利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环研究

【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。 【关键词】：低温太阳能 液化天然气(LNG) 新型联合动力循环 循环优化 火用经济性分析
【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
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-11
• 主要符号表11-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 研究背景及意义13-16
• 1.2 LNG 冷能国内外利用现状16-19
• 1.3 太阳能发电利用研究现状19-23
• 1.3.1 中高温太阳能发电利用现状20-22
• 1.3.2 低温太阳能发电利用现状22-23
• 1.4 本文的研究目的及内容23-25
• 1.4.1 本文的研究目的23
• 1.4.2 本文的研究内容23-25
• 2 利用 LNG 冷能与低温太阳能的新型联合动力循环模型25-39
• 2.1 LNG 冷能发电循环25-30
• 2.1.1 LNG 冷能发电的意义25
• 2.1.2 LNG 冷能发电研究现状25-29
• 2.1.3 LNG 冷能发电存在的问题29-30
• 2.2 传统低温太阳能 ORC30-31
• 2.2.1 太阳能 ORC 简介30
• 2.2.2 低温太阳能 ORC 研究现状及存在的问题30-31
• 2.3 LNG 冷能与低温太阳能联合利用循环模型31-37
• 2.3.1 循环提出依据31-32
• 2.3.2 循环物理模型32-35
• 2.3.3 循环数学模型35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 3 新型联合动力循环工质选取及系统分析39-63
• 3.1 循环有机工质选取39-49
• 3.1.1 有机工质简介39-40
• 3.1.2 联合循环有机工质初步筛选40-42
• 3.1.3 不同有机工质下的联合循环性能比较42-49
• 3.2 新型联合动力循环与独立的低温太阳能 ORC 及 LNG 气化循环比较分析49-52
• 3.3 循环系统内部参数对循环性能的影响分析52-58
• 3.3.1 蒸发温度(Te)对循环性能的影响52-53
• 3.3.2 冷凝温度（Tc）对循环性能的影响53-55
• 3.3.3 LNG 气化压力(Pn3)对循环性能的影响55-56
• 3.3.4 LNG 供气压力(Pn5)对循环性能的影响56-58
• 3.4 新型联合动力循环系统外部参数影响分析58-60
• 3.4.1 环境温度对循环性能的影响58-59
• 3.4.2 热源温度对循环性能的影响59-60
• 3.5 本章小结60-63
• 4 新型联合动力循环的优化研究63-95
• 4.1 遗传算法简介63-64
• 4.2 新型联合动力循环优化流程64-66
• 4.3 新型联合动力循环优化结果及讨论66-79
• 4.3.1 循环系统热效率及火用效率随各参数的变化67-74
• 4.3.2 循环优化工况点74-79
• 4.4 太阳能集热器优化分析79-93
• 4.4.1 太阳能集热器选型研究82-85
• 4.4.2 太阳能辐照度对循环性能的影响85-86
• 4.4.3 太阳能集热器最佳倾角86-93
• 4.5 本章小结93-95
• 5 新型联合动力循环的经济性分析95-125
• 5.1 新型联合动力循环的火用分析95-106
• 5.1.1 循环火用分析模型95-97
• 5.1.2 循环的火用分析结果97-103
• 5.1.3 循环的 EUD 分析103-106
• 5.2 新型联合动力循环经济性分析106-114
• 5.2.1 循环传统经济性分析106-111
• 5.2.2 循环火用经济性分析111-114
• 5.3 提高循环性能的措施114-122
• 5.3.1 提高 LNG 冷能利用率的措施115-120
• 5.3.2 保障循环稳定运行的措施120-122
• 5.4 本章小结122-125
• 6 结论及展望125-129
• 6.1 结论125-126
• 6.2 展望126-129
• 致谢129-131
• 参考文献131-141
• 附录141
• A：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录141
• B：作者在攻读博士学位期间参加的科研项目目录141

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

液化天然气冷能发电    王海华;张同;

LNG冷能利用技术探讨    周廷鹤;彭世尼;

Kalina循环的热力学第一定律分析    张颖;何茂刚;贾真;刘逊;

低温太阳能热力发电有机朗肯循环工质的选择    王辉涛;王华;

液化天然气冷能利用发电技术浅析    王坤,鲁雪生,顾安忠

液化天然气冷量■特征及其应用    游立新,顾安忠

LNG蓄冷及其冷能的应用    张君瑛,章学来,李品友

基于LNG冷能的发电技术    贺红明;林文胜;

利用LNG冷能的混合工质中低温热力循环开拓研究    高林,金红光,刘泽龙,蔡睿贤,王宇

液化天然气冷能利用    曾宪平;林璟;

基于混沌遗传算法的配电网无功补偿优化    邓建斌;叶洪江;

基于遗传算法优化的模糊PID控制研究及其仿真    乔志杰;程翠翠;

基于自适应遗传算法的离散化方法    徐文婷;李承鹏;

遗传神经网络在平整轧制力预报中的应用    安振刚,李谋渭,尹显东,于宁,唐伟

日光温室采光与下挖深度优化设计    李霞;于贤昌;艾希珍;李清明;

平衡决策树分类精度与规则简易性研究    华文立;胡学刚;

户用PV系统设计    牟志平;

LNG卫星站的冷能利用    李悦敏;丁国玉;张兆铅;

生长模型McDill-Amateis的遗传算法拟合研究    马友平;

太阳能地板辐射采暖系统的应用研究    贺立三;刘振波;高林朝;高艳军;

