利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环研究

发布时间：2020-05-15 12:05

【摘要】：优化能源结构及开发新能源是解决目前所面临的能源短缺及环境污染问题的重要手段。我国未来20年将大量进口液化天然气(LNG，liquefied natural gas)，LNG使用前需气化成天然气，过程释放大量的冷能。新能源中太阳能是最为原始和直接的清洁能源。利用LNG冷能及中低温太阳能都可以优化能源结构及节约能源，具有非常重要的意义，既符合我国向节能型社会发展的国策，又具有极其深远的社会和战略意义。针对常规以水或空气作为冷源的低温太阳能有机朗肯循环(ORC，organicRankine cycle)热效率低和用海水气化LNG造成大量冷能浪费及海洋生态破坏问题，本文创新地提出将低温太阳能与LNG冷能联合起来应用，建立了联合动力循环模型。紧接着对该循环进行了工质选取、循环比较、循环优化和火用及经济性分析。通过上述工作，得到了如下结论。 1)综合考虑循环系统热效率、火用效率、太阳能集热器面积、透平体积流率以及工质质量流率五个指标，对循环进行最优工质选取。结果表明，使用R143a、丙烷和丙烯这三种工质时的联合循环性能较其它13种工质好，为新型联合循环最适用工质。增加回热器后，不论何种工质，循环系统性能都增加。工质不同增加回热器后的效果也不同，使用R116的循环性能提升最大，乙烯、R218及乙烷次之，然而R143a、丙烷及丙烯依然为循环的最适用工质。 2)在同等净功输出下，对新型联合循环和传统的以水为冷源的太阳能ORC及LNG直接膨胀循环进行了比较。结果表明，新型联合动力循环与传统太阳能ORC及LNG直接膨胀循环相比性能更优，主要表现在新循环具有更大的循环系统热效率及火用效率，更小的工质质量流量及换热面积。 3)基于遗传算法对该新型联合动力循环进行优化，优化过程选取的目标函数为循环系统热效率及火用效率，优化参数有循环蒸发压力(Pe)、冷凝温度(Tc)、LNG气化压力(Pn3)以及LNG供气压力(Pn5)。结果显示，存在最佳循环蒸发压力、LNG气化压力、LNG供气压力及冷凝温度，且工况发生变化时，最佳值也发生变化，分析结果表明这些变化总是在一定的范围内。最优蒸发压力的范围为1.4MPa~2.8MPa；最优LNG气化压力的范围为3MPa~4.2MPa；最优冷凝温度的范围为193K~208K；最优LNG供气压力在0.3MPa附近。循环火用效率最大(A点)与系统热效率(B点)最大的点不同，A点及B点为循环单目标优化的最优工况点，两者对应的工况都不能作为循环的最优工况点。经分析得到了多目标优化的最优工况点(O点)，其所对应的工况为：Pe=2.201MPa，Pn3=3.398MPa，Tc=-64.9℃，Pn5=0.305MPa。 4)循环所使用的热源为太阳能，太阳能集热器的选型及倾斜角度对循环性能都有很大的影响，因此本文对此也进行了分析。结果指出太阳能集热器模型不同，循环性能也不同，应选取瞬时效率截距较大的太阳能集热器。常规非聚光太阳能集热器的最佳倾角随着时间点、日子数及地点都是变化的，使用这种集热器时必需配置太阳能跟踪系统。CPC(compound parabolic collector)聚焦装置不需要对太阳轨迹即时跟踪，只需要季节性调整CPC倾角，本文通过模拟得到了不同地点各月、季、半年及年最佳倾角及年辐射增量。结果表明，辐射增加幅度最大的为按月调整集热器倾角，而按季度调整、半年调整及固定倾角调整三种方式增加的幅度相差不大。 5)为寻找循环的最薄弱环节，对循环进行了详细的火用分析。结果表明，循环换热部件的火用损最大，占循环总火用损的75%，透平占循环总火用损的25%，而泵的火用损可以忽略不计。集热器为循环中最薄弱的部件，冷凝器与换热器HX次之。冷凝器及换热器HX中火用损的产生主要是由于冷热流体能量品位的差异太大。冷凝器可通过减少LNG与工质的换热温差来减少火用损，换热器HX则应通过利用剩余冷能减少火用损。 6)当循环透平1的净输出功为100kW时，循环的单位发电量成本为0.0504$/kWh，运行该循环可得0.0784$/kWh的利润，循环的投资回收期为5.38年。此外，本文引入火用经济性分析法对循环进行分析，结果表明循环的总经济因子为6.21%，超过90%的系统费用与火用损有关系，需通过降低循环总火用损或增加循环的非能耗费用来提高循环系统的火用经济性能。 7)新型联合动力循环中LNG冷能还有一定的利用空间，且太阳能作为热源的稳定性不高，为此，本文提出了相应的措施来提高循环的性能。提出将该循环与空气分离系统及冷库联合起来用以提高循环的冷能利用率，而增加蓄热装置或进行燃料补给来避免由太阳能不稳定性引起的问题。
【图文】：

天然气供应,来源,中国天然气

煤和燃油分别减少了80%和72%[4]。图1.1[5]为我国19世纪末到2030年的天然气供应情况，从图中可以看出，到2030年，中国页岩气产量预计将增至60亿立方英尺/日，占中国天然气产量的20%，，中国生产天然气的能力大大增加。然而由图1.2[5]可以看出，中国天然气消费将迅猛增长，到2030年，将超过欧盟天然气的市场总量，全球天然气需求增长的76%来自非经合组织市场，仅中国就在增长中占据25%的比重

天然气需求,天然气

图1.2 2030年各地区天然气需求量Fig.1.2 Demand for gas by region until 203式主要有管道输送（PNG，pipe nCNG，compressrd natural gas）输送气水合物（NGH，natural has hydra已经得到广泛应用的技术，然而铺然气工业投资的1/3[7]。CNG通过加容器内进行储运，其储运压力高，增加了天然气的运输成本[8]。ANG是Pa左右)、温度不太低(接近常温)的但吸附剂寿命短，吸附周期长，扩天然气在一定的压力和温度条件与]。现阶段NGH的生产、储运及再气
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK019;TK519

【参考文献】