第４４卷第６期 ２０１７年１１月 华北电力大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．，２０１７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１００７—２６９１．２０１７．０６．１５ 基于超临界ＣＯ２布雷顿循环的塔式电站热性能分析 方立军 ，杨 雪 ，任忠强 （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） 摘要：超临界ＣＯ：（Ｓ－ＣＯ：）作为传热流体具有无毒、廉价、无上限温度等优点，近年来受到国内外学 者青睐。使用Ｓ－ＣＯ 作为传热和工作流体直接用于Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环发电，既能消除昂贵的中间换热器，减 少使用熔盐带来繁重的防冻保护，降低电站初投资，又能提高电站效率。使用ＭＡＴＬＡＢ编程软件建立 塔式太阳能热发电系统的能量和大用分析模型。分析不同直接太阳辐射能（ＤＮＩ）、吸热器出口温度、循环压 比及部件效率等对电站性能的影响。并将其分析结果与常规再热蒸汽朗肯循环和熔盐为传热流体的Ｓ－ＣＯ 布 雷顿循环塔式电站进行对比。结果表明：电站效率主要受当地的ＤＮＩ影响较大；为了获得更高效率，需要增 加吸热器出口流体温度；在动力循环设备中，相比于压缩机，膨胀机效率对动力循环以及电站效率影响较 大；使用Ｓ－ＣＯ 作为传热和工作流体的塔式电站具有更高的电站效率，较常规再热蒸汽朗肯循环及熔盐为传 热流体的布雷顿循环电站热效率分别高３．４２％和１．０４％。 关键词：超临界ＣＯ ；布雷顿循环；塔式太阳能热电站；热效率；火甩效率 中图分类号：Ｘ７０３；ＴＫ１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—２６９１（２０１７）０６—０１００—０７ Ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｏ２ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｃｙｃｌｅ ＦＡＮＧ Ｌｉｊｕｎ。，ＹＡＮＧ Ｘｕｅ ，ＲＥＮ Ｚｈｏｎｇｑｉａｎｇ‘ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７ １００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｌｆｕｉｄ（ＨＴＦ），ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｅａｌ ＣＯ２（Ｓ－ＣＯ２）ｉｓ ｎｏｎｔｏｘｉｃ ｗｉｔｈ ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｔ ｂｅｃｏｍｅｓ ｐｏｐｕｌａｒ ａｍｏｎｇ ｓｃｈｏｌａｒｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔａｋｉｎｇ Ｓ－ＣＯ２ ａｓ ｔｈｅ ＨＴＦ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ａｎｄ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｉｔ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔｌｙ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅ— ｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｆｒｏｓｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｄｅ－ ｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｓ ｗｅｌ１．ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅｘｅｒ－ ｇＹ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｏｗｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ＤＮＩ，ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅ－ ｃｅｉｖｅｒ，ｃｙｃｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｌａｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅ ｒｅｈｅａｔ ｓｔｅａｍ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ Ｓ－ＣＯ２ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｗｉｔｈ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ａｓ ＨＴＦ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ＤＮＩ；ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃａｎ ｇｅｔ ｈｉｇｈｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｅｘｐａｎｄｅｒ ｃａｎ ｅｘｅｒｔ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈａｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｌａｎｔ；ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｒｅｈｅａｔ ｓｔｅａｍ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｗｉｔｈ ｍｏｌｔｅｎ ｓａｌｔ ａｓ ＨＴＦ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｗｉｔｈ Ｓ－ＣＯ２ ａｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３．４２％ａｎｄ １．０４％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｉ ＣＯ２；Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ；ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｔｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ；ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｅｘｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 收稿日期：２０１７—０４—１７ 第６期 方立军，等：基于超Ｉ临界ＣＯ：布雷顿循环的塔式电站热性能分析 １０１ 得设备简单，投资减少，能够快速地响应环境变 ０ 引 言 化，适应频繁的启停 。 美国能源部、桑迪国家实验室正进行Ｓ－ＣＯ 塔式太阳能技术相比于其他太阳能热利用技 传热特性的建模、Ｓ－ＣＯ 储热及管道系统成本估价 术具有更高温度，为了充分利用更高温度，需要新 等 。Ｒｏｌｄ６ｎ Ｍ Ｉ通过ＣＦＤ软件对Ｓ－ＣＯ，作为塔 型动力循环产生更高效率，ｓ—ＣＯ 循环由于其较高 式电站的ＨＴＦ进行数值模拟分析，结果表明采用 效率是未来太阳能发电的一种替代方案。 Ｓ－ＣＯ：在相同进口温度下，其吸热量比水高７５％ 在传统的塔式太阳能接收器系统中，聚 左右，具有更高吸热器效率 。 集的太阳能传递通过吸热器外表面传递给传热流 目前国内外主要集中在对ｓ—ＣＯ 布雷顿循环 体（ＨＴＦ），通过热交换器将热量再传递给朗肯循 的参数优化 。 及Ｓ－ＣＯ 吸热器研究 中，及传 环中蒸汽来做功…。目前用于商业化的塔式太阳 统ＨＴＦ的电站研究¨ ，还未见基于Ｓ－ＣＯ２为ＨＴＦ 能热发电的传热流体主要是熔盐、蒸汽及导热油， 的电站研究。本文对以Ｓ－ＣＯ 为传热和工作流体 但是这些ＨＴＦ的某些性能了电站效率的提高 的塔式太阳能热电站进行系统分析，分析Ｓ－ＣＯ： 如美国的１１０ＭＷ的新月沙丘电站、３９２ＭＷ的 吸热器、Ｓ－ＣＯ，再压缩布雷顿循环子系统及整个电 Ｉｖａｎｐａｈ电站，熔盐上限温度为６００ ｏＣ；直接 站的性能。 蒸汽系统复杂且储存容量有限；导热油上限温度 为４００ ｏＣ等 。新兴的吸热器与先进的Ｓ．ＣＯ 闭 １ 系统描述 式布雷顿循环结合能够获得更高的电站效率 。 自上世纪６０年代起，国内外学者已对ｓ－ＣＯ： 图１为以ｓ—ＣＯ 为传热和工作流体的塔式太 布雷顿循环应用于核能、地热、太阳能、余热、火电 阳能热电站原理图。定日镜同步追踪太阳光线， 等领域进行研究［４ ３。