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

【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CO_2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CO_2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CO_2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CO_2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%。 【关键词】：系统集成 中低温太阳热能 二氧化碳零排放 能量梯级转换与利用 效率 经济性 环境影响
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM611.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-14
• 图目录14-17
• 表目录17-19
• 第1章 绪论19-37
• 1.1 研究背景与意义19-20
• 1.2 国内外研究进展20-34
• 1.2.1 中低温太阳能化石能源互补系统20-26
• 1.2.2 CO_2低排放的中低温太阳能化石能源互补系统26-31
• 1.2.3 水电联产系统31-34
• 1.3 本文研究内容与拟解决问题34-37
• 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37-51
• 2.1 概述37-41
• 2.2 中低温太阳能品位的间接提升41-44
• 2.2.1 从中低温太阳能到蒸汽内能41-43
• 2.2.2 从蒸汽内能到合成气化学能43-44
• 2.3 燃料的间接燃烧与化学能梯级利用机理44-48
• 2.3.1 甲烷直接燃烧的能量转化机理和品位分析46
• 2.3.2 甲烷间接燃烧的能量转化机理和品位分析46-48
• 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48-49
• 2.5 本章小结49-51
• 第3章 基于化学回热循环的水电联产系统研究51-75
• 3.1 概述51
• 3.2 甲烷新型水电联产系统的研究51-57
• 3.2.1 甲烷新型水电联产系统集成思路与原理51-52
• 3.2.2 甲烷新型水电联产系统流程概述52-53
• 3.2.3 系统关键参数与评价准则53-54
• 3.2.4 甲烷新型水电联产系统热力性能54-57
• 3.3 甲醇新型水电联产系统的研究57-61
• 3.3.1 甲醇新型水电联产系统集成思路与流程概述57-59
• 3.3.2 甲醇新型水电联产系统热力性能59-61
• 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61-65
• 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61-64
• 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64-65
• 3.5 新型水电联产系统热力性能的参数敏感性分析65-69
• 3.5.1 甲烷新型水电联产系统热力性能参数敏感性分析65-67
• 3.5.2 甲醇新型水电联产系统热力性能参数敏感性分析67-69
• 3.6 新型水电联产系统的经济性能69-72
• 3.7 本章小结72-75
• 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75-93
• 4.1 概述75
• 4.2 SOLRGT系统的集成思路与原理75-78
• 4.3 SOLRGT系统热力性能研究及与单输入发电系统的对比78-82
• 4.3.1 重要参数及评价准则78-79
• 4.3.2 系统模拟假设及模型79-80
• 4.3.3 SOLRGT系统热力性能80-81
• 4.3.4 与单输入发电系统热力性能的比较81-82
• 4.4 SOLRGT系统经济性能研究及与单输入发电系统的比较82-87
• 4.4.1 评估模型及评价准则82-84
• 4.4.2 SOLRGT系统经济性能84-85
• 4.4.3 与单输入发电系统经济性能的比较85-87
• 4.5 与单输入发电系统性能对比结果的参数敏感性分析87-90
• 4.5.1 太阳能输入份额X_(sol)的影响87-88
• 4.5.2 太阳倍数SM(系统年运行时间H)的影响88-89
• 4.5.3 单输入燃气蒸汽联合循环年运行时间H_(CC)的影响89-90
• 4.6 本章小结90-93
• 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93-107
• 5.1 概述93
• 5.2 已有中低温太阳能化石能源互补系统简介93-95
• 5.2.1 SSPRE系统简介93-94
• 5.2.2 Solar CC系统简介94-95
• 5.3 多能源互补系统热力性能评价准则探讨95-97
• 5.4 中低温太阳能化石能源互补系统热力性能研究97-99
• 5.5 中低温太阳能化石能源互补系统经济性能研究99-101
• 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101-106
• 5.6.1 热力性能参数敏感性分析102-105
• 5.6.2 经济性能参数敏感性分析105-106
• 5.7 本章小结106-107
• 第6章 CO_2低排放中低温太阳能化石能源互补系统的研究107-137
• 6.1 概述107
• 6.2 CO_2低排放多能源互补系统的集成思路107-109
• 6.2.1 能源系统集成CO_2分离的主要方式107-108
• 6.2.2 适合SOLRGT系统的CO_2分离途径108-109
• 6.3 CO_2低排放多能源互补系统的设计流程109-112
• 6.3.1 系统流程概述109-111
• 6.3.2 系统设计特点111-112
• 6.4 CO_2低排放多能源互补系统的评价准则及模拟112-118
• 6.4.1 系统热力性能关键参数及评价准则112-113
• 6.4.2 ZE-SOLRGT系统的模拟113-118
• 6.5 CO_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118-123
• 6.5.1 参比系统(OXY-REF系统)介绍118-119
• 6.5.2 系统热力性能的比较119-121
• 6.5.3 系统换热匹配的比较121-123
• 6.6 CO_2低排放多能源互补系统的(?)分析及与参比系统的比较123-127
• 6.6.1 系统(?)分析及与OXY-REF系统的比较123-125
• 6.6.2 系统(?)分析及与SOLRGT系统的比较125-127
• 6.7 CO_2低排放多能源互补系统的参数敏感性分析127-131
• 6.7.1 分流比SF_1的影响127-128
• 6.7.2 高压蒸汽透平进口压力p_(HPST)的影响128-130
• 6.7.3 重整反应水碳比R_(SN)的影响130-131
• 6.8 CO_2低排放多能源互补系统的经济性能131-136
• 6.8.1 系统总投资131-132
• 6.8.2 系统发电成本及回收期132-134
• 6.8.3 系统经济性能参数敏感性分析134-136
• 6.9 本章小结136-137
• 第7章 结论137-143
• 7.1 论文的主要成果137-140
• 7.2 论文的主要创新之处140-143
• 主要符号表143-144
• 参考文献144-157
• 攻读博士学位期间发表论文及专利157-158
• 博士学位论文科研项目背景158-159
• 附录说明159-160
• 附录1: 氨水功冷正逆耦合循环的经济性分析160-169
• 附录2: 动力/制冷正逆耦合循环的敏感性分析169-181
• 致谢181

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