利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的新型聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化研究

饒文姬， 趙良舉， 張墨耕， 莫依璃

(重慶大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030)

利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的新型聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化研究

饒文姬， 趙良舉， 張墨耕， 莫依璃

(重慶大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030)

對(duì)提出的利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的新型聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析和分析，選取R143a為循環(huán)工質(zhì)，研究了循環(huán)蒸發(fā)溫度、透平進(jìn)口溫度、冷凝溫度和LNG汽化壓力對(duì)循環(huán)系統(tǒng)效率、效率和單位做功的換熱面積的影響.結(jié)果表明:循環(huán)系統(tǒng)效率和效率隨蒸發(fā)溫度的升高均先升高后降低，隨透平進(jìn)口溫度和LNG汽化壓力的升高而升高；冷凝溫度越高，循環(huán)系統(tǒng)效率和效率越低；單位做功的換熱面積隨各變量的變化趨勢(shì)與循環(huán)系統(tǒng)效率和效率隨各變量的變化趨勢(shì)相反；當(dāng)蒸發(fā)溫度為298.15 K、透平進(jìn)口溫度為353.15 K、冷凝溫度為213.15 K和LNG汽化壓力為3 MPa時(shí)，循環(huán)性能最優(yōu)，在該工況下進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，換熱器損占總損的80%，而泵的損最小.

LNG； 太陽(yáng)能； 聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)；分析

符號(hào)說(shuō)明：

Aa，Ac，At——太陽(yáng)能集熱器、冷凝器及總換熱面積，m2

BO——沸騰數(shù)

D——水力直徑，m

h——比焓，kJ/kg

qm——單位面積的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)

qm,w，qm,l——工質(zhì)和LNG的質(zhì)量流量，kg/s

Qsf，Qc——集熱器與工質(zhì)和工質(zhì)與冷凝器的換熱量，kJ

s——比熵，kJ/(kg·K)

Kcf，Kcl——冷凝器中工質(zhì)側(cè)和LNG側(cè)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

x——干度

η0a——太陽(yáng)能集熱器在垂直入射時(shí)的光學(xué)效率

ξreg——回?zé)崞餍?/p>

a1a，a2a——熱損系數(shù)

d——管徑，m

G——太陽(yáng)能集熱器單位面積輻射換熱量，W/m2

f——達(dá)西摩擦因子

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Pr——普朗特?cái)?shù)

Re——雷諾數(shù)

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

Tf，T0，Ts——換熱平均溫度、環(huán)境溫度和熱源溫度，K

Wnet——凈輸出功，kW

ηsc——太陽(yáng)能集熱器效率

ρl，ρv——液體密度、蒸汽密度，kg/m3

下標(biāo)

1～4，n1～n5——循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)

a，c，w，l——集熱器、冷凝器、工質(zhì)、LNG

P1，P2，T1，T2，HX——泵1，泵2，透平1，透平2，換熱器HX

L——換熱器HX的熱源

為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，許多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向潔凈新能源,如太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能等，在開(kāi)發(fā)新能源發(fā)電技術(shù)方面進(jìn)行了很多研究[1-4].其中，利用太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電的研究由來(lái)已久，早在19世紀(jì)80年代，Probert等[5-6]就對(duì)太陽(yáng)能ORC進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究.近些年，韓中合等[7-9]對(duì)太陽(yáng)能ORC適用工質(zhì)選擇及系統(tǒng)優(yōu)化方面進(jìn)行了理論分析.Wang等[10-11]對(duì)不同太陽(yáng)能集熱器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.但是以上研究均發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能ORC的熱效率較低.因此，如何提高太陽(yáng)能動(dòng)力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能利用技術(shù)迫切需要解決的問(wèn)題.

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的冷源通常為水和空氣，若將液化天然氣(LNG)作為循環(huán)的冷源，將大大降低平均放熱溫度，實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)力回收利用.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)以LNG作為冷源的動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究.Wang等[12]對(duì)基于LNG和低溫余熱的循環(huán)進(jìn)行了熱力分析，指出熱源溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)壓力對(duì)循環(huán)效率有重要影響.Shi等[13]使用氨水作為工質(zhì)提出了一種新型聯(lián)合循環(huán)，結(jié)果顯示該循環(huán)的熱效率和效率分別為33%和48%.Zhang等[14-15]對(duì)氮?dú)釨rayton循環(huán)和CO2朗肯循環(huán)回收LNG冷能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)循環(huán)自變量的選取對(duì)循環(huán)影響很大.此外Dispenza等[16-18]也對(duì)以LNG為冷源的聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行了相關(guān)研究.

