基于超临界CO2布雷顿-有机朗肯循环的塔式光热发电系统热性能仿真

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260219

发电技术 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 431-442.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260219

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基于超临界CO₂布雷顿-有机朗肯循环的塔式光热发电系统热性能仿真

赵斌¹, 高璇¹, 陈嘉祥¹, 白章², 王坤³

^1.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南省长沙市 410114
^2.中国石油大学(华东)新能源学院，山东省青岛市 266580
^3.河北工业大学能源与环境工程学院，天津市北辰区 300401

收稿日期:2025-07-04 修回日期:2025-09-29 出版日期:2026-04-30 发布日期:2026-04-21
作者简介:赵斌(1968)，男，博士，教授，研究方向为新能源科学技术及应用，zhaobin19680507@163.com；
王坤(1988)，男，博士，教授，研究方向为新能源利用中的工程热物理问题，本文通信作者，wangkun@hebut.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金青年项目(C类)(52106033);山东省自然科学基金项目(ZR2022YQ58)

Thermal Performance Simulation of Solar Thermal Power Tower System Based on Supercritical CO₂Brayton-Organic Rankine Cycle

Bin ZHAO¹, Xuan GAO¹, Jiaxiang CHEN¹, Zhang BAI², Kun WANG³

^1.College of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China
^2.College of New Energy, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong Province, China
^3.School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Technology, Beichen District, Tianjin 300401, China

Received:2025-07-04 Revised:2025-09-29 Published:2026-04-30 Online:2026-04-21
Supported by:
National Natural Science Foundation of China for Young Scientists (C)(52106033);Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2022YQ58)

摘要/Abstract

摘要：

目的超临界CO₂ (supercritical CO₂，SCO₂)布雷顿循环相较于常规的蒸气朗肯循环可获得更高的发电效率，在太阳能热发电(solar power tower，SPT)领域具有良好的发展前景，为此，对SCO₂布雷顿循环塔式光热发电系统热力学性能进行了研究。方法将具有高热电转换效率的再压缩型SCO₂布雷顿循环(SCO₂ recompression Brayton cycle，SCRBC)作为顶循环，采用有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)作为底循环对SCRBC余热进行回收，利用Matlab构建了基于SCRBC/ORC的塔式SPT系统(SCRBC/ORC-SPT)仿真模型。在初选6种ORC工质中，选取R600为SCRBC/ORC-SPT系统底循环工质。从热力学角度分析关键参数对SCRBC/ORC-SPT系统热力学性能的影响，以系统发电效率最大化为目标，采用遗传算法进行参数全局优化。结果系统效率随分流比和透平入口压力的增加呈现先升后降的变化规律，表明系统存在最佳分流比和最佳循环压比，使系统热力学性能最佳，且最佳分流比随循环压比的增加呈单调递增趋势；提高透平入口温度和降低主压缩机入口温度一定程度上可有效提升系统发电效率。结论优化后的SCRBC/ORC-SPT系统获得的最高发电效率和㶲效率分别为34.19%、36.80%，相较于SCRBC-SPT系统，均有效提升了4.31%。研究结果为提升常规的基于SCO₂布雷顿循环的塔式光热发电系统发电效率和推动SCO₂布雷顿循环发电技术推广应用提供了理论支撑。

关键词: 太阳能热发电(SPT), 超临界CO₂(SCO₂), 布雷顿循环, 有机朗肯循环(ORC), 联合循环, 热性能仿真, 参数优化

Abstract:

Objectives The supercritical CO₂(SCO₂) Brayton cycle offers higher power generation efficiency compared with conventional steam Rankine cycles, which has good application prospects in solar power generation (SPT). Therefore, the thermodynamic performance of an SCO₂ Brayton cycle-based SPT system for solar thermal power generation is studied. Methods A recompression SCO₂ Brayton cycle (SCRBC), known for its high thermoelectric conversion efficiency, is employed as the top cycle, while an organic Rankine cycle (ORC) is served as the bottom cycle to recover waste heat from the SCRBC. A simulation model for the SCRBC/ORC-based SPT system (SCRBC/ORC-SPT) is developed using Matlab. Among six initially selected ORC working fluids, R600 is chosen as the bottom cycle working fluid for the SCRBC/ORC-SPT system. From a thermodynamic perspective, the impact of key parameters on the thermodynamic performance of the SCRBC/ORC-SPT system is analyzed. With the goal of maximizing system power generation efficiency, a genetic algorithm is applied for global parameter optimization. Results The system efficiency first increases and then decreases with the increase in the split ratio and turbine inlet pressure, indicating the existence of optimal split ratio and optimal cycle pressure ratio that yield the best thermodynamic performance of the system. Moreover, the optimal split ratio exhibits a monotonically increasing trend with the increase in cycle pressure ratio. Increasing the turbine inlet temperature and lowering the main compressor inlet temperature can effectively enhance the system’s power generation efficiency to some extent. Conclusions The maximum power generation efficiency and exergy efficiency obtained by the optimized SCRBC/ORC-SPT system are 34.19% and 36.80%, respectively, which are effectively improved by 4.31% compared with the SCRBC-SPT system. The findings provide theoretical support for enhancing the power generation efficiency of conventional SCO₂ Brayton cycle-based SPT systems and promoting the application of SCO₂Brayton cycle power generation technology.