２０１０年，美国Ｓａｎｄｉａ国家实 将太阳光准确地发射到接收器表面，加热吸 验室首次开始对Ｓ，ＣＯ 布雷顿循环进行测试研 热管中的Ｓ－ＣＯ 流体，在阳光充足时一部分进入 究，并对发电量为２４０ ｋＷ实验研究，研究ＣＯ：临 Ｓ－ＣＯ：动力循环进行发电，另一部分则通过储热系 界点附近存在的压缩、轴承、密封等问题 。同年 统储存起来。本文不考虑电站的蓄热系统。 提出Ｓｕｎ Ｓｈｏｔ计划，预采用ｓ—ＣＯ，布雷顿循环使 Ｓ．ＣＯ 动力循环包含有压缩机、透平、高低温 ２０２０年太阳能光热发电成本降到６美分／ｋＷ・ 回热器以及冷凝器。其中一部分ＣＯ：气体通过主 ｈ 。 。Ｃ Ｋａｌｒａ指出相比于朗肯循环，应用于塔式 压缩机压缩到高压，在低温回热器中加热到再压 电站的使用ｓ－ＣＯ：作为传热和工作流体的闭式布 缩机出口温度，并与再压缩机出口流体汇合，确保 雷顿循环具有较少质量流量及较高流体密度，使 保证ＣＯ：经过低温回热器的出口压力与再压缩出 ｓ！ｈ — Ｍ ： 冷辎 ∞ 仁 广］厂＿＿１一 Ｈ ，， ｉ西 平发动机Ｉ ｝压缩机 主压缩机 储热系统 一 。 一一 ． 图１ 塔式太阳能热发电示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ａ ｓｏｌａｒ ｔｏｗｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｌ０２ 华北电力大学学报 口压力相同，否则压缩机可能处于急剧飙升的危 险。汇合后的ＣＯ 流体经过高温回热器加热，再 通过ｓ－ＣＯ：吸热器加热到最高温度，进入Ｓ－ＣＯ 透平做功。做功后的高温ＣＯ，流体进入高、低温 回热器放热，在经过低温回热器后进行分流，一部 分经过冷凝器进行冷却，一部分在再压缩机中进 行压缩。形成一个完整的循环系统。 ２ 系统能量和火用分析模型 ２．１ 定日镜子系统 定日镜场由数十个或数百个定日镜将太阳能 聚集到接收器中。总的接收太阳能可由其工 作定日镜总面积获得，Ｑ＝Ａ ×ｑ。 式中：ｑ为每平方米定日镜反射到接收器的能量， 视为ＤＮＩ；Ａ 为工作定日镜总面积，ｍ 。 接收的太阳能一部分被反射到至吸热器表 面，另一部分散失到环境中。则定日镜子系统的 能量方程： Ｑ； ＝Ｑ ＋Ｑｌ。 式中：Ｑｉ 为定日镜子系统接收到的总辐射能；Ｑ 为投射到吸热器表面的太阳辐射能；Ｑ 为由于各 种因素散失到环境中的热量。 定日镜子系统炯方程： ｉ ＝ ＋ ｌ。 式中： 为投射到定日镜的总太阳辐射炯； 为投射到吸热器表面的太阳辐射炯， 为由于 各种因素散失到环境中的太阳辐射炯。 定日镜子系统热效率和炯效率： 叼Ｉ．ｈ＝Ｑ ／Ｑｉ ＝，７ｈ 印ｌＩ．ｈ＝ ／ ｉ ２．２ 接收器子系统 接收器安装在太阳塔的顶部，已发展成 各种形状。本文选用圆柱形接收器，传热流体和 工作流体都为ｓ—ＣＯ 。在运行中，接收器吸收太阳 辐射能并将部分热量传递给通过它的传热流体， 另外一部分热量通过对流传热、导热、辐射、散热 等方式散失到环境中。则吸热器的能量和炯平 衡：Ｑ ＝Ｑ ＿ｃ０，＋Ｑ 。 ｓ—ＣＯ２＋Ｉｆ，ｌ 式中：Ｑ 为投射到吸热器表面的太阳辐射能， Ｑ。瑚，为Ｓ・ＣＯ 经过吸热器吸收的能量，Ｑ 。为吸热 器以对流、辐射、导热等方式损失到坏境的热量。 由于良好保温的吸热器导热损失＜１％，因 此，本文热损失只考虑对流和辐射热损失… ： Ｑ。。 ＝Ａｔｅｏ＇Ｆ 。 ＋Ａ … （ 一 ｂ） 则接收器热效率¨ 为 Ｑｊ 一Ｑｌ。 Ｉ．【ｈ Ｑ ６ｔｒＦ ＋ …ｈ 。 （ＴＲ—Ｔａｉｒ） —～ 一———＿ Ｉ．ｈ ＤＮ Ｉ乙 为了确定吸热器热损失，Ｓ—ＣＯ：接收器表面温 度 近似为 ＴＲ＝Ｔｉ 【ｕ ｂｉ ＋ＡＴＲ ．式中：△ 为太阳能接收器温差，假设为 １５０℃ｍ ；ｔｕｒｂｉｎｅ为透平人Ｉ＝１温度，℃。主要参数 见表１所示。 吸热器炯效率： ｓ—ＣＯ２ ，ｔ ＿ ２．３动力循环子系统 本动力循环采用先进的ｓ・ＣＯ 再压缩布雷顿 循环。其能量平衡和炯平衡为：Ｓ—ＣＯ 动力循环 净输出功 Ｗ ＝Ｗ 一Ｗ 。一Ｗ ： 式中：Ｗ 为涡轮输出功，ｋＷ；Ｗ 为主压缩机消耗 功，ｋＷ；Ｗ 为再压缩机消耗功，ｋＷ。 净输出电量为 Ｗ＝Ｗ ×叼 其中：叩 为发电机效率。 Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环热效率为 ，７ 删ｚ 炯效率为 。。 ￣ＩＩ，Ｓ－ＣＯ２ ￣—，—ｓ－ｃｏ￣ ２．４整个塔式电站效率 整个电站的热效率和炯效率： ７＂／ｉ，ｔ ＂ｑＩ，ｈＴ］Ｉ，ｔｈ＂Ｙ］Ｉ，Ｓ－ＣＯ２ “ 。ｚ ３ 建模方法 ３．１ 模型假设 （１）部件压降如下：高低温回热器高、低压侧压 第６期 方立军，等：基于超临界Ｃ０ 布雷顿循环的塔式电站热性能分析 １０３ 降为０．５％，Ｓ－ＣＯ 吸热器、冷凝器压降为１．０％。 （２）动力循环子系统无中间冷却 （３）系统处于稳定状态 （４）系统输入能量只有从吸热器吸收能量，其 他设备与环境热损忽略不计 ３．