LNG的溫度約為-160 ℃，經(jīng)海運(yùn)到達(dá)接收站后，先經(jīng)過(guò)壓縮升壓，再重新汽化為天然氣后經(jīng)管道配送給用戶.LNG汽化過(guò)程釋放大量的冷能，約為830 kJ/kg.若僅利用海水來(lái)加熱汽化LNG，不但浪費(fèi)了冷能，還會(huì)影響海洋生態(tài).若用工業(yè)余熱來(lái)汽化LNG，由于LNG汽化站多建立在沿海城市，難以保證汽化站周?chē)嬖诳梢岳玫墓I(yè)余熱.

因此，筆者提出了一種利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)，并對(duì)該循環(huán)進(jìn)行適用工質(zhì)研究.結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的獨(dú)立循環(huán)相比，該循環(huán)的系統(tǒng)效率、效率及凈輸出功有了很大提高，換熱面積也減少很多，且R143a、丙烷和丙烯為該循環(huán)的適用工質(zhì)[19].對(duì)任何循環(huán)來(lái)說(shuō)，工作參數(shù)直接影響循環(huán)的性能，然而文獻(xiàn)[19]中并沒(méi)有對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.因此，筆者選取R143a作為循環(huán)工質(zhì)，對(duì)該循環(huán)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，研究4個(gè)獨(dú)立變量(即循環(huán)蒸發(fā)溫度、透平進(jìn)口溫度、冷凝溫度和LNG汽化壓力)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)效率、效率和單位做功的換熱面積的影響.此外，也對(duì)該聯(lián)合循環(huán)各部件的損進(jìn)行了分析，研究的相關(guān)結(jié)果為循環(huán)和設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的依據(jù).

1 循環(huán)模型

1.1 物理模型

利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)示意圖見(jiàn)圖1.該循環(huán)將太陽(yáng)能ORC和LNG汽化動(dòng)力循環(huán)聯(lián)合起來(lái).有機(jī)工質(zhì)經(jīng)泵1升壓后被太陽(yáng)能集熱器直接加熱升溫，升溫升壓的工質(zhì)進(jìn)入透平1做功，通過(guò)回?zé)崞骰厥找徊糠譄崃亢蟮嚼淠髦信cLNG換熱降溫，完成一個(gè)循環(huán).LNG經(jīng)泵2升壓后在冷凝器中與有機(jī)工質(zhì)換熱升溫，接著進(jìn)入透平2膨脹做功，最后在換熱器HX中與空氣換熱，達(dá)到用戶所需的供氣溫度和壓力后進(jìn)入輸送管道進(jìn)行供氣.

圖1 利用LNG冷能與低溫太陽(yáng)能的聯(lián)合循環(huán)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)圖1的聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行以下分析：

太陽(yáng)能集熱器效率為

(1)

冷凝器換熱面積為

(2)

其中冷凝器換熱平均溫差為

(3)

計(jì)算冷凝器傳熱系數(shù)時(shí)，忽略導(dǎo)熱的影響.

走在雪地上，腳下“吱吱”作響，轉(zhuǎn)身一看，身后已經(jīng)留下了一串串腳印。不知不覺(jué)，思緒開(kāi)始飛揚(yáng)。一陣爽朗的笑聲突然穿透了我耳膜，回首看，一群孩子歡呼著從屋子里跑出來(lái)。他們穿著各式各樣顏色的羽絨服，仿佛雪地里盛開(kāi)的朵朵鮮花，他們快樂(lè)地奔跑著，一會(huì)兒玩著滑雪車(chē)的游戲，一會(huì)兒打著雪仗；一會(huì)兒又興高采烈地堆起雪人來(lái)，盡情享受著北方冬天的快樂(lè)時(shí)光。

(4)

在冷凝器中，無(wú)論是工質(zhì)側(cè)還是LNG側(cè)，都存在單相對(duì)流換熱及相變換熱2個(gè)過(guò)程，其中單相對(duì)流傳熱系數(shù)由Petuk-hov關(guān)系式[20]得到：

(5)

其中，

(6)

工質(zhì)冷凝傳熱系數(shù)由Shah[21]得到：

(7)

LNG沸騰傳熱系數(shù)由Gungor等[22]改進(jìn)后給出：

(8)

回?zé)崞饔?jì)算模型為

T4a-T2=10

(9)

h2a=h2+ξregh4a-h4

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

LNG的冷為

Ex,l=qm,l·T0s0-sn1-h0-hn1

(15)

2 結(jié)果及分析

在優(yōu)化過(guò)程中，表1中的參數(shù)固定不變，使用的太陽(yáng)能集熱器型號(hào)為CPC Aosol 1.12X.

