太阳能驱动的“热-电-污”综合能源利用系统集成及运行特性研究

From the view of cross-disciplinary research of engineering thermophysics and environmental engineering, the utilization of renewable energy sources and efficient wastewater treatment technologies have been combined. The match relations between of supercritical CO2 Brayton cycle (SCO2), the organic Rankine cycle (ORC) and supercritical water oxidation (SCWO) will be analyzed, the integration principle of comprehensive energy utilization system combined heat, power and wastewater treatment will be presented from the viewpoint of energy cascade utilization. Supplying heat, power, and treating wastewater will be simultaneously conducted, the coordinating control of heat load, power load and wastewater load will be operated. The mechanisms of the key parameters on the system performances will be researched, the quantitative multi-objective evaluation criteria based on the thermodynamic performances, the economic performances and the environmental protection performances of the system will be proposed. The coordinated control strategy for the proposed comprehensive energy utilization system will be examed, the variable condition characteristics will also be studied. From the study, significant references can be provided to develop the high efficiency and multi-forms untilization theory of solar energy. The study will be significant for upgrading energy structure, reducing pollutant emission, and developing the low-carbon economy in terms of both academic and application aspects.

本项目立足于工程热物理与环境工程的学科交叉，将可再生能源利用与高效污水处理工艺有机结合，基于能量梯级利用的理念，在研究基于太阳能热利用的超临界CO2布雷顿循环（SCO2）、有机朗肯循环（ORC）及超临界水氧化污水处理技术（SCWO）之间的相互匹配关系的基础上，提出太阳能驱动的“热-电-污”综合能源利用系统一体化集成原理，实现向用户同时提供电能、热能的同时，进一步实现污水的高效处理；实现电负荷、热负荷和污水负荷的协调控制。阐明系统关键运行参数对系统性能影响的机理，综合考虑系统热力学性能、经济性能及环保性能，建立多目标定量化的系统评价标准，研究太阳能驱动的“热-电-污”综合能源利用系统的协调控制策略，揭示系统的变工况特性。项目的实施对于完善太阳能高效利用和多形式能量输出理论具有重要意义，对于优化我国能源结构、降低污染物排放、发展低碳经济具有重要科学意义和工程应用价值。

以超临界水氧化污水处理过程（SCWO）释放的反应热为能量来源之一，结合太阳能等其他可再生能源形式，采用有机朗肯循环（ORC）等新型动力循环为热功转换方式，从能量梯级利用的角度出发，构建“热-电-污”综合能源利用系统。首先，基于SCWO，建立不同形式的多联产系统，以不同浓度的乙二醇、甲醇为模拟污水，对不同结构的SCWO多联产系统进行建模仿真及对比分析，总结系统的运行特性；其次，在总结上述系统优缺点的基础上，建立一种基于SCWO的热-电-清洁水多联产系统并进行详细分析，获得的最大热效率为9.56％，产热效率、总效率和㶲效率分别为44.93％，53.47％和22.45％；接着，对系统的关键子系统——热功转换系统进行实验研究，探索其核心部件——膨胀机对系统输出性能的影响；设计3因素4水平系正交实验，通过稳态实验测试，总结系统关键运行参数对系统性能的影响规律，对系统的综合性能进行评估；最后，对系统的动态特性进行总结，测试ORC系统在故障状态下的动态性能，通过动态实验研究，对不同外界扰动下的系统的动态特性进行总结，为系统故障诊断及控制策略制定提供参考。