：

式中，Us為太陽輻照能量，kJ；T0為環(huán)境溫度，K；Ts為當量太陽溫度，K；δ為太陽輻照錐角，δ= 0.005 rad。設(shè)Ts= 5 800 K，

地?zé)徇x擇兩種類型，一是四川甘孜地區(qū)的地?zé)?，溫?15℃，壓力0.34 MPa[2]；二是青海共和盆地的干熱巖，據(jù)勘探溫度可達200℃以上，這里取200℃，干熱巖井口壓力高，這里取15 MPa[13]。作為對照，本文也對無地?zé)幔瑑H有太陽能熱的情況進行分析，從而更加有力地說明地?zé)崤c太陽能熱混合發(fā)電的優(yōu)勢。

假設(shè)一套50 MW的發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)經(jīng)驗選擇S-CO2循環(huán)的主要參數(shù)，列于表2，為便于計算，不考慮發(fā)電機損耗、各種機械損失、熱損失、管道壓損、漏氣、輔助設(shè)備用電等。CO2工質(zhì)的物性數(shù)據(jù)采用美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）發(fā)布的REFPROP數(shù)據(jù)庫。地?zé)崮艿臄y熱介質(zhì)近似為純水。太陽能熱傳熱介質(zhì)假設(shè)為DOWTHERM A導(dǎo)熱油。壓縮機出口分流比（進入地?zé)崮芗訜崞髁髁康谋壤┩ㄟ^循環(huán)效率最優(yōu)化的計算確定。循環(huán)達到穩(wěn)態(tài)時，低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口溫度與地?zé)崮芗訜崞鞴べ|(zhì)側(cè)出口溫度相等。

表2 S-CO2循環(huán)參數(shù)Table 2 Parameters for the S-CO2 cycle

循環(huán)的熱效率ηcyc為：

式中，Wnet為凈輸出功率；Ws為太陽能加熱器熱功率，為太陽輻照功率，kW；Wg為地?zé)崮軗Q熱器熱功率，kW；Wt為透平功率，kW；Wc為壓縮機功率，kW。

系統(tǒng)總的熱效率ηsys為：

系統(tǒng)的?分析過程僅考慮穩(wěn)流工質(zhì)的焓?，S-CO2循環(huán)穩(wěn)態(tài)時，各狀態(tài)點 CO2工質(zhì)的焓?只取決于給定的狀態(tài)，是狀態(tài)參數(shù)，比?ex,H為：

式中，h為比焓，kJ·kg-1；s為比熵，kJ·kg-1·K-1；下標0表示參考狀態(tài)（25℃，0.1 MPa）。

由于缺少特性數(shù)據(jù)，DOWTHERM A導(dǎo)熱油的比?無法給出，單位質(zhì)量流量的?差（Δex,oil）由下式計算：

式中，Coil為導(dǎo)熱油的比熱，kJ·kg-1·K-1。根據(jù)DOWTHERM A導(dǎo)熱油技術(shù)數(shù)據(jù)表[14]，Coil近似取為2.5 kJ·kg-1·K-1。Δex,oil≈ 130.13 kJ·kg-1。

導(dǎo)熱油單位質(zhì)量流量的焓差Δhoil由下式計算：

則，Δhoil≈ 250 kJ·kg-1。

系統(tǒng)或設(shè)備中進行的不可逆過程引起的?損失（Ex,loss）定義為[15]：

式中，Ex,pain為耗費?，kJ；Ex,gain為收益?，kJ。

系統(tǒng)或設(shè)備的?效率ηe表示為：

各設(shè)備的耗費?和收益?列于表3。

表3 各設(shè)備和系統(tǒng)的耗費?和收益?Table 3 Pain exergy and gain exergy for each equipment and system

表4 S-CO2循環(huán)熱力學(xué)計算結(jié)果Table 4 Thermodynamic calculation results of the supercritical carbon dioxide cycle

3 分析結(jié)果與討論

3.1 分析結(jié)果

對于無地?zé)岷?15℃、200℃兩種地?zé)釛l件，S-CO2循環(huán)在設(shè)計點的熱力學(xué)計算結(jié)果列于表4，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行能量分析和?分析。

系統(tǒng)能量分析結(jié)果列于表 5。無地?zé)帷?15℃地?zé)岷?200℃地?zé)釛l件下輸入系統(tǒng)的地?zé)峁β史謩e為0 kW、61 511.71 kW和84 117.57 kW，太陽輻照功率分別為228 812.67 kW、176 167.86 kW和136 011.77 kW。S-CO2循環(huán)熱效率為30.55%，系統(tǒng)熱效率分別為21.85%（無地?zé)釛l件）、21.04%（115℃地?zé)釛l件）和22.71%（200℃地?zé)釛l件）。

系統(tǒng)?分析結(jié)果列于表6。S-CO2循環(huán)系統(tǒng)?效率分別為21.94%（無地?zé)釛l件）、27.28%（115℃地?zé)釛l件）和32.28%（200℃地?zé)釛l件）。

表5 設(shè)備功率Table 5 Power of each equipment

表6 設(shè)備和系統(tǒng)?分析結(jié)果Table 6 Exergy analysis results for the equipment and the system