表1 循環(huán)優(yōu)化過(guò)程中保持不變的參數(shù)

2.1 循環(huán)參數(shù)優(yōu)化分析

對(duì)循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化分析，選取的循環(huán)變量xi包括蒸發(fā)溫度Te、透平進(jìn)口溫度TIT、冷凝溫度Tc和LNG汽化壓力pn3.考察這些變量對(duì)循環(huán)系統(tǒng)效率、效率和單位做功的換熱面積的影響.優(yōu)化過(guò)程中，當(dāng)xi變化時(shí)，xj(i≠j)保持恒定，即考察一個(gè)變量的影響時(shí)，其他變量為恒定值.

為了更直觀地展示多變量對(duì)同一優(yōu)化參數(shù)的影響，定義相對(duì)變量xrv，將各變量轉(zhuǎn)換為一個(gè)相對(duì)變量.定義式見(jiàn)式(16)，其中xu為各變量取值的最大值，xl為各變量取值的最小值，xm為各變量中間取值.各變量的取值范圍見(jiàn)表2.

(16)

表2 各變量的取值范圍

2.1.1 循環(huán)系統(tǒng)效率隨各變量的變化

圖2給出了循環(huán)系統(tǒng)效率隨各變量的變化關(guān)系.由圖2可知，循環(huán)系統(tǒng)效率隨蒸發(fā)溫度的升高先升高后降低，存在最佳的蒸發(fā)溫度使得循環(huán)系統(tǒng)效率最高.這是由于蒸發(fā)溫度升高時(shí)，工質(zhì)質(zhì)量流量減小，LNG的質(zhì)量流量也隨之減小，使得循環(huán)透平2的做功量減小，因透平1的凈輸出功固定，因此循環(huán)總凈輸出功減小.同時(shí)，蒸發(fā)溫度升高，太陽(yáng)能集熱器預(yù)熱部分面積增大，而蒸發(fā)部分與過(guò)熱部分面積都減小，太陽(yáng)能集熱器總面積先減小后增大.圖3給出了LNG側(cè)(透平2)做功及太陽(yáng)能集熱器換熱面積隨循環(huán)蒸發(fā)溫度的變化.由圖3可知，太陽(yáng)能集熱器面積減小的速度起初大于循環(huán)凈功減小的速度，而當(dāng)蒸發(fā)溫度為300 K左右時(shí)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，由式(12)可知，循環(huán)系統(tǒng)效率的變化與兩者有直接關(guān)系，兩者變化綜合后得到圖2所示的結(jié)果.

圖2 循環(huán)系統(tǒng)效率隨各變量的變化

從圖2還可以看出，循環(huán)系統(tǒng)效率隨著透平進(jìn)口溫度和LNG汽化壓力的升高而升高.隨著TIT的升高，透平1進(jìn)口焓值增大，比功增大，由于透平1凈輸出功固定，使得循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量減小，太陽(yáng)能集熱器換熱面積及LNG質(zhì)量流量也隨之減小，而透平2的比功隨著TIT的升高而增大，且其增大的幅度大于LNG質(zhì)量流量減小的幅度，因此循環(huán)總凈輸出功增加.由式(12)可知，分母的減小與分子的增大使得循環(huán)系統(tǒng)效率升高.隨著LNG汽化壓力的升高，循環(huán)透平2比功增大，而LNG的質(zhì)量流量不變，因此循環(huán)系統(tǒng)凈輸出功增大，而太陽(yáng)能集熱器面積不會(huì)隨著LNG汽化壓力的升高而變化，因此循環(huán)系統(tǒng)效率升高.

圖3 LNG側(cè)做功及太陽(yáng)能集熱器換熱面積隨循環(huán)蒸發(fā)溫度的變化

Fig.3 Change of work output for turbine 2 and area of solar collector with the evaporative temperature

隨著冷凝溫度的升高，循環(huán)系統(tǒng)效率呈線性降低，即冷凝溫度越低，循環(huán)性能越好(圖2).這是由于冷凝溫度越高，工質(zhì)質(zhì)量流量越大，LNG的質(zhì)量流量與太陽(yáng)能集熱器的換熱面積也越大，而循環(huán)總凈輸出功的增加幅度比太陽(yáng)能集熱器換熱面積的增加幅度更大(見(jiàn)圖4).