Key words: solar power tower (SPT), supercritical CO₂ (SCO₂), Brayton cycle, organic Rankine cycle (ORC), combined cycle, thermal performance simulation, parameter optimization

中图分类号:

TK 123

赵斌, 高璇, 陈嘉祥, 白章, 王坤. 基于超临界CO₂布雷顿-有机朗肯循环的塔式光热发电系统热性能仿真[J]. 发电技术, 2026, 47(2): 431-442.

Bin ZHAO, Xuan GAO, Jiaxiang CHEN, Zhang BAI, Kun WANG. Thermal Performance Simulation of Solar Thermal Power Tower System Based on Supercritical CO₂Brayton-Organic Rankine Cycle[J]. Power Generation Technology, 2026, 47(2): 431-442.

图/表 15

图1 常规塔式太阳能热发电系统模型

Fig. 1 Configuration of tower type conventional solar thermal power system

图2 SCRBC/ORC塔式光热发电系统模型及T-s图

Fig. 2 Configuration and T-s diagram of SCRBC/ORC solar power tower system

表1 SCRBC/ORC-SPT系统设计参数

Tab. 1 SCRBC/ORC-SPT system design parameters

参数	数值	参数	数值
太阳辐照度/(W·m^-2)	800	高温回热器换热效能/%	95
定日镜场面积/m²	1 000	低温回热器换热效能/%	89
定日镜场效率/%	75	透平等熵效率/%	90
表面吸收比	0.95	主压缩机等熵效率/%	89
表面发射率	0.85	再压缩机等熵效率/%	89
吸热器管道外径/m	0.019	透平入口压力/MPa	18~28
吸热器管壁厚度/m	0.001 65	透平入口温度/℃	350~750
对流传热系数/(W·m^-2·K^-1)	10	主压缩机入口压力/MPa	7.4
视角因子	1	主压缩机入口温度/℃	32~46
集热器温差/℃	150	分流比	0.45~0.95
风速/(m·s^-1)	5	循环压比	2.0~4.0
管程数	500	膨胀机等熵效率/%	93
蒸发温度/℃	50~95	工质泵等熵效率/%	88
冷凝温度/℃	25	过热度/℃	2
回热器传热温差/℃	5	蒸发器窄点温差/℃	2

表2 有机工质物性参数

Tab. 2 Physical properties of organic working fluid

有机工质	临界温度/℃	临界压力/MPa	ODP	GWP	成本/(元/kg)	安全性
R245fa	155.11	3.649	0	859	75	B1
R601a	187.80	3.370	0	20	70	A3
R11	198.05	4.408	1	4 660	24	A1
R123	183.70	3.670	0.012	120	228	B1
R600a	134.95	3.648	0	20	36	A3
R600	151.98	3.796	0	4	34	A3

图 3 蒸发温度对底循环工质净输出功率的影响

Fig. 3 Effect of evaporation temperature on net output power of bottom cycle

图 4 蒸发温度对底循环工质热效率的影响

Fig. 4 Effect of evaporation temperature on thermal efficiency of bottom cycle

表3 模型结果对比验证

Tab. 3 Comparison and verification of model results

参数	文献测量值	本文计算值	误差/%
透平功率^[20]	388.00 MW	394.71 MW	1.73
主压缩机功耗^[20]	56.30 MW	57.65 MW	2.34
再压缩机功耗^[20]	45.89 MW	46.63 MW	1.59
高温回热器功率^[20]	1 452.34 MW	1 465.37 MW	0.90
低温回热器功率^[20]	375.00 MW	375.65 MW	0.17
SCRBC净输出功率^[20]	285.81 MW	290.42 MW	1.59
SCRBC热效率^[20]	47.60%	47.86%	0.54
ORC循环热效率^[21]	14.89%	14.59%	2.01

图5 分流比对SCRBC/ORC-SPT系统热力学性能的影响

Fig. 5 Effect of split ratio on thermodynamic performance of SCRBC/ORC-SPT system

图6 不同循环压比下分流比对SCRBC-SPT系统发电效率的影响

Fig. 6 Effect of split ratio on the power generation efficiency of SCRBC-SPT system under different pressure ratios

图7 主压缩机入口温度对SCRBC/ORC-SPT系统热力学性能的影响

Fig. 7 Effect of main compressor inlet temperature on thermodynamic performance of SCRBC/ORC-SPT system

图8 透平入口温度对SCRBC/ORC-SPT系统热力学性能的影响

Fig. 8 Effect of turbine inlet temperature on thermodynamic performance of SCRBC/ORC-SPT system

图9 透平入口压力对SCRBC/ORC-SPT系统热力学性能的影响

Fig. 9 Effect of turbine inlet pressure on thermodynamic performance of SCRBC/ORC-SPT system

图10 不同循环压比下透平入口温度对SCRBC-SPT系统发电效率的影响

Fig. 10 Effect of turbine inlet temperature on the power generation efficiency of SCRBC-SPT system under different pressure ratios

图11 GA优化流程图

Fig. 11 GA optimization flowchart

表4 关键参数优化结果

Tab. 4 Optimization results of key parameters

循环设计参数		数值
透平入口压力/MPa		19.865
分流比		0.668
循环压比		2.684
底循环热效率/%		14.29
常规塔式光热电站发电效率/%		25.51^[21]
顶循环发电系统	发电效率/%	32.78
顶循环发电系统	㶲效率/%	35.28
SPT联合系统	发电效率/%	34.19
SPT联合系统	㶲效率/%	36.80
发电效率提升量/%		4.31
㶲效率提升量/%		4.31

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Thermal Performance Simulation of Solar Thermal Power Tower System Based on Supercritical CO₂Brayton-Organic Rankine Cycle

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