跨臨界COSTCO/發電系統在低溫回收領域具有很大的優勢，這是因為CO₂臨界參數較低(臨 界壓力為7. 38 MPa,臨界溫度為31.1°C),很容易實現超臨界狀態，使熱源的放熱溫度曲線和CO₂吸熱溫度曲線達到很好的匹配，提高了熱力循環的平均吸熱溫度，具有較高的能源轉換效率⑴。Chen等研究了應用于低溫余熱回收的TCO₂動力循環的性能，并與有機朗肯循環(ORC)做了比較，發現在相同熱源條件下回收低品質余熱，TCOz動力循環比 ORC的凈功率大⑵。之后,有學者開始將TCOz循環和其他熱力系統集成在一起，以提高總的能源利用效率。文獻［3-5］均設計了太陽能驅動的TCO, 循環，以實現低溫熱源的多級利用。Lin將TCO₂ 循環用于燃氣輪機的余熱回收⑹。近期，Wang等提出將TCO₂循環作為底循環，與超臨界CO₂布雷頓循環(SCO,循環)結合起來，將SCO₂-TCO₂聯合循環應用于反應堆系統，研究結果顯示系統熱效率可達到45.92%,比單獨SCO₂循環熱效率提高了 4 %和。

但是，由于CO?的臨界點溫度非常接近于環境溫度，用冷卻水對co₂進行冷凝有一定的限制，并且tco₂循環中冷凝溫度僅略低于C02的臨界點溫度，限制了 tco₂循環的回收熱效率，因此需要使用更低溫度的冷卻劑去冷凝CO_2o LNG因為溫度接近于112 K( —1610),已作為CO?的冷卻劑被用在熱力循環中

針對上述問題，本文提出了一種以LNG為冷源的SCO₂-TCO₂冷電聯供系統，應用于反應堆系統，實現對外輸出電能和制冷量。作為頂循環 SCO₂循環采用分流再壓縮式布雷頓循環，比簡單的SCO₂循環具有更高的熱效率，底循環采用TCO₂ 循環,實現對頂循環的余熱回收。TCOz循環采用 LNG對工質進行冷凝，由于冷凝溫度較低，泵出口的CO?溫度低于環境溫度，因此在循環中加入一個預熱器，作為制冷器來回收CO,的冷能，以產生制冷量。文中對該冷電聯供系統建立了數學模型，并進行了熱力學分析和畑分析。

1系統描述

1.1循環流程

圖1給出了以LNG為冷源的SCO₂-TCO₂冷電聯供系統的示意圖，該系統包括SCO₂頂循環和 TCