一种新型CO2工质冷热电联供系统的热力性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21017

摘要/Abstract

摘要：

为了开发利用太阳能、地热能、工业余热等低品位热能，提出一种以CO₂作为工质的冷热电联供系统，该系统通过共用气体冷却器的方式将超临界CO₂布雷顿发电循环和跨临界CO₂压缩式制冷循环进行耦合，可同时向用户提供电力、冷媒水和生活热水。建立了该系统的热力学数学模型，并对其运行工况进行了数值模拟，模拟结果表明：系统净输出功为140.34 kW，制冷量为340.50 kW，制热量为5 332.75 kW，热效率为113.27%，?效率为41.24%；随后在此基础上对系统进行了热力学参数敏感性分析，获得了透平进口压力、透平出口压力、透平进口温度、蒸发器压力和顶循环与底循环CO₂流量比5个热力参数对系统性能的影响。

关键词: 二氧化碳, 冷热电联供, 数值模拟, 参数分析

Abstract:

In order to develop and utilize low-grade thermal energy such as solar energy, geothermal energy, industrial waste heat, etc, this paper proposed a combined cooling, heating and power system using CO₂ as the working fluid. The system, coupling the supercritical CO₂ Brayton power generation cycle and the transcritical CO₂ compression refrigeration cycle by sharing the condenser, can provide users with electricity, refrigerant water and domestic hot water at the same time. This paper established the thermodynamic mathematical models of the proposed system in detail, and conducted numerical simulation of its operating conditions. The simulation results showed that the net output power of the simulated system is 140.34 kW, cooling capacity is 340.50 kW, heating capacity is 5 ?332.75 kW, thermal efficiency is 113.27%, and exergy efficiency is 41.24%. Then, on this basis, the sensitivity analysis of thermodynamic parameters of the system was carried out, and the effects of five thermodynamic parameters, including turbine inlet pressure, turbine outlet pressure, turbine inlet temperature, evaporator pressure and CO₂ flow ratio of top cycle and bottom cycle, on the performance of the system were obtained.

Key words: carbon dioxide, combined cooling, heating and power, numerical simulation, parameter analysis

中图分类号:

TK 11

高垚楠, 陈海峰, 王建永. 一种新型CO₂工质冷热电联供系统的热力性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 131-138.

Yaonan GAO, Haifeng CHEN, Jianyong WANG. Thermodynamic Analysis of a New Combined Cooling, Heating and Power System Using CO₂ Working Fluid[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(1): 131-138.

