【摘要】：優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及開發(fā)新能源是解決目前所面臨的能源短缺及環(huán)境污染問題的重要手段。我國未來20年將大量進(jìn)口液化天然氣(LNG，liquefied natural gas)，LNG使用前需氣化成天然氣，過程釋放大量的冷能。新能源中太陽能是最為原始和直接的清潔能源。利用LNG冷能及中低溫太陽能都可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)及節(jié)約能源，具有非常重要的意義，既符合我國向節(jié)能型社會發(fā)展的國策，又具有極其深遠(yuǎn)的社會和戰(zhàn)略意義。 針對常規(guī)以水或空氣作為冷源的低溫太陽能有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC，organicRankine cycle)熱效率低和用海水氣化LNG造成大量冷能浪費(fèi)及海洋生態(tài)破壞問題，本文創(chuàng)新地提出將低溫太陽能與LNG冷能聯(lián)合起來應(yīng)用，建立了聯(lián)合動力循環(huán)模型。緊接著對該循環(huán)進(jìn)行了工質(zhì)選取、循環(huán)比較、循環(huán)優(yōu)化和火用及經(jīng)濟(jì)性分析。通過上述工作，得到了如下結(jié)論。 1)綜合考慮循環(huán)系統(tǒng)熱效率、火用效率、太陽能集熱器面積、透平體積流率以及工質(zhì)質(zhì)量流率五個指標(biāo)，對循環(huán)進(jìn)行最優(yōu)工質(zhì)選取。結(jié)果表明，使用R143a、丙烷和丙烯這三種工質(zhì)時的聯(lián)合循環(huán)性能較其它13種工質(zhì)好，為新型聯(lián)合循環(huán)最適用工質(zhì)。增加回?zé)崞骱�，不論何種工質(zhì)，循環(huán)系統(tǒng)性能都增加。工質(zhì)不同增加回?zé)崞骱蟮男Ч膊煌�，使用R116的循環(huán)性能提升最大，乙烯、R218及乙烷次之，然而R143a、丙烷及丙烯依然為循環(huán)的最適用工質(zhì)。 2)在同等凈功輸出下，對新型聯(lián)合循環(huán)和傳統(tǒng)的以水為冷源的太陽能ORC及LNG直接膨脹循環(huán)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，新型聯(lián)合動力循環(huán)與傳統(tǒng)太陽能ORC及LNG直接膨脹循環(huán)相比性能更優(yōu)，主要表現(xiàn)在新循環(huán)具有更大的循環(huán)系統(tǒng)熱效率及火用效率，更小的工質(zhì)質(zhì)量流量及換熱面積。 3)基于遺傳算法對該新型聯(lián)合動力循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程選取的目標(biāo)函數(shù)為循環(huán)系統(tǒng)熱效率及火用效率，優(yōu)化參數(shù)有循環(huán)蒸發(fā)壓力(Pe)、冷凝溫度(Tc)、LNG氣化壓力(Pn3)以及LNG供氣壓力(Pn5)。結(jié)果顯示，存在最佳循環(huán)蒸發(fā)壓力、LNG氣化壓力、LNG供氣壓力及冷凝溫度，且工況發(fā)生變化時，最佳值也發(fā)生變化，分析結(jié)果表明這些變化總是在一定的范圍內(nèi)。最優(yōu)蒸發(fā)壓力的范圍為1.4MPa~2.8MPa；最優(yōu)LNG氣化壓力的范圍為3MPa~4.2MPa；最優(yōu)冷凝溫度的范圍為193K~208K；最優(yōu)LNG供氣壓力在0.3MPa附近。循環(huán)火用效率最大(A點(diǎn))與系統(tǒng)熱效率(B點(diǎn))最大的點(diǎn)不同，A點(diǎn)及B點(diǎn)為循環(huán)單目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)工況點(diǎn)，兩者對應(yīng)的工況都不能作為循環(huán)的最優(yōu)工況點(diǎn)。經(jīng)分析得到了多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)工況點(diǎn)(O點(diǎn))，其所對應(yīng)的工況為：Pe=2.201MPa，Pn3=3.398MPa，Tc=-64.9℃，Pn5=0.305MPa。 4)循環(huán)所使用的熱源為太陽能，太陽能集熱器的選型及傾斜角度對循環(huán)性能都有很大的影響，因此本文對此也進(jìn)行了分析。結(jié)果指出太陽能集熱器模型不同，循環(huán)性能也不同，應(yīng)選取瞬時效率截距較大的太陽能集熱器。常規(guī)非聚光太陽能集熱器的最佳傾角隨著時間點(diǎn)、日子數(shù)及地點(diǎn)都是變化的，使用這種集熱器時必需配置太陽能跟蹤系統(tǒng)。CPC(compound parabolic collector)聚焦裝置不需要對太陽軌跡即時跟蹤，只需要季節(jié)性調(diào)整CPC傾角，本文通過模擬得到了不同地點(diǎn)各月、季、半年及年最佳傾角及年輻射增量。結(jié)果表明，輻射增加幅度最大的為按月調(diào)整集熱器傾角，而按季度調(diào)整、半年調(diào)整及固定傾角調(diào)整三種方式增加的幅度相差不大。 5)為尋找循環(huán)的最薄弱環(huán)節(jié)，對循環(huán)進(jìn)行了詳細(xì)的火用分析。結(jié)果表明，循環(huán)換熱部件的火用損最大，占循環(huán)總火用損的75%，透平占循環(huán)總火用損的25%，而泵的火用損可以忽略不計。集熱器為循環(huán)中最薄弱的部件，冷凝器與換熱器HX次之。冷凝器及換熱器HX中火用損的產(chǎn)生主要是由于冷熱流體能量品位的差異太大。冷凝器可通過減少LNG與工質(zhì)的換熱溫差來減少火用損，換熱器HX則應(yīng)通過利用剩余冷能減少火用損。 6)當(dāng)循環(huán)透平1的凈輸出功為100kW時，循環(huán)的單位發(fā)電量成本為0.0504$/kWh，運(yùn)行該循環(huán)可得0.0784$/kWh的利潤，循環(huán)的投資回收期為5.38年。此外，本文引入火用經(jīng)濟(jì)性分析法對循環(huán)進(jìn)行分析，結(jié)果表明循環(huán)的總經(jīng)濟(jì)因子為6.21%，超過90%的系統(tǒng)費(fèi)用與火用損有關(guān)系，需通過降低循環(huán)總火用損或增加循環(huán)的非能耗費(fèi)用來提高循環(huán)系統(tǒng)的火用經(jīng)濟(jì)性能。 7)新型聯(lián)合動力循環(huán)中LNG冷能還有一定的利用空間，且太陽能作為熱源的穩(wěn)定性不高，為此，本文提出了相應(yīng)的措施來提高循環(huán)的性能。提出將該循環(huán)與空氣分離系統(tǒng)及冷庫聯(lián)合起來用以提高循環(huán)的冷能利用率，而增加蓄熱裝置或進(jìn)行燃料補(bǔ)給來避免由太陽能不穩(wěn)定性引起的問題。
【圖文】：

