文章来源

作者：Yingzong Liang, Jiansheng Chen, Xianglong Luo, Jianyong Chen, hi Yang, Ying Chen.

论文题目：Simultaneous optimization of combined supercritical CO₂ Brayton cycle and organic Rankine cycle integrated with concentrated solar power system [J].

期刊号：Journal of Cleaner Production,2020,266

全文导读

本文研究了一种新型的超临界二氧化碳（英文简称sCO₂）布雷顿循环-有机朗肯循环与熔盐太阳能塔式热发电系统的联合优化。sCO₂布雷顿循环采用两级压缩中冷设计。有机朗肯循环作为底部循环，以回收布雷顿循环的废热，从而产生额外的动力。由于其复杂性，集成系统涉及多个自由度，这使得使用元启发式方法进行优化具有挑战性。为了解决这个问题，本文开发了一个基于方程的模型，该模型可以同时优化集成系统的流体热力学性质和流程质量/热平衡。

本文将该问题描述为一个非线性规划模型，并提出了一种定制的两步求解策略以提高其求解效率。数值研究表明了所提出的优化方法的有效性，以及集成系统的效率的准确性。模型的求解时间小于224 CPU秒。

结果表明，与文献结果相比，该方法可增加高达3.6%的热效率；与再压缩循环相比，优化的中冷设计将净功率输出提高了2.7%；再压缩循环-有机朗肯循环设计增长了3.5%；联合中冷循环-有机朗肯循环设计总共增长了4.4%。

图1 集成CSP-sCO₂中冷布雷顿循环-ORC系统流程图

图2 集成CSP-sCO₂再压缩布雷顿循环-ORC系统流程图

结果讨论

sCO₂布雷顿循环采用中冷设计，以降低CO₂压缩能耗。增加了一个ORC循环，以进一步利用布雷顿循环冷却器排出的废热发电。为了使集成系统的输出功率最大化，本文建立了基于方程的NLP模型。采用定制的两步策略来推动模型解决方案。三个计算研究证明了同步优化方法和集成设计方案的有效性。

与参考结果相比，同步法的总体效率相对提高了2%～4%。结果表明，中冷有利于提高系统的性能，与再压缩设计相比，中冷使系统的净输出功率提高了2.7%。布雷顿循环附加ORC使净功率输出增加了3.6%～4.4%。

本文还进行了灵敏度分析，以深入了解集成系统设计：研究发现890～910K左右的涡轮进口温度为太阳能接收器效率和布雷顿循环效率提供了良好的平衡；压缩机入口压力（7.55～8.13MPa）略高于CO₂临界压力（7.38MPa），有利于提高系统效率；中冷设计在第一级压缩时首选较低的压力比，在第二级压缩时首选较高的压力比。

考虑到CSP装置的经济、能源和环境性能，未来的研究将扩展到整个CSP装置的多目标优化。且为涡轮机、回热器和具有动态太阳辐射和热能存储的集中式太阳能子系统开发优化友好的模型是很有必要的。此外，综合系统的同时优化将会考虑复杂的权衡，包括系统的投资、运营成本、利润和对环境的影响。