3.2 討論

從能量分析的結(jié)果來看，相比單純太陽能熱無地?zé)岬南到y(tǒng)，地?zé)崤c太陽能熱混合的循環(huán)系統(tǒng)在熱效率上沒有明顯的優(yōu)勢，其中115℃地?zé)峁r下，系統(tǒng)總熱效率反而有所下降，這是由于無法利用而排入環(huán)境的地?zé)崴嫉谋壤鄬^高造成的。S-CO2循環(huán)本身的熱效率與熱源形式無關(guān)，所以保持不變?；旌舷到y(tǒng)的能量利用率得到提升的貢獻來自于地?zé)崮茉谙到y(tǒng)中的發(fā)電效率提高了，單純的地?zé)崮馨l(fā)電效率約10%，而在此混合系統(tǒng)中，地?zé)崮馨凑崭哂?0%的效率發(fā)電。

圖2 S-CO2循環(huán)循環(huán)壓焓圖Fig. 2 P-h diagram of S-CO2 cycle

低品位的地?zé)崮苣軌蝰詈现?S-CO2循環(huán)得益于回?zé)崞鲀蓚?cè) CO2工質(zhì)比熱的差異，S-CO2循環(huán)具有引入低溫?zé)崃康奶烊粚傩?。由圖 2的壓焓圖可進一步說明，圖中曲線為等溫線和等熵線，a→b→c→d→e→f為簡單回?zé)岬?S-CO2循環(huán)：a→b絕熱壓縮過程，d→e絕熱膨脹過程，c→d加熱過程，f→a冷卻過程，e→f釋放的熱量回?zé)峤ob→c，由于比熱差異，c點與e點的溫差遠大于“夾點”溫度。S-CO2循環(huán)耦合低溫?zé)崮艿乃悸肥牵簩?e→f分為e→e’和 e’→f兩段，如果 c點回?zé)岬礁邷囟?c’，b→c’分為 b→b’和 b’→c’兩段，e→e’段用于回?zé)峤ob’→c’，且 b’與 e’點溫差達到“夾點”溫度，但 e’→f段不足以回?zé)醔→b’段，缺口部分的熱量需要從外部提供。b’點溫度較低（＜ 200℃），所以地?zé)岱浅＿m合。從表5中地?zé)崤c太陽能熱的比例來看，被利用地?zé)崮艿牧肯喈斂捎^，可見S-CO2循環(huán)吸納低溫?zé)崃康哪芰^強。

從?分析的結(jié)果可以更加清晰地看到混合系統(tǒng)的優(yōu)勢，耦合115℃和200℃地?zé)岬南到y(tǒng)?效率比單純太陽能熱無地?zé)嵫h(huán)分別提高了5%和10%。

根據(jù)圖3所示的?損失分布情況，可知系統(tǒng)中太陽能聚光集熱器的?效率最低（見表6），其?損失也最大，占總?損失的80%以上；其次是除預(yù)冷器以外的各類換熱器以及透平；壓縮機的?損失相對較?。活A(yù)冷器的?損失也較小，但這部分?損失是不可避免的。因此，提高系統(tǒng)?效率的重點是改善太陽能聚光集熱器的性能，以及提高各個換熱器的效能，前文的循環(huán)參數(shù)設(shè)定中，透平和壓縮機的效率基本是按照技術(shù)成熟后的水平選取的，進一步提高性能的空間不大。

槽式太陽能聚光集熱技術(shù)是最早實現(xiàn)商業(yè)化運營的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，比其他類型的聚光技術(shù)更加成熟。目前，這項技術(shù)還在不斷發(fā)展和進步，大規(guī)模商業(yè)化的進程不斷加快。減少太陽能聚光集熱器?損失的關(guān)鍵在于提高集熱管運行溫度，但是，導(dǎo)熱油的最高工作溫度有較大的局限性，有待于高溫傳熱介質(zhì)（如熔鹽）的開發(fā)。

系統(tǒng)中換熱器包括地?zé)崮芗訜崞?、太陽能加熱器、低溫回?zé)崞骱透邷鼗責(zé)崞?，提高換熱器效能即為降低最小換熱溫差，減少壓損。新型的緊湊式換熱器（如印刷電路板式換熱器、微通道換熱器）的選用是有效的解決途徑，特別是回?zé)崞鞅仨氝x用此類緊湊式結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮S-CO2循環(huán)的高效優(yōu)勢。

圖3 ?損失分布Fig. 3 Distribution of exergy loss

4 結(jié) 論

（1）基于 S-CO2循環(huán)，地?zé)岷吞柲軣峥神詈铣苫旌蠠嵩窗l(fā)電系統(tǒng)，其中地?zé)崮芸梢酝ㄟ^與低溫回?zé)崞鞑⒙?lián)的一路分流工質(zhì)吸收，太陽能熱可選用技術(shù)成熟度較高的槽式聚光集熱技術(shù)收集，并作為主加熱器的熱源；

（2）地?zé)岷吞柲軣峄旌喜惶岣哐h(huán)系統(tǒng)總的熱效率，但是比單純利用太陽能熱無地?zé)岬南到y(tǒng)提高總的?效率，耦合115℃和200℃地?zé)嵯到y(tǒng)的?效率分別提高了5%和10%；

（3）太陽能聚光集熱器的?效率最低，?損失最大，占總?損失的80%以上，其次是除預(yù)冷器以外的各類換熱器以及透平；相比之下，壓縮機和預(yù)冷器的?損失較??；

（4）減少?損失的關(guān)鍵是提高太陽能聚光集熱器和換熱器的性能，包括提高集熱管運行溫度，以及提高換熱器效能。

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