煤和燃油分別減少了80%和72%[4]。圖1.1[5]為我國19世紀(jì)末到2030年的天然氣供應(yīng)情況，從圖中可以看出，到2030年，中國頁巖氣產(chǎn)量預(yù)計將增至60億立方英尺/日，占中國天然氣產(chǎn)量的20%，，中國生產(chǎn)天然氣的能力大大增加。然而由圖1.2[5]可以看出，中國天然氣消費(fèi)將迅猛增長，到2030年，將超過歐盟天然氣的市場總量，全球天然氣需求增長的76%來自非經(jīng)合組織市場，僅中國就在增長中占據(jù)25%的比重

圖1.2 2030年各地區(qū)天然氣需求量Fig.1.2 Demand for gas by region until 203式主要有管道輸送（PNG，pipe nCNG，compressrd natural gas）輸送氣水合物（NGH，natural has hydra已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，然而鋪然氣工業(yè)投資的1/3[7]。CNG通過加容器內(nèi)進(jìn)行儲運(yùn)，其儲運(yùn)壓力高，增加了天然氣的運(yùn)輸成本[8]。ANG是Pa左右)、溫度不太低(接近常溫)的但吸附劑壽命短，吸附周期長，擴(kuò)天然氣在一定的壓力和溫度條件與]�，F(xiàn)階段NGH的生產(chǎn)、儲運(yùn)及再氣
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK019;TK519

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2664997