基于遗传禁忌混合搜索算法的设备布局研究    齐继阳;竺长安;曾议;

我国石油行业低碳发展途径刍议    岳勇;邓皓;罗凯;谢加才;

遗传算法在智能天线扇区波束赋形及阵元失效补偿中的应用    丁婷;崔红涛;

太阳能空气集热器传热性能实验研究    魏琪;赵俊;

基于小生境遗传算法的配电网电容器优化配置    程远林;李茂军;

基于GA优化的个人信用评估SVM模型    姜明辉;袁绪川;

最大化网络广告收入的投放决策    张志华;王莉;刘洪;

基于混合遗传算法的热传导系统最优控制问题求解    赵瑞艳;李树荣;张晓东;苗荣;

优化自抗扰控制器在主汽温控制系统中的应用    王清;宋年年;王佳庆;姚菁;

考虑分布电容的神经网络单相接地故障测距算法    康忠健;徐丽;勾松波;金华蓉;李瑞生;

载人潜器阻力性能的数值和试验预报及外形优化研究    李佳

适应性企业战略协同机制研究    张亚娟

介入式文化算法及其应用研究    谭枫

通信辐射源个体识别与参数估计    陆满君

六自由度Stewart平台分散智能控制研究    李晚龙

代建制项目风险预警管理研究    董慧群

开关磁阻电机在船舶电力推进中的应用研究    许爱德

地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究    张进

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究    王德才

重庆雾水    彭中贵;陈桂元;张毅;陈军;

液化天然气冷能发电    王海华;张同;

中国进口LNG势在必行    陈薇

全球LNG市场分析和对中国LNG市场的展望与建议    张祁

美国国家天然气委员会对于LNG和管道天然气可互换性的研究    刘艳华;

正确处理天然气质量中的燃气互换性问题(第一部分)    李猷嘉;

动力循环中混合工质的应用研究    黄锦涛,刘齐寿,王运路

Kalina循环的热力学第一定律分析    张颖;何茂刚;贾真;刘逊;

液化天然气(LNG)冷能回收及其利用    王强,厉彦忠,张朝昌

液化天然气冷能利用发电技术浅析    王坤,鲁雪生,顾安忠

    杰德·摩沃德　刘松针 编译

    潘锋

    瑞克·科莫多尔　胡晓平 译

    任厚毅　晨澜

    记者 姜福庆　张英 黄宝平 通讯员 谢先平 刘厚裕 张飞燕

液化天然气冷能利用途径初探    樊亚明;刘梅;吴正人;吕玉坤;

液化天然气冷能利用的原理与应用    李立华;

液化天然气冷能利用发电技术浅析    王坤,鲁雪生,顾安忠

液化天然气冷能的利用    宋翠红;吴烨;梁玉宏;高锦跃;王宁;冯丽丽;

无污染冷能制造方法    张肇富

利用液化天然气冷能空分新流程及模拟分析    聂江华;杨宏军;徐文东;林小闹;

接收站冷能空分的技术探讨    李钻;

自然冷能技术的开发和应用    赵作审

液化天然气冷能分析及其回收利用    王强,历彦忠,陈曦,吕希钢

液化天然气冷能利用    刘新武;

液化天然气冷能利用之发电技术浅析    沈清清;巨永林;

LNG冷量回收概述    赵亮;董辉;

LNG冷能发电方案的设计与优化    杨红昌;鹿院卫;马重芳;

LNG冷能利用方案的本质安全性评价    焦巍;夏力;李忠杰;项曙光;

LNG冷能价值核算方法及其应用研究    刘宗斌;郑惠平;尚巍;徐文东;

一种利用LNG冷能的空分流程    金滔;胡建军;

利用LNG冷能的冷冻冷藏库设计    盛青青;章学来;叶金;杨培莹;吕磊磊;

LNG冷能梯级利用系统优化研究    杨红昌;鹿院卫;马重芳;

LNG接收站的冷能利用技术    高文学;赵自军;项友谦;王启;

利用LNG冷能的多种温度冷库群技术方案    黄美斌;林文胜;顾安忠;

冷能热起来尚待时日    董雅俊

福建“冷能利用”出墙来    本报记者 王秋苹

冷能回收,从解冻废水中淘回五百万    记者 於豪杰

液化天然气冷能利用规划先行    本报记者 张兴刚

冷能也能回收利用吗？能!    王淑君 余美华

冷能利用成了循环经济热项目    蔡忠仁

首个液化天然气冷能利用项目开工建设    何平

我国首个液化天然气冷能利用项目开工    记者 瞿剑

中海油试水冷能产业    陈其珏

中国首个液化天然气冷能利用项目动工建设    陈祎淼

液化天然气冷能利用技术研究及其过程分析    边海军

利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环研究    饶文姬

正逆耦合循环系统及利用LNG冷能的低CO_2排放动力系统开拓研究    刘猛

液化天然气冷能利用的研究    罗惠芳

液化天然气冷能储存与回收热力循环蓄能研究    钟桦

废旧轮胎低温粉碎中液化天然气冷能利用研究    张花敏

液化天然气（LNG）冷能回收及应用研究    王竹筠

LNG冷能用于冷库—冷水的联合技术开发及应用研究    杨春

LNG卫星站冷能在建筑空调中的应用技术研究    赵原伟

液化天然气（LNG）冷能发电系统的优化研究    杨红昌

城市门站天然气调压过程中冷能的回收及应用研究    李静静

LNG卫星站冷能制冰工艺研究    况岱坪

提高LNG接收站冷能综合利用效率分析    孙磊