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基于超临界CO2布雷顿循环的塔式电站热性能分析

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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. 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