基于太阳能-液化天然气联合发电系统的热能与冷能综合高效利用基础研究

Solar-liquefied natural gas (LNG) hybrid power generation system holds great potential for combined utilization of solar heat energy and LNG cold energy. However, there is little research on the basic theory of combined heat and cold energy utilization. In this research, the effect of the key parameter on the system performance, the energy transfer, the energy loss distribution and classification will be studied to increase the system efficiency. Moreover, working fluids with low boiling points are more suitable for combined heat and cold energy utilization, but there are no general approaches for working fluid selection. In this study, a general method for substance selection will be proposed concerning the thermodynamic property, environment-friendly potential and the safety potential. A computer program will be developed for working fluid selection. With the theory of combined heat and cold energy utilization and the working fluid selection software, the solar-LNG hybrid power generation system will be established. Parameter analysis and optimization will be conducted. The dynamic characteristic and the off-design performance will be investigated via the dynamic simulation. The control and safety protection strategy will be presented. The research results will help expending the theory of combined heat and cold energy utilization, developing the approaches for working fluid selection and providing advice for the design and operation of the solar-LNG hybrid power generation system.

太阳能-液化天然气（LNG）联合发电系统能综合利用太阳能热能和LNG冷能，具有广阔的应用前景。但目前尚缺乏热能与冷能综合利用的基础理论。本课题通过分析热力参数对系统性能的影响、系统内部能量传递流程、能量损失分布及能量损失方式，探究降低能量损失的方法，开展跨环境温度下热能与冷能综合高效利用的基础研究。此外，低沸点工质更适用于热能与冷能综合利用系统，但目前有关低沸点工质的选择尚无统一方法。本研究根据低沸点工质的做功能力、环境友好性和安全性，建立具有通用性的低沸点工质筛选机制并开发相应的工质选择软件。依据上述基础研究，建立太阳能-LNG联合发电系统，进行热力参数影响分析及优化，并通过动态仿真研究系统的动态特性和变工况特性，进而制定出适宜的控制和安保策略。研究成果有助于完善热能和冷能综合高效利用的基础理论，丰富和发展低沸点工质选择机制，并对太阳能-LNG联合发电系统的建立具有重要的指导意义。

由于煤改气工作的大力实施，我国天然气消费呈爆发式增长。液化天然气是我国天然气的主要进口源之一，进口量逐年增加。液化天然气（LNG）存储温度为-162℃，蕴含极大的冷量㶲。发电是高效快捷利用LNG冷量㶲的主要方式之一。将太阳能、工业余热等中低温热源与LNG相合，可同时实现热能与冷能的充分利用，具有广阔的应用前景。本项目建立了适用于热能与冷能综合发电的包含直接膨胀循环的单级有机朗肯循环（ORC）、双级并联ORC及双级串联ORC的计算模型，提出了适用于所研究系统的工质选择方法。针对中低温热源温度及天然气分布压力受热源种类及天然气下游用户的不同而变化范围较大的情况，通过粒子群算法分别对不同热源温度及天然气分布压力下系统中的主要参数进行了多参数优化，获得了不同条件下以㶲效率最大为目标的最优工质及相应的最优参数。研究结果表明，工质的临界温度与常压沸点温度是工质选择的重要指标。适宜工质的临界温度与热源温度相关，不宜低于热源温度70℃；而其常压沸点温度越低越好。直接膨胀循环的加入可通过调节LNG蒸发压力来控制ORC系统与直接膨胀循环间的功率分配，结果表明该LNG蒸发压力存在最优值，且最优值随着热源温度、天然气分布压力及工质的不同而变化。此外，本项目通过模块化建模方法建立了单级ORC的非线性动态仿真模型，研究了系统在热源温度及LNG流量扰动下膨胀机入口压力分别处于定压运行及滑压运行时的动态响应。结果表明系统在变工况运行时效率下降较大，应采用滑压运行方式以减缓效率的下降。