圖4 循環(huán)凈輸出功和太陽(yáng)能集熱器換熱面積隨冷凝溫度的變化

Fig.4 Change of work output and area of solar collector with the condensing temperature

圖5 循環(huán)效率隨各變量的變化

2.1.3 單位做功的換熱面積隨各變量的變化

圖6給出了單位做功的換熱面積隨各變量的變化.由圖6可知，單位做功的換熱面積隨著蒸發(fā)溫度的升高先減小后增大，存在最佳的循環(huán)蒸發(fā)溫度使得單位做功的換熱面積最小.這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)溫度的升高，太陽(yáng)能集熱器換熱面積與換熱器面積減小，冷凝器面積增大，循環(huán)總換熱面積減小，而循環(huán)總凈輸出功隨著蒸發(fā)溫度的升高而減小.

圖6 單位做功的換熱面積隨各變量的變化

從圖6還可以看出，單位做功的換熱面積隨著透平進(jìn)口溫度及LNG汽化壓力的升高而減小，且其隨著LNG汽化壓力的升高減小趨勢(shì)更明顯，而隨TIT的變化不明顯.這是因?yàn)殡S著TIT及LNG汽化壓力的升高，循環(huán)總換熱面積減小，循環(huán)總凈輸出功增大.

冷凝溫度升高，單位做功的換熱面積增大.隨冷凝溫度的升高，太陽(yáng)能集熱器換熱面積及換熱器面積增大，冷凝器面積減小，循環(huán)總換熱面積增大.循環(huán)總凈輸出功隨冷凝溫度的升高而增加，且循環(huán)總換熱面積的增大幅度大于循環(huán)總凈輸出功的增加幅度，由式(11)得到圖6所示的結(jié)果.

表3 循環(huán)優(yōu)化結(jié)果

輸入系統(tǒng)的=有效利用的+消耗

(17)

表4 各部件損表達(dá)式

Tab.4 Expression of exergy loss for various components

表4 各部件損表達(dá)式

部件損表達(dá)式太陽(yáng)能集熱器Ia=qm,wT0s3-s2()-h3-h2Tf[]透平1IT1=qm,wT0s4-s3()冷凝器Ic=qm,w(ex,4-ex,1)+qm,l(ex,n2-ex,n3)泵1IP1=qm,wT0s1-s2()泵2IP2=qm,lT0sn1-sn2()透平2IT2=qm,lT0sn4-sn3()換熱器HXIHX=qm,lT0(sn5-sn4)-hn5-hn4TL[]總損I=Ia+IT1+Ic+IP1+IP2+IT2+IHX

表5 各部件損和損率

Tab.5 Exergy loss and exergy loss rate of various components

部件損/kW損率/%太陽(yáng)能集熱器126.89329.27透平1141.9459.68冷凝器170.35739.29泵10.5780.13泵22.8030.65透平240.9409.44換熱器HX50.02311.54

3 結(jié) 論

(2) 當(dāng)蒸發(fā)溫度為298.15 K、透平進(jìn)口溫度為353.15 K、冷凝溫度為213.15 K、LNG汽化壓力為3 MPa時(shí)，循環(huán)性能最優(yōu)，為循環(huán)的最優(yōu)工況.

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Optimization of a Novel Combined Cycle System Using LNG Cold Energy and Low-temperature Solar Energy

RAOWenji,ZHAOLiangju,ZHANGMogeng,MOYili

(Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems of Ministry of Education, College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Parameter optimization analysis and exergy analysis were conducted for a novel combined cycle system using LNG cold energy and low-temperature solar energy. Taking R143a as the working fluid, the effects of four independent variables, such as the evaporative temperature, turbine inlet and condensing temperature, and LNG vaporizing pressure, were studied on the cycle system efficiency, exergy efficiency and heat transfer area per unit work, etc. Results show that both the system efficiency and exergy efficiency increase first and decrease later on with the rise of evaporative temperature, which also increase with the rise of turbine inlet temperature and LNG vaporizing pressure; the higher the condensing temperature, the lower the cycle system efficiency and exergy efficiency; the change of the area of heat exchanger per unit net work with these variables is opposite with that of system efficiency and exergy efficiency. Optimum cycle performance can be obtained at the evaporative temperature of 298.15 K, turbine inlet temperature of 353.15 K, condensing temperature of 213.15 K and the LNG vaporizing pressure of 3 MPa, in which case, the heat exchanger exergy loss accounts for 80% of the total cycle exergy loss, and the pump exergy loss is the minimum among all the components.

LNG; solar energy; combined power cycle; exergy analysis

1674-7607(2014)12-0990-07

TK123

A

470.30

2014-03-07

2014-04-30

國(guó)家973資助項(xiàng)目(2011CB710701)

饒文姬(1985-), 女,江西吉安人，博士研究生, 研究方向?yàn)椋旱推肺荒茉磁cLNG冷能聯(lián)合利用.電話(Tel.): 18602379914; E-mail: 20101001008@cqu.edu.cn.