利用LNG冷能與低溫太陽能的新型聯(lián)合動力循環(huán)研究.pdf

1、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及開發(fā)新能源是解決目前所面臨的能源短缺及環(huán)境污染問題的重要手段。我國未來20年將大量進口液化天然氣(LNG，liquefied natural gas)，LNG使用前需氣化成天然氣，過程釋放大量的冷能。新能源中太陽能是最為原始和直接的清潔能源。利用 LNG冷能及中低溫太陽能都可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及節(jié)約能源，具有非常重要的意義，既符合我國向節(jié)能型社會發(fā)展的國策，又具有極其深遠(yuǎn)的社會和戰(zhàn)略意義。
　　針對常規(guī)以水或空氣作為冷源

2、的低溫太陽能有機朗肯循環(huán)(ORC，organic Rankine cycle)熱效率低和用海水氣化LNG造成大量冷能浪費及海洋生態(tài)破壞問題，本文創(chuàng)新地提出將低溫太陽能與LNG冷能聯(lián)合起來應(yīng)用，建立了聯(lián)合動力循環(huán)模型。緊接著對該循環(huán)進行了工質(zhì)選取、循環(huán)比較、循環(huán)優(yōu)化和火用及經(jīng)濟性分析。通過上述工作，得到了如下結(jié)論。
　　1)綜合考慮循環(huán)系統(tǒng)熱效率、火用效率、太陽能集熱器面積、透平體積流率以及工質(zhì)質(zhì)量流率五個指標(biāo)，對循環(huán)進行最優(yōu)工質(zhì)選

3、取。結(jié)果表明，使用R143a、丙烷和丙烯這三種工質(zhì)時的聯(lián)合循環(huán)性能較其它13種工質(zhì)好，為新型聯(lián)合循環(huán)最適用工質(zhì)。增加回?zé)崞骱?，不論何種工質(zhì)，循環(huán)系統(tǒng)性能都增加。工質(zhì)不同增加回?zé)崞骱蟮男Ч膊煌褂肦116的循環(huán)性能提升最大，乙烯、R218及乙烷次之，然而R143a、丙烷及丙烯依然為循環(huán)的最適用工質(zhì)。
　　2)在同等凈功輸出下，對新型聯(lián)合循環(huán)和傳統(tǒng)的以水為冷源的太陽能 ORC及 LNG直接膨脹循環(huán)進行了比較。結(jié)果表明，新型聯(lián)合動力

4、循環(huán)與傳統(tǒng)太陽能ORC及LNG直接膨脹循環(huán)相比性能更優(yōu)，主要表現(xiàn)在新循環(huán)具有更大的循環(huán)系統(tǒng)熱效率及火用效率，更小的工質(zhì)質(zhì)量流量及換熱面積。
　　3)基于遺傳算法對該新型聯(lián)合動力循環(huán)進行優(yōu)化，優(yōu)化過程選取的目標(biāo)函數(shù)為循環(huán)系統(tǒng)熱效率及火用效率，優(yōu)化參數(shù)有循環(huán)蒸發(fā)壓力(Pe)、冷凝溫度(Tc)、LNG氣化壓力(Pn3)以及LNG供氣壓力(Pn5)。結(jié)果顯示，存在最佳循環(huán)蒸發(fā)壓力、LNG氣化壓力、LNG供氣壓力及冷凝溫度，且工況發(fā)生變化時

5、，最佳值也發(fā)生變化，分析結(jié)果表明這些變化總是在一定的范圍內(nèi)。最優(yōu)蒸發(fā)壓力的范圍為1.4MPa~2.8MPa；最優(yōu)LNG氣化壓力的范圍為3MPa~4.2MPa；最優(yōu)冷凝溫度的范圍為193K~208K；最優(yōu)LNG供氣壓力在0.3MPa附近。循環(huán)火用效率最大(A點)與系統(tǒng)熱效率(B點)最大的點不同，A點及B點為循環(huán)單目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)工況點，兩者對應(yīng)的工況都不能作為循環(huán)的最優(yōu)工況點。經(jīng)分析得到了多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)工況點(O點)，其所對應(yīng)的工況為：P

6、e=2.201MPa，Pn3=3.398MPa，Tc=-64.9℃，Pn5=0.305MPa。
　　4)循環(huán)所使用的熱源為太陽能，太陽能集熱器的選型及傾斜角度對循環(huán)性能都有很大的影響，因此本文對此也進行了分析。結(jié)果指出太陽能集熱器模型不同，循環(huán)性能也不同，應(yīng)選取瞬時效率截距較大的太陽能集熱器。常規(guī)非聚光太陽能集熱器的最佳傾角隨著時間點、日子數(shù)及地點都是變化的，使用這種集熱器時必需配置太陽能跟蹤系統(tǒng)。CPC(compound par

7、abolic collector)聚焦裝置不需要對太陽軌跡即時跟蹤，只需要季節(jié)性調(diào)整CPC傾角，本文通過模擬得到了不同地點各月、季、半年及年最佳傾角及年輻射增量。結(jié)果表明，輻射增加幅度最大的為按月調(diào)整集熱器傾角，而按季度調(diào)整、半年調(diào)整及固定傾角調(diào)整三種方式增加的幅度相差不大。
　　5)為尋找循環(huán)的最薄弱環(huán)節(jié)，對循環(huán)進行了詳細(xì)的火用分析。結(jié)果表明，循環(huán)換熱部件的火用損最大，占循環(huán)總火用損的75％，透平占循環(huán)總火用損的25%，而泵的火

8、用損可以忽略不計。集熱器為循環(huán)中最薄弱的部件，冷凝器與換熱器HX次之。冷凝器及換熱器HX中火用損的產(chǎn)生主要是由于冷熱流體能量品位的差異太大。冷凝器可通過減少LNG與工質(zhì)的換熱溫差來減少火用損，換熱器HX則應(yīng)通過利用剩余冷能減少火用損。
　　6)當(dāng)循環(huán)透平1的凈輸出功為100kW時，循環(huán)的單位發(fā)電量成本為0.0504$/kWh，運行該循環(huán)可得0.0784$/kWh的利潤，循環(huán)的投資回收期為5.38年。此外，本文引入火用經(jīng)濟性分析法對