图/表 10

参考文献 18

1	解鸣，任德财，濮晓宙，等．冷热电三联供系统的发展现状和应用综述[J]. 制冷，2019，38(1)：67-73． doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2019.01.012
	XIE M， REN D C， PU X Z，et al. Review on the development and application of combined cooling, heating and power system[J]. Refrigeration，2019，38(1)：67-73． doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2019.01.012
2	耿健，杨冬梅，高正平，等．含储能的冷热电联供分布式综合能源微网优化运行[J] ．电力工程技术，2021，40(1)：25-32．
	GENG J， YANG D M， GAO Z P，et al ．Optimal operation of distributed integrated energy microgrid with CCHP considering energy storage[J]. Electric Power Engineering Technology，2021，40(1)：25-32．
3	李高潮，卢怀宇，孙启德，等．基于可再生能源的冷热电联供系统集成配置与运行优化研究进展[J].电网与清洁能源，2021，37(3)：106-119． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.03.015
	LI G C， LU H Y， SUN Q D，et al. Research progress in configuration and operation optimization of combined cooling,heating and power (CCHP) systems based on renewable energy[J]. Power System and Clean Energy，2021，37(3)：106-119． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2021.03.015
4	慕明良，李守茂，孟祥鹤，等．考虑灵活性的冷热电联供型微网优化调度[J].智慧电力，2020，48(3)：39-46． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2020.03.006
	MU M L， LI S M， MENG X H，et al ．Optimal scheduling of CCHP microgrid considering flexibility[J]. Smart Power，2020，48(3)：39-46． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2020.03.006
5	孙黎霞，鞠平，白景涛，等．计及蓄电池寿命的冷热电联供型微电网多目标经济优化运行[J]．发电技术，2020，41(1)：64-72． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19175
	SUN L X， JU P， BAI J T，et al ．Multi-objective economic optimal operation of microgrid based on combined cooling, heating and power considering battery life[J]. Power Generation Technology，2020，41(1)：64-72． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19175
6	薛晓东，韩巍，王晓东，等．适合分布式冷热电联供系统的中小型发电装置[J]．发电技术，2020，41(3)：252-260． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20031
	XUE X D， HAN W， WANG X D，et al ．Small and medium-scale power generation devices suiting for distributed combined cooling，heating and power system[J]. Power Generation Technology，2020，41(3)：252-260． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20031
7	郑开云．超临界二氧化碳循环热电联产系统初步研究[J]．分布式能源，2017，2(3)：15-19． doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.003
	ZHENG K Y. Preliminary study on supercritical carbon dioxide cycle cogeneration system[J]．Distributed Energy，2017，2(3)：15-19． doi:10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.003
8	LI H， JIN Z， YANG Y，et al ．Preliminary conceptual design and performance assessment of combined heat and power systems based on the supercritical carbon dioxide power plant[J]．Energy Conversion & Management，2019，199： 111939.1-111939.13． doi:10.1016/j.enconman.2019.111939
9	LIU Z， YANG X， LIU X，et al ．Performance assessment of a novel combined heating and power system based on transcritical CO₂ power and heat pump cycles using geothermal energy[J]．Energy Conversion and Management，2020，224：113355． doi:10.1016/j.enconman.2020.113355
10	LI B， WANG S S ．Thermo-economic analysis and optimization of a novel carbon dioxide based combined cooling and power system[J]．Energy Conversion and Management，2019，199：112048． doi:10.1016/j.enconman.2019.112048
11	IPAKCHI O， MOSAFFA A H， FARSHI L G ． Ejector based CO₂ transcritical combined cooling and power system utilizing waste heat recovery：a thermoeconomic assessment[J]．Energy Conversion & Management, 2019，186：462-472． doi:10.1016/j.enconman.2019.03.009
12	XIA J， GUO Y， LI Y，et al ．Thermodynamic analysis and comparison study of two novel combined cooling and power systems with separators using CO₂-based mixture for low grade heat source recovery[J]．Energy Conversion and Management，2020，215：128-135． doi:10.1016/j.enconman.2020.112918
13	LIU Z， LIU Z H， CAO X，et al ．Self-condensing transcritical CO₂ cogeneration system with extraction turbine and ejector refrigeration cycle: A techno-economic assessment study[J]． Energy，2020，208：118391． doi:10.1016/j.energy.2020.118391
14	XU X X， LIU C， FU X，et al ．Energy and exergy analyses of a modified combined cooling, heating, and power system using supercritical CO₂ [J]．Energy，2015，86：414-422． doi:10.1016/j.energy.2015.04.043
15	HOU S， ZHANG F， YU L，et al ．Optimization of a combined cooling，heating and power system using CO₂ as main working fluid driven by gas turbine waste heat[J]． Energy Conversion & Management，2018，178： 235-249． doi:10.1016/j.enconman.2018.09.072
16	LIU Z， CAO F， GUO J，et al ．Performance analysis of a novel combined cooling，heating and power system based on carbon dioxide energy storage[J]．Energy Conversion & Management，2019，188：151-161． doi:10.1016/j.enconman.2019.03.031
17	ZARE V， ROSTAMNEJAD T H ．Novel geothermal driven CCHP systems integrating ejector transcritical CO₂ and Rankine cycles：Thermodynamic modeling and parametric study[J]．Energy Conversion and Management，2020，205：345-350． doi:10.1016/j.enconman.2019.112396
18	FAN G， LI H， DU Y，et al ．Preliminary conceptual design and thermo-economic analysis of a combined cooling, heating and power system based on supercritical carbon dioxide cycle[J]．Energy，2020，203：117842. doi:10.1016/j.energy.2020.117842

参数	数值
环境压力/kPa	101.3
环境温度/℃	20
热源进口温度/℃	170
热源流体质量流量/(kg·s^-1)	10
用户热水温度/℃	60
冷媒水温度/℃	5
透平进口温度/℃	165
透平进口压力/MPa	14
透平出口压力/MPa	8.5
顶循环和底循环的CO₂流量比	8
透平等熵效率/%	80
压缩机等熵效率/%	70

参数	数值
环境压力/kPa	101.3
环境温度/℃	20
热源进口温度/℃	170
热源流体质量流量/(kg·s^-1)	10
用户热水温度/℃	60
冷媒水温度/℃	5
透平进口温度/℃	165
透平进口压力/MPa	14
透平出口压力/MPa	8.5
顶循环和底循环的CO₂流量比	8
透平等熵效率/%	80
压缩机等熵效率/%	70

