基于CO2混合工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)四季性能分析

摘 要：為高效轉(zhuǎn)換塔式太陽能系統(tǒng)的聚光熱量，將混合工質(zhì)（CO2/R290、CO2/R600a和CO2/R601a）應(yīng)用于再壓縮動(dòng)力循環(huán)，建立塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力模型，并基于典型日（春分、夏至、秋分、冬至）的輻照條件對(duì)系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明：在混合工質(zhì)不可燃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種混合工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率、效率和發(fā)電量均先升高后降低，最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.7/0.3、0.8/0.2和0.8/0.2。在3種混合工質(zhì)中，CO2/R290（0.7/0.3）的系統(tǒng)性能最佳，春分的系統(tǒng)熱效率為18.99%，發(fā)電量為17.1 MWh。在不同典型日下，夏至系統(tǒng)熱效率和效率略低于冬至，但其發(fā)電量最高?；?種混合工質(zhì)探究透平進(jìn)口溫度、循環(huán)最低溫度、高溫熔鹽溫度和分流比對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，系統(tǒng)存在最佳分流比使熱效率和發(fā)電量最高，相應(yīng)分流比的范圍為0.70～0.75。

關(guān)鍵詞：塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)；CO2混合工質(zhì)；再壓縮動(dòng)力循環(huán)；熱力性能

中圖分類號(hào)：TK514" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

目前，塔式太陽能熱發(fā)電（solar power tower，SPT）系統(tǒng)已是實(shí)現(xiàn)光-熱-功高效轉(zhuǎn)換的主要方式。SPT系統(tǒng)可細(xì)分為定日鏡、吸熱器、熔鹽蓄熱和動(dòng)力循環(huán)4個(gè)子系統(tǒng)。作為一種前沿的動(dòng)力循環(huán)，超臨界CO2（S-CO2）布雷頓循環(huán)應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中可提高能源轉(zhuǎn)換效率、降低發(fā)電成本，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究［1］。在S-CO2循環(huán)中，CO2臨界壓力較高，而臨界溫度接近環(huán)境溫度，使得近臨界點(diǎn)壓縮困難，故將CO2與其他工質(zhì)混合，改變流體的臨界溫度，從而提高系統(tǒng)性能。當(dāng)摻混工質(zhì)臨界溫度較高時(shí)，CO2混合工質(zhì)將具有比CO2更高的臨界溫度，可在亞臨界狀態(tài)下冷凝，降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力，從而減少壓縮功［2］。如文獻(xiàn)［3］將N2O4和TiCl4這2種流體與CO2混合作為塔式太陽能發(fā)電廠的工作流體來提高光電轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果表明在最高溫度為550和700 ℃時(shí)，循環(huán)效率分別高達(dá)43%和50%，然而其未分析CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；文獻(xiàn)［4］將CO2混合工質(zhì)應(yīng)用于跨臨界再壓縮朗肯循環(huán)，所考慮的有機(jī)工質(zhì)包括丙烷、H2S、R32和R161，研究表明在環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，應(yīng)用CO2-R32的系統(tǒng)熱性能最優(yōu)，與純CO2在環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)的熱效率相當(dāng)，其雖然分析了CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)循環(huán)效率的影響，但未考慮太陽能電廠的整體特性及太陽能輻射量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文基于CO2混合工質(zhì)的再壓縮動(dòng)力循環(huán)，研究塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能。對(duì)此，本文建立基于再壓縮循環(huán)的SPT系統(tǒng)熱力模型，并從典型日（春分、夏至、秋分、冬至）出發(fā)，分別討論不同混合工質(zhì)及關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 SPT系統(tǒng)布局

圖1所示為基于CO2混合工質(zhì)再壓縮動(dòng)力循環(huán)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖。對(duì)于動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)，當(dāng)CO2混合工質(zhì)臨界溫度較大時(shí)，冷卻介質(zhì)可將工質(zhì)冷凝成亞臨界液體，工質(zhì)進(jìn)入支路2冷凝及增壓；當(dāng)臨界溫度較小時(shí)，冷卻介質(zhì)僅能將工質(zhì)冷卻成超臨界狀態(tài)，工質(zhì)進(jìn)入支路1冷卻降溫及壓縮。

2 熱力學(xué)建模

2.1 系統(tǒng)熱力學(xué)

針對(duì)圖1所示的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的熱力學(xué)模型如下文詳述。

2.1.1 定日鏡場(chǎng)

為了精確調(diào)控定日鏡的角度使其將光線反射到接收器上，必須得到太陽的實(shí)時(shí)位置。通常，太陽在天空中的位置由太陽高度角[αs]和太陽方位角[γs]確定［5］：

3 運(yùn)行工況及CO2混合工質(zhì)