２系统建模分析 由于目前没有统一程序软件对电站系统进行 分析，本文通过ＭＡＴＬＡＢ编写程序对电站性能进 行分析。其中Ｓ－ＣＯ：布雷顿循环通过美国Ｓａｎｄｉａ 实验室数据进行验证 ，动力循环主要参数及数 学模型分别见表２和表３；验证编程正确性见表４； 电站基本参数见表１。ＣＯ 物性通过ＭＡＴＬＡＢ调 ＲＥＦＰＲＯＰ函数获得 。 袭１ 塔式电站基本参数 Ｔａｂ．１ Ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｏｗｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ 表２ Ｓ－ＣＯ２动力循环主要参数 ’。 Ｔａｂ．２ Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｓ－ＣＯ２ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ 表３ Ｓ－ＣＯ２动力循环主要模型分析 Ｔａｂ．３ Ｍａｉｎ ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓ－ＣＯ２ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ 参数 数学模型 主压缩机功耗／ｋＪ・ｋｇ Ｗ （１一ｓｒ）×（ｈ２一ｈ１） 再压压缩机功耗／ｋＪ・ｋｇ Ｗｆｃ ｓｒ×（ｈ３一ｈ８） 透平输出功率／ｋＪ・ｋｇ ＂ｔ＝ｈ５一ｈ６ 高温回热器 ｈ６一ｈ７＝ｈ４一ｈ３ 低温回热器 ＾７一ｈｓ＝（１一ｓｒ）×（ｈ３一ｈ２） 表４计算结果与文献［１９】对比 Ｔａｂ．４ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ［１９］ 从表４可以看出ＭＡＴＬＡＢ编程计算出来的结 果与文献［１９］实验结果误差都在±３％内，其原因 一方面可能是本程序与文献的压差不一样，另一 方面是本程序忽略了一些热损失。但是其结果在 可接受范围内。证明本程序编程合理、可靠。 ４结果分析 ４．１ 直接太阳辐射能对系统性能的影响 ＣＳＰ电站的性能很大程度上取决于入射的太 阳辐射能，其随地理位置、一天不同的时刻等而不 同。为了调查入射直接辐射能对ＣＳＰ电站热效率 和炯效率的影响，在相同的定日镜场面积等参数 下，研究了１００—１ ０００ Ｗ／ｍ 不同的ＤＮＩ对电站 和吸热器的热效率和炯效率影响。可以看出吸热 器和整个电站的热效率和炯效率是ＤＮＩ的函数， 随着ＤＮＩ的增加热效率和炯效率都增加，另外整 个系统效率的增长趋势与吸热器效率增长趋势相 同。表明，ＤＮＩ对整个系统效率的影响主要表现 为对吸热器效率的影响。 同时也可以看到不同的ＤＮＩ对效率的影响也 不一样。例如，当ＤＮＩ从１００ ｗ／ｍ 增加到４００ Ｗ／ｍ 时，吸热器的热效率从４５％增加都８５％，然 而，当ＤＮＩ从４００ Ｗ／ｍ 增加到１ ０００ Ｗ／ｍ 时，吸 热器热效率只是从８５％增加到９０％。 图３为不同ＤＮＩ下系统输出的电能与循环所 需ＣＯ，工质流量情况。可以看出，生产的电能和 循环所需ＣＯ，流量直接取决于ＤＮＩ的情况，净电 能与ＣＯ，流量随着ＤＮＩ从２００ Ｗ／ｍ 增加到 １ ０００ Ｗ／ｍ 呈线性增加。在动力循环各点温度、 压力一定时，单位工质输出工一定，则增加工质流 量能够提高循环输出功。 华北电力大学学报 图２ ＤＮＩ对吸热器和电站性能的影响 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ＤＮＩ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ 图４ 聚光比对吸热器和电站性能的影响 Ｆｉｇ．４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ 热器热效率从８８．８％降低到７７．２％，但是炯效率 却从４７．５％增加到６４．３％。吸热器热效率的减少 ≥ 翥 丑 主要是由于吸热器表面更高的温度引起较高的能 量损失。 舞 建 图３ 直接太阳能辐射ＤＮＩ能对电站净输出电力和循环 ＣＯ：质量流量的影响 Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ＤＮＩ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｔ ｏｕｔｐｕｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｏｆ ＣＯ２ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｌａｎｔ ４．２ 聚光比对系统性能的影响 在设计高效的接收器时，聚光比是一个很重 要的参数。为了评估聚光比对热效率和炯效率的 影响，本文对聚光比３００—１５００进行分析。图４为 吸热器和整个系统的热效率和炯效率随聚光比的 ∞懿 如船 图５ 透平入口温度对吸热器热效率和火用效率的影响 Ｆｉｇ．５ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｎｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒ・ ｇＹ ａｎｄ ｅｘｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ 一 ）／静裁一景一蹄案督 ４．３循环压比对系统性能的影响 变化。可以看出热效率和炯效率都随聚光比的增 加而增大。与ＤＮＩ的影响相似。同时也可以看到 不同的聚光比对效率的影响也不同。当聚光比从 ３００增加到６００时，整个系统热效率从２１．２％增加 到２７．８％，然而，当聚光比从６００增加到１ ５００时， 整个系统热效率只是从２７．８％增加到３０．７％。 由于本文采用直接接收器，即在吸热器中吸 当定日镜场和吸热器参数不变时，可以看出 整个电站的效率取决于动力循环的效率。则整个 电站的效率变化趋势与动力循环效率变化趋势一 样。本文对循环压比为２—５时对动力循环和整 个电站热效率和炯效率分析。如图６：不同循环压 比下，动力循环和整个电站的热效率和炯效率不 同，当循环压比从２增加到３时，即压缩机出口压 力为１５．４ ＭＰａ增加到２３．１ ＭＰａ时，动力循环热 收太阳能后的工作流体进入ｓ．ＣＯ，透平膨胀机膨 胀做功，即流体进入透平的入口温度即为熔盐吸 热器的出口温度。图５为不同的透平入口温度下 效率从４１．６％增加到４６．３％，当压比从３增加到 ５时，即压缩机出口压力为２３．１ ＭＰａ增加到３８．５ ＭＰａ时，动力循环热效率从４６．３％增加到 ４７．１％ 即不同熔盐出口温度下吸热器热效率和炯效率曲 线。由图７可以看出随着透平人口温度的增加吸 第６期 方立军，等：基于超Ｉ临界Ｃ０：布雷顿循环的塔式电站热性能分析 １０５ 图６循环压比对动力循环和电站性能的影响 Ｆｉｇ．６ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ４．４部件效率影响 本文假设再压缩等熵效率与主压缩等熵效率 ）／件凝 加 ：２ ｍ Ｏ 相等。由图７可以看出透平效率对电站效率的影 响大于压缩机效率对电站效率的影响。其主要原 因是由于压缩机中存在分流，而透平膨胀机不存 在分流，它所做的功直接影响循环的净输出功。 ０ ８４ ０．８６ ０．８８ ０９０ ０．９２ ０．９４ ０．９６ 部件效率 图７ 不同部件效率对电站性能的影响 Ｆｉｇ．７ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｅｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ４．５传热流体对电站性能影响对比 图８为相同透平人口温度下不同传热流体时 电站性能对比，其中以熔盐为传热流体的具有回 热和一级再热回热的传统蒸汽朗肯循环以及以ｓ． ＣＯ：布雷顿循环为动力循环的电站性能参考文献 ［１４］。可以看出，以Ｓ－ＣＯ 为传热和工作流体的 电站效率与以熔盐为传热流体的电站效率高 １．０４％，而比回热和再热的朗肯循环电站效率分 别高４．６７％和３．４２％。并且电站炯效率也比以 熔盐为传热流体的布雷顿循环和回热及再热的朗 肯循环高。因此，在发展太阳能热利用的同时应 该一方面寻找高效率的动力循环，另一方面也应 开展对吸热器的研究。 图８ 不同传热流体和动力循环时电站效率分析 Ｆｉｇ．８ Ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＨＴＦ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ （ａ）以Ｓ－ＣＯ：为传热和工作流体的塔式电站 性能；（ｂ）以熔盐为传热流体，Ｓ－ＣＯ 为工作流体 的塔式电站性能；（Ｃ）以熔盐为传热流体，水蒸气 为工作流体且具有回热的塔式电站性能；（ｄ）以熔 盐为传热流体，水蒸气为工作流体且具有回热及 再热的塔式电站性能。 ５ 结 论 本文在基于Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环基础上采用ｓ． ＣＯ：作为传热和工作流体对塔式电站建立其能量 和炯分析模型，并且将结果与不同动力循环、不同 传热流体的电站性能进行对比，得出主要结果 如下： （１）塔式太阳能热电站受当地直接太阳辐射 能ＤＮＩ的影响较大，其对输出功的影响为线性。 （２）对于吸热器，其热效率和炯效率变化趋势 正好相反。其主要是因为要增加吸热器出口流体 温度需相应增加吸热器表面温度，会造成吸热器 的辐射和对流热损失增大。 （３）对于以Ｓ－ＣＯ 布雷顿循环作为动力块的 塔式电站系统，其循环压比存在一个最优值。 （４）相比于以熔盐为传热流体的电站，以ｓ． ＣＯ：为传热和工作流体的塔式电站具有更高效 率。 参考文献： ［１］许佩佩，刘建忠，周俊虎，等．塔式太阳能热发电 接收器的研究进展［Ｊ］．热能动力工程，２０１４，２９ （３）：２２３—２３０． １０６ 华北电力大学学报 ２０１７正 ［２］ＧＬＡＴＺＭＡＩＥＲ Ｇ Ｃ，ＴＵＲＣＨＩ Ｃ Ｓ．Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２ ａｓ ａ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｙｃｌｅ Ｆｌｕｉｄ ｆｏｒ ＣＳＰ Ｓｙｓ－ ｔｅｍｓ［ｃ］／／ＡＳＭＥ ２００９，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｐａｃｋ０９ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ．２００９：６７３—６７６． ３］ＲＯＬＤＡＮ Ｍ Ｉ，ＦＥＲＮＡＮＤＥＺＲＥｃＨＥ Ｊ． ＣＦＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｆｉｔｉｃａｌ ＣＯ２ ｕｓｅｄ ａｓ ＨＴＦ ｉｎ ａ ｓｏｌａｒ ｔｏｗｅｒ ｒｅｅｅｉｖ— ｅｒ［ｃ］／／Ｓｏｌａｒｐａｃｅｓ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ． ＡＩＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ＬＬＣ，２０１６：２２９３—２３０５． ［４］陈渝楠，张一帆，刘文娟，等．超临界二氧化碳火 力发电系统模拟研究［Ｊ］．热力发电，２０１７，４６ （２）：２２—２７． ［５］董力．超临界二氧化碳发电技术概述［Ｊ］．中国环 保产业，２０１７，（５）：４８—５２． ［６］ＢＩＮＯＴＴＩ Ｍ，ＡＳＴＯＬＦＩ Ｍ，ＣＡＭＰＡＮＡＲＩ Ｓ，ｅｔ ａ１． Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｓＣＯ２，ｃｙｃｌｅｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒ－ ａｔｉｏｎ ｉｎ ＣＳＰ ｓｏｌａｒ ｔｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ， ２０１７，２０４：１００７—１０１７． ［７］ＳＩＮＧＨ Ｄ，ＺＨＡＯ Ｗ，Ｙｕ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｆｏａｍ・－ＮａＣｌ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｕｐｅｒ・・ ｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２，ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅｓ ｆｏｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１５，１１８：２３２—２４２． ［８］ＣＯＣＯ ＥＮＲＩＱＵＥＺ Ｌ，ＭＵＮＯＺ ＡＮＴＯＮ Ｊ．Ｄｕａｌ Ｌｏｏｐ Ｌｉｎｅ—Ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔｓ，ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｂｒａｙｔｏｎ Ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙ・ ｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１６，４２（２８）：１７６６４—１７６８０． ［９］ＳＩＮＧＨ Ｒ，ＭＩＬＬＥＲ Ｓ Ａ，Ｒｏｗｔａｎｄｓ Ａ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｄｙ－ ｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｄｉｒｅｃｔ—ｈｅａｔｅｄ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ—ｄｉｏｘｉｄｅ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ａ ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１３，５０（１）：１９４—２０４． ［１Ｏ］ＡＨＮ Ｙ，ＬＥＥ Ｊ，ＫＩＭ Ｓ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２，ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｌｏｏｐ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１５，８６：１１５—１２７． ［１１］梁墩煌，张尧立，赵英汝，等．压力对超临界二氧 化碳布雷顿循环系统的影响［Ｊ］．哈尔滨工程大学 学报，２０１７，３８（４）：５７８—５８２． ［１２］黄潇立，王俊峰，臧金光．超临界二氧化碳布雷顿 循环热力学特性研究［Ｊ］．核动力工程，２０１６， （３）：３４—３８． ［１３］ＦＥＨＥＲ Ｅ Ｇ．Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｙｃｌｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９６７，８（２）：８５— ９Ｏ． ［１４］吴毅，王佳莹，王明坤，等．基于超临界ＣＯ：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，（５）：１０８—１１３． ［１ ５］ＧＡＲＧ Ｐ，ＫＵＭＡＲ Ｐ，ＳＲＩＮＩＶＡＳＡＮ Ｋ．Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ ｆｏｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｐｏｗ— ｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ，２０１３，７６ （４）：５４—６Ｏ． ［１６］ＰＡＤＩＬＬＡ Ｒ Ｖ，ＴＯＯ Ｙ Ｃ Ｓ，ＢＥＮＩＴＯ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｅｘｅｒ・ ｇｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ ２，Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅｓ ｉｎｔｅ— ｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｌａｒ ｃｅｎｔｒａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒ— ｇＹ，２０１５，１４８：３４８—３６５． ［１７］ＰＡＳＣＨ Ｊ Ｊ，ＣＯＮＢＯＹｏ Ｔ Ｍ，ＦＬＥＭＩＮＧ Ｄ Ｄ，ｅｔ ａ１． Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃ０２ ｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｂｒａｙｔｏｎ ｃｙｃｌｅ：ｃｏｍｐｌｅ－ ｔｅｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ．［Ｊ］．Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１２，１０８ （４３０）：１４３—１４４． ［１８］ＬＥＭＭＯＮ Ｅ Ｗ，ＨＵＢＥＲ Ｍ Ｌ，ＭＣＬＩＮＤＥＮ Ｍ Ｑ． ＮＩＳＴ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｌｕｉｄ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｐ— ｅｒｔｉｅｓ：ＲＥＦＰＲＯＰ，ＮＩＳＴ ｓｔａｎｄａｒｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄａｔａｂａｓｅ ２３［ＤＢ］．ｖｅｒｓｉｏｎ ９．０．Ｂｏｕｌｄｅｒ，ＵＳＡ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎ— ｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０． ［１９］ＨＯ Ｃ Ｋ，ＩＶＥＲＳＯＮ Ｂ Ｄ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ， ２０１４，２９（７）：８３５—８４６． 作者简介：方立军（１９７１一），男，副教授，主要从事大气 污染物控制和洁净煤技术方面的研究。
