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中低温太阳热能与化石能源互补系统集成及水电联产系统研究

2020-12-11阅读(773)

中低温太阳热能与化石能源互补系统集成及水电联产系统研究

论文摘要

总能系统是近年来提倡的高效清洁的能源转换与利用系统。在可持续发展的大背景下,能量综合梯级利用、与环境相容协调的总能系统,是21世纪能源动力系统发展的主流方向和前沿。本文依托国家自然科学基金项目和973项目等课题,从多能源互补、多产品联产的系统层面上,开展了中低温太阳能与化石能源互补系统、水电联产系统的关键过程品位互补及能量梯级利用机理、系统综合特性规律、系统集成创新等研究,提出了CO2低排放多能源互补系统、基于化学回热和低温多效蒸馏的新型水电联产系统,评估了新系统的经济环境效益,并提出了新的多能源互补系统的评价准则。为了创新集成高效环保的多能源互补系统,本文对中低温太阳能品位间接提升及燃料化学能梯级互补利用的机理展开了深入研究：建立中低温太阳能间接提升和燃料直接燃烧、间接燃烧两种能量释放途径的能量品位关联式,揭示中低温太阳能品位间接转换提升与化石燃料化学能品位降低的相关性,阐明间接燃烧过程（?）损失的减小。研究分析表明,在中低温太阳能加热蒸汽供甲烷重整反应所需、燃料间接燃烧的情况下,-220℃C中低温太阳能品位相对提升～1.2倍,相对甲烷直接燃烧,燃烧过程（?）损下降了8.4%。结合中低温太阳能化石能源互补系统SOLRGT（太阳能与蒸汽生产相集成的间冷化学回热循环）、SSPRE（太阳能与蒸汽生产相集成的回热朗肯循环）和Solar CC（太阳能与甲醇热解相集成的联合循环）,本文研究了中低温太阳能化石能源互补系统的集成思路、特性规律,并对评价准则进行了创新。针对SOLRGT系统,本文评估了其热力经济性能以及输入太阳能在系统中的影响,对比了同等输入下单输入发电系统（槽式太阳能热发电TSOL,（?）司冷回热循环IC-CRGT或燃气蒸汽联合循环CC）的热力经济性能,揭示了SOLRGT相对同输入下单输入发电系统的优势：对太阳能的利用更合理、更经济。如对比TSOL和CC,太阳能输入份额Xsol为20.3%时,SOLRGT相对发电成本节约率为16.6%,且随着Xsol增大而增大。为了表征中低温太阳能化石能源互补系统相对单输入发电系统的集成效果,本文提出了相对功增加（RGp）、相对碳减排（RDc）的评价准则,用于比较不同构造、不同太阳能输入份额、不同参数设置下中低温太阳能化石能源互补系统集成后的收益。经计算,SOLRGT与Solar CC都实现了相对单输入系统的良好集成效果,相对功增加以及相对碳减排分别达到了5-13%和5-11%。针对我国能源短缺、淡水匮乏的国情,本文开展了新型水电联产系统的集成研究,提出了结合化学回热循环CRGT与低温多效蒸馏海水淡化MED-TVC的新型水电联产系统CRGT+MED,搭建了不同燃料下联产系统的流程结构,对比了CRGT+MED与相同输入下已有水电联产系统、相同输出下分产系统的热力经济性能,分析了部分关键参数对系统性能的影响,揭示了新型水电联产系统CRGT+MED的优势所在：通过CRGT富余的排烟余热驱动MED-TVC,既无需牺牲CRGT效率,避免其高温排热的缺点,又使得MED-TVC产水无需另消耗高品位燃料,同时解决CRGT高水耗,实现了两者优势互补。燃料为甲烷时,CRGT+MED相对已有水电联产系统产水成本最低（1.37$/t）,回收期最短（4.0年）。燃料为甲醇时,系统结构改变,相对同输出分产系统,相对节能率达到了8.9%。从“物理能、化学能梯级互补利用”思想出发,本文在SOLRGT系统火用分析的基础上,以提高（?）效率为目标,开展CO2低排放中低温太阳能化石能源互补系统的集成研究,提出了与机理研究成果相印证的新型CO2低排放中低温太阳能化石能源互补系统集成方案ZE-SOLRGT。燃烧过程既是能量转化过程,亦是CO2产出过程,更是系统（?）损失最大过程；结合SOLRGT排放尾气蒸汽潜热损失较大的特点,ZE-SOLRGT引入纯氧燃烧,构建准联合循环,实现了C02近零排放与高效能量转化利用之间的一体化集成。相对SOLRGT,燃烧室火用损减少4.4%,尾气排放（?）损减少50.5%,基本工况下热效率提高3.6%,火用效率提高2.0%。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景与意义
  • 1.2 国内外研究进展
  • 1.2.1 中低温太阳能化石能源互补系统
  • 2低排放的中低温太阳能化石能源互补系统'>1.2.2 CO2低排放的中低温太阳能化石能源互补系统
  • 1.2.3 水电联产系统
  • 1.3 本文研究内容与拟解决问题
  • 第2章 中低温太阳能品位间接提升及燃料化学能梯级利用机理
  • 2.1 概述
  • 2.2 中低温太阳能品位的间接提升
  • 2.2.1 从中低温太阳能到蒸汽内能
  • 2.2.2 从蒸汽内能到合成气化学能
  • 2.3 燃料的间接燃烧与化学能梯级利用机理
  • 2.3.1 甲烷直接燃烧的能量转化机理和品位分析
  • 2.3.2 甲烷间接燃烧的能量转化机理和品位分析
  • 2.4 中低温太阳能品位间接提升与燃料化学能梯级利用的应用
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 基于化学回热循环的水电联产系统研究
  • 3.1 概述