針對(duì)圖1所示的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，本文采用位于北京延慶的大漢塔式太陽能電站的定日鏡場(chǎng)［11］和文獻(xiàn)報(bào)道的典型腔體吸熱器［12］來實(shí)現(xiàn)太陽能的聚光集熱，定日鏡場(chǎng)及吸熱器參數(shù)見表2。在典型日（春分、夏至、秋分、冬至）下，DNI隨不同時(shí)刻的變化如圖2所示。從圖2可看出，夏至的太陽輻射最強(qiáng)而冬至最弱，由于春秋分氣候相似，DNI也更為接近。針對(duì)熔鹽子系統(tǒng)，本文采用NaNO3/KNO3（60%/40%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）作為吸熱器和高低溫熔鹽罐內(nèi)的工作流體，其使用溫度范圍為290～565 ℃，主要熱物性見文獻(xiàn)［9］。

對(duì)于再壓縮動(dòng)力循環(huán)，額定凈輸出功率為1 MW，典型日下的基本運(yùn)行工況如表3所示。在不同典型日下，循環(huán)的最低溫度依次設(shè)為30 ℃（春分）、40 ℃（夏至）、30 ℃（秋分）、20 ℃（冬至）。針對(duì)該循環(huán)工況，鹵代烴或烯烴等有機(jī)工質(zhì)將發(fā)生熱分解。為此，選取3種常用烷烴工質(zhì)（R290、R600a、R601a）與CO2進(jìn)行混合，從而得到相應(yīng)CO2混合工質(zhì)在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)及季節(jié)典型日下的發(fā)電性能。此外，本文假設(shè)CO2對(duì)3種有機(jī)工質(zhì)的可燃性具有相似的抑制作用，即當(dāng)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于0.3時(shí)，CO2混合工質(zhì)不具有可燃性［14］。

4 結(jié)果與討論

4.1 基本工況下系統(tǒng)性能

由于不同混合工質(zhì)的系統(tǒng)性能變化趨勢(shì)相似，本節(jié)僅給出四季典型日下CO2/R600a的系統(tǒng)全天熱效率、效率和發(fā)電量隨CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，如圖3所示。在給定工況下，隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，循環(huán)低壓值逐漸增加，使得循環(huán)比功減小，而工質(zhì)流量增加。此外，隨著CO2分?jǐn)?shù)的增加，循環(huán)單位放熱量先減少再增多。因此，在整個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍內(nèi)，循環(huán)放熱量先增加后減少再增加，從而使得系統(tǒng)熱效率發(fā)生與之相反的變化，如圖3a所示。由熱效率的變化可得，效率和發(fā)電量先減少后增加再減少。此外，由圖3可知，系統(tǒng)熱效率最大，則效率和發(fā)電量最大。值得注意是，雖然純烷烴的性能優(yōu)于CO2混合工質(zhì)，但因其具有可燃性，不宜用于大規(guī)模熱力發(fā)電系統(tǒng)。因此，本文主要討論CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.3～1.0的系統(tǒng)性能。在CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3～1.0的變化范圍內(nèi)，CO2/R600a的熱效率、效率和發(fā)電量均先升高后降低。由四季典型日下設(shè)定的循環(huán)最低溫度（t5）可知，CO2混合工質(zhì)將在春分、秋分及冬至?xí)r以跨臨界狀態(tài)運(yùn)行，而在夏至?xí)r，隨CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，CO2混合工質(zhì)則可能由跨臨界狀態(tài)進(jìn)入超臨界狀態(tài)下運(yùn)行，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能發(fā)生明顯突變。

圖3表明，對(duì)于典型日，系統(tǒng)的性能存在較大差異，尤其是冬夏兩季。冬至全天熱效率和效率最高，但其發(fā)電量（10.2～11.3 MWh）遠(yuǎn)低于其他典型日下的電量；夏至系統(tǒng)全天熱效率和效率與春秋分相近，略低于冬至，但發(fā)電量（20.0～22.3 MWh）遠(yuǎn)高于其他典型日下的電量。

上述典型日的系統(tǒng)性能差異可由式（21）及圖4解釋。圖4a為典型日的系統(tǒng)一天中每時(shí)的CO2/R600a（0.8/0.2）系統(tǒng)熱效率，圖4b為典型日的系統(tǒng)全天熱效率和發(fā)電量。由圖4a可知，系統(tǒng)熱效率先從上午最低值逐漸達(dá)到正午峰值，之后逐漸降低，大致呈對(duì)稱形狀。在不同典型日的相同時(shí)刻下，夏至的瞬時(shí)熱效率總體最高，而冬至的瞬時(shí)熱效率總體最低。而全天效率受到瞬時(shí)效率以及瞬時(shí)得熱量與全天得熱量的比值兩部分的影響。對(duì)應(yīng)時(shí)刻下，夏至瞬時(shí)效率和瞬時(shí)得熱量均高于冬至，因夏至系統(tǒng)接收太陽輻射的時(shí)間較長(zhǎng)，夏至全天得熱量幾乎是冬至的2倍。但對(duì)應(yīng)時(shí)刻下，也正是夏至極高的全天得熱量使得夏至瞬時(shí)得熱量與全天得熱量的比值只能達(dá)到冬至的約一半，故雖然夏至的瞬時(shí)效率稍高，但二者的乘積仍主要受瞬時(shí)得熱量與全天得熱量之比的影響，從而低于冬至。因此，夏至的全天熱效率低于冬至。由圖4b可知，因夏至太陽輻照度最高，可利用的太陽能最多，可使系統(tǒng)運(yùn)行21.7 h，而冬至的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)只有11.2 h，在典型日下，夏至發(fā)電量最高。

圖3表明，不同典型日下系統(tǒng)性能隨CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)大致相同，故本文以春分為例，將3種混合工質(zhì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。對(duì)于CO2/R601a，當(dāng)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.4時(shí)，REFPROP可計(jì)算的最高溫度低于設(shè)定的透平入口溫度，將無法得到對(duì)應(yīng)混合工質(zhì)的物性，故本文只討論該混合工質(zhì)在CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4～1.0范圍內(nèi)的系統(tǒng)性能。由圖5可知，在春分時(shí)，CO2/R290、CO2/R600a和CO2/R601a最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.7/0.3、0.8/0.2、0.8/0.2，熱效率總體上從商到低的順序?yàn)镃O2/R290、CO2/R600a、CO2/R601a，且當(dāng)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，三者的熱效率差異較小。在混合工質(zhì)中，CO2/R290（0.7/0.3）具有最高熱效率18.99%。3種混合工質(zhì)的發(fā)電量從高到低的順序?yàn)镃O2/R290、CO2/R600a、CO2/R601a，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，三者的發(fā)電量差異較小。其中，CO2/R290（0.7/0.3）具有最高發(fā)電量17.1 MWh。

4.2 系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析

以CO2/R600a（0.7/0.3）為工質(zhì)，在不同透平進(jìn)口溫度下，圖6給出了系統(tǒng)全天熱效率和發(fā)電量的變化。由圖6可知，系統(tǒng)性能隨透平進(jìn)口溫度單調(diào)變化，且典型日下的變化趨勢(shì)均相同。系統(tǒng)熱效率及發(fā)電量隨透平進(jìn)口溫度的升高而增大。平均而言，溫度每升高10 ℃，熱效率和發(fā)電量各增加0.21%、0.19 MWh。這是因?yàn)橥钙竭M(jìn)口溫度的升高將直接導(dǎo)致動(dòng)力循環(huán)效率的增加，從而使得系統(tǒng)熱效率上升。在給定鏡場(chǎng)下，熱效率增大發(fā)電量也增加。

為探究循環(huán)最低溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在典型日對(duì)應(yīng)的基本工況下，將循環(huán)最低溫度的范圍設(shè)在[t5，basic±10 ℃]。系統(tǒng)性能隨循環(huán)最低溫度的變化如圖7所示，可知系統(tǒng)熱效率及發(fā)電量隨循環(huán)溫度的升高而減小，其原因是循環(huán)最低溫度升高將使動(dòng)力循環(huán)效率減小，從而使得系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量減小。平均而言，循環(huán)最低溫度每降低5 ℃，熱效率和發(fā)電量各增加0.42%、0.37 MWh。然而，循環(huán)最低溫度必須高于環(huán)境溫度，以便于系統(tǒng)工質(zhì)的冷卻。

為更全面研究高溫熔鹽溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，將高溫熔鹽的溫度上限設(shè)為665 ℃。在熔鹽溫度465～665 ℃的范圍內(nèi)，圖8給出了系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量的變化趨勢(shì)。由圖8可知，系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量隨熔鹽溫度的升高而增加，這是因?yàn)槿埯}溫度越高，在換熱器窄點(diǎn)溫差條件下，透平進(jìn)口溫度則越高，進(jìn)而可提高系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量。圖8表明，高溫熔鹽升高10 ℃，系統(tǒng)熱效率升高0.16%，發(fā)電量升高0.14 MWh。由此可見，研發(fā)具有更高使用溫度的熔融鹽，將進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。