状态点	温度/℃	压力/kPa	焓/(kJ·kg^-1)	熵/(kJ·kg^-1·K^-1)	干度	流量/(kg·s^-1)
1	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	18.83
2	43.99	14 000.00	299.89	1.30	1.00	18.83
3	165.00	14 000.00	572.49	2.05	1.00	18.83
4	123.11	8 500.00	546.45	2.06	1.00	18.83
5	118.59	8 500.00	540.70	2.05	1.00	21.18
6	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	21.18
7	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	2.35
8	-5.55	3 000.00	288.94	1.33	0.41	2.35
9	-5.55	3 000.00	433.61	1.88	1.00	2.35
10	85.16	8 500.00	494.70	1.93	1.00	2.35
g1	170.00	900.00	719.14	2.04	—	10.00
g2	48.99	900.00	205.88	0.69	—	10.00
b1	20.00	101.30	84.01	0.30	—	31.89
b2	60.00	101.30	251.25	0.83	—	31.89
c1	20.00	101.30	84.01	0.30	—	5.41
c2	5.00	101.30	21.12	0.08	—	5.41

状态点	温度/℃	压力/kPa	焓/(kJ·kg^-1)	熵/(kJ·kg^-1·K^-1)	干度	流量/(kg·s^-1)
1	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	18.83
2	43.99	14 000.00	299.89	1.30	1.00	18.83
3	165.00	14 000.00	572.49	2.05	1.00	18.83
4	123.11	8 500.00	546.45	2.06	1.00	18.83
5	118.59	8 500.00	540.70	2.05	1.00	21.18
6	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	21.18
7	32.00	8 500.00	288.94	1.29	1.00	2.35
8	-5.55	3 000.00	288.94	1.33	0.41	2.35
9	-5.55	3 000.00	433.61	1.88	1.00	2.35
10	85.16	8 500.00	494.70	1.93	1.00	2.35
g1	170.00	900.00	719.14	2.04	—	10.00
g2	48.99	900.00	205.88	0.69	—	10.00
b1	20.00	101.30	84.01	0.30	—	31.89
b2	60.00	101.30	251.25	0.83	—	31.89
c1	20.00	101.30	84.01	0.30	—	5.41
c2	5.00	101.30	21.12	0.08	—	5.41

参数	数值
W_tb/kW	490.36
W_com1/kW	206.25
W_com2/kW	143.77
W_net/kW	140.34
Q_heat/kW	5 332.75
E_heat/kW	333.81
Q_cool/kW	340.50
E_cool/kW	9.03
Q_in/kW	5 132.60
E_in/kW	1 171.52
η_thm/%	113.27
η_exg/%	41.24

一种新型CO₂工质冷热电联供系统的热力性分析

Thermodynamic Analysis of a New Combined Cooling, Heating and Power System Using CO₂ Working Fluid

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 18

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	汪丽, 张欢, 叶舣, 赵兴雷. N-氨乙基哌嗪与甘氨酸钠CO₂吸收剂配方研究[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 674-684.
[2]	杨旸, 李耀强, 张金琦. 基于数值方法的燃气轮机贫预混旋流燃烧室单头部结构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 712-721.
[3]	王林. 5 MW超临界二氧化碳机组锅炉闭式循环吹管工艺研究[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 731-737.
[4]	唐鑫, 钱奕然, 方华伟, 李洋, 李思广, 易经纬, 陈伟雄, 严俊杰. 超临界二氧化碳布雷顿循环控制策略研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 492-501.
[5]	胡道成, 王睿, 赵瑞, 孙楠楠, 徐冬, 刘丽影. 二氧化碳捕集技术及适用场景分析[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 502-513.
[6]	杨旸, 郭德三, 李耀强, 张金琦. 燃气轮机贫预混多旋流组合燃烧室头部结构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 183-192.
[7]	刘文斌, 李璐璐, 李晓金, 姚宣, 杨海瑞. 脱硫湿烟气喷淋冷凝过程中的参数优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 107-114.
[8]	吴荣辉, 刘冬, 郁冶, 牟凯龙, 赵兰浩. 基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 44-52.
[9]	张弘毅, 曲立涛. 9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 78-84.
[10]	孔文俊, 张艳森, 汤效平, 张伟阔. 大容量储能锂电池电芯产热特性研究[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 801-809.
[11]	张欢, 汪丽, 叶舣, 赵兴雷. 乙二烯三胺与三乙醇胺混合胺溶液CO₂吸收剂研究[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 609-617.
[12]	王泽旭, 李冰辰, 许瑶, 刘倩, 李凯璇, 巨星. 基于过冷相变材料热开关的锂离子电池热管理系统[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 328-340.
[13]	戴春喜, 梁平, 车德勇, 刘海婷. 蜂窝管湿式电除尘器内部流动特性研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 155-159.
[14]	廖志荣, 李朋达, 田紫芊, 徐超, 魏高升. 非均匀翅片对级联相变储热系统热性能强化的研究[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 83-91.
[15]	王立, 张智, 施瑶璐, 徐超, 孙杰. 基于数值仿真的抛物槽式太阳能集热器研究进展[J]. 发电技术, 2021, 42(6): 643-652.