  • 3.2 甲烷新型水电联产系统的研究
  • 3.2.1 甲烷新型水电联产系统集成思路与原理
  • 3.2.2 甲烷新型水电联产系统流程概述
  • 3.2.3 系统关键参数与评价准则
  • 3.2.4 甲烷新型水电联产系统热力性能
  • 3.3 甲醇新型水电联产系统的研究
  • 3.3.1 甲醇新型水电联产系统集成思路与流程概述
  • 3.3.2 甲醇新型水电联产系统热力性能
  • 3.4 新型水电联产系统与已有水电联产/分产系统的性能对比
  • 3.4.1 甲烷新型水电联产系统与已有水电联产系统的性能对比
  • 3.4.2 甲醇新型水电联产系统与水电分产系统的性能对比
  • 3.5 新型水电联产系统热力性能的参数敏感性分析
  • 3.5.1 甲烷新型水电联产系统热力性能参数敏感性分析
  • 3.5.2 甲醇新型水电联产系统热力性能参数敏感性分析
  • 3.6 新型水电联产系统的经济性能
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 中低温太阳能化石能源互补系统SOLRGT的特性规律研究
  • 4.1 概述
  • 4.2 SOLRGT系统的集成思路与原理
  • 4.3 SOLRGT系统热力性能研究及与单输入发电系统的对比
  • 4.3.1 重要参数及评价准则
  • 4.3.2 系统模拟假设及模型
  • 4.3.3 SOLRGT系统热力性能
  • 4.3.4 与单输入发电系统热力性能的比较
  • 4.4 SOLRGT系统经济性能研究及与单输入发电系统的比较
  • 4.4.1 评估模型及评价准则
  • 4.4.2 SOLRGT系统经济性能
  • 4.4.3 与单输入发电系统经济性能的比较
  • 4.5 与单输入发电系统性能对比结果的参数敏感性分析
  • sol的影响'>4.5.1 太阳能输入份额Xsol的影响
  • 4.5.2 太阳倍数SM（系统年运行时间H）的影响
  • CC的影响'>4.5.3 单输入燃气蒸汽联合循环年运行时间HCC的影响
  • 4.6 本章小结
  • 第5章 中低温太阳能化石能源互补系统的集成特性及评价准则研究
  • 5.1 概述
  • 5.2 已有中低温太阳能化石能源互补系统简介
  • 5.2.1 SSPRE系统简介
  • 5.2.2 Solar CC系统简介
  • 5.3 多能源互补系统热力性能评价准则探讨
  • 5.4 中低温太阳能化石能源互补系统热力性能研究
  • 5.5 中低温太阳能化石能源互补系统经济性能研究
  • 5.6 中低温太阳能化石能源互补系统性能参数敏感性分析
  • 5.6.1 热力性能参数敏感性分析
  • 5.6.2 经济性能参数敏感性分析
  • 5.7 本章小结
  • 2低排放中低温太阳能化石能源互补系统的研究'>第6章 CO2低排放中低温太阳能化石能源互补系统的研究
  • 6.1 概述
  • 2低排放多能源互补系统的集成思路'>6.2 CO2低排放多能源互补系统的集成思路
  • 2分离的主要方式'>6.2.1 能源系统集成CO2分离的主要方式
  • 2分离途径'>6.2.2 适合SOLRGT系统的CO2分离途径
  • 2低排放多能源互补系统的设计流程'>6.3 CO2低排放多能源互补系统的设计流程
  • 6.3.1 系统流程概述
  • 6.3.2 系统设计特点
  • 2低排放多能源互补系统的评价准则及模拟'>6.4 CO2低排放多能源互补系统的评价准则及模拟
  • 6.4.1 系统热力性能关键参数及评价准则
  • 6.4.2 ZE-SOLRGT系统的模拟
  • 2低排放多能源互补系统的热力性能及与参比系统的比较'>6.5 CO2低排放多能源互补系统的热力性能及与参比系统的比较
  • 6.5.1 参比系统（OXY-REF系统）介绍
  • 6.5.2 系统热力性能的比较
  • 6.5.3 系统换热匹配的比较
  • 2低排放多能源互补系统的（?）分析及与参比系统的比较'>6.6 CO2低排放多能源互补系统的（?）分析及与参比系统的比较
  • 6.6.1 系统（?）分析及与OXY-REF系统的比较
  • 6.6.2 系统（?）分析及与SOLRGT系统的比较
  • 2低排放多能源互补系统的参数敏感性分析'>6.7 CO2低排放多能源互补系统的参数敏感性分析
  • 1的影响'>6.7.1 分流比SF1的影响
  • HPST的影响'>6.7.2 高压蒸汽透平进口压力pHPST的影响
  • SN的影响'>6.7.3 重整反应水碳比RSN的影响
  • 2低排放多能源互补系统的经济性能'>6.8 CO2低排放多能源互补系统的经济性能
  • 6.8.1 系统总投资
  • 6.8.2 系统发电成本及回收期
  • 6.8.3 系统经济性能参数敏感性分析
  • 6.9 本章小结
  • 第7章 结论
  • 7.1 论文的主要成果
  • 7.2 论文的主要创新之处
  • 主要符号表
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表论文及专利
  • 博士学位论文科研项目背景
  • 附录说明
  • 附录1: 氨水功冷正逆耦合循环的经济性分析
  • 附录2: 动力/制冷正逆耦合循环的敏感性分析
  • 致谢

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