不同分流比下系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量也具有明顯差異，如圖9所示。隨著分流比的增大，系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量先增后減，故系統(tǒng)存在最佳分流比。雖然不同典型日對(duì)應(yīng)的最佳分流比稍有差異，但都在0.70～0.75范圍內(nèi)。對(duì)于混合工質(zhì)CO2/R600a（0.7/0.3），動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)將在跨臨界狀態(tài)下運(yùn)行。因此，壓縮相同質(zhì)量流量的工質(zhì)，泵功將明顯低于再壓縮機(jī)耗功。隨著分流比的增加，雖然泵功有所增加，但再壓縮機(jī)將減少更多的耗功，故動(dòng)力循環(huán)效率隨之增大，進(jìn)而可提高系統(tǒng)全天熱效率及發(fā)電量。除影響耗功外，分流比還影響循環(huán)放熱量。隨著分流比的增大，流經(jīng)冷凝器的工質(zhì)增多，循環(huán)放熱量增多，從而導(dǎo)致循環(huán)效率下降，進(jìn)而降低系統(tǒng)全天熱效率及發(fā)電量。在耗功及循環(huán)放熱量的綜合變化下，系統(tǒng)性能的變化如圖9所示。

5 結(jié) 論

針對(duì)塔式太陽能驅(qū)動(dòng)的再壓縮動(dòng)力循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)，本研究分析典型日下CO2/R290、CO2/R600a和CO2/R601a的熱力性能，并研究系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)發(fā)電性能的影響。具體結(jié)論如下：

1）隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合工質(zhì)系統(tǒng)熱效率、效率和發(fā)電量均先降低后增加再降低。在混合工質(zhì)不可燃的組份內(nèi)，CO2/R290（0.7/0.3）、CO2/R600a（0.8/0.2）和CO2/R601a（0.8/0.2）的系統(tǒng)熱效率、效率和發(fā)電量最大。

2）針對(duì)典型日，春秋性能相似，而冬夏性能差異較大。雖然夏至系統(tǒng)熱效率和效率略低于冬至，但其發(fā)電量最高。在相同典型日下，3種混合工質(zhì)的熱效率及發(fā)電量從高到低為CO2/R290、CO2/R600a、CO2/R601a。

3）在典型日下，透平進(jìn)口溫度每升高10 ℃，則熱效率和發(fā)電量各增加0.21%、0.19 MWh；高溫熔鹽每升高10 ℃，則系統(tǒng)熱效率升高0.16%，發(fā)電量升高0.14 MWh；循環(huán)最低溫度每降低5 ℃，熱效率和發(fā)電量各增加0.42%、0.37 MWh。此外，隨著分流比的增大，系統(tǒng)熱效率和發(fā)電量先增后減，最佳分流比在0.70～0.75范圍內(nèi)。

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PERFORMANCE ANALYSIS OF SOLAR POWER TOWER SYSTEM WITH CO2-BASAED MIXTURES AT TYPICAL DAYS OF FOUR SEASONS

Liang Yaran1，Lin Xinxing2，Su Wen1，Ou Shaoduan1，Xing Lingli3

（1. School of Energy Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；

2. China Three Gorges Corporation Science and Technology Research Institute， Beijing 100038， China；

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract：In order to efficiently convert the concentrated heat of solar power tower system， three mixtures （CO2/R290， CO2/R600a and CO2/R601a） are applied to the recompression power cycle. An integrated model is established for the solar power tower system， and the corresponding thermal performances are analyzed and compared under the irradiation conditions of typical days in four seasons（March 20， June 21， September 23 and December 21）. The obtained results show that： in the mass fraction range of CO2-based mixture with nonflammability，" as the CO2 mass fraction increases， the system thermal efficiency， exergy efficiency and generated power of the mixtures increase first and then decrease. The optimal mass fractions are 0.7/0.3， 0.8/0.2 and 0.8/0.2， respectively. Among these three mixtures， CO2/R290 （0.7/0.3） has the best performances with the thermal efficiency 18.99% and generated power 17.1 MWh at Vernal Equinox. Under different typical days， the thermal efficiency and exergy efficiency of Summer Solstice are slightly lower than those of Winter Solstice， but the generated power is the highest. Furthermore， based on the three CO2-based mixtures， effects of turbine inlet temperature， minimum cycle temperature， hot molten salt temperature and split ratio on system performances are also investigated. It’s found that there exists an optimal split ratio to achieve the highest thermal efficiency and generated power. For the recompression power system， the optimal split ratio is in the range of 0.70-0.75.

Keywords：solar power tower system；CO2 -based mixture；recompression power cycle；thermal performance

收稿日期：2022-05-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52106037）；福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（KLIF-202106）；中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)項(xiàng)目

（202003024）

通信作者：蘇 文（1991—），男，博士、副教授，主要從事熱力系統(tǒng)構(gòu)建及仿真、工質(zhì)物性預(yù)測(cè)方面的研究。suwenzn@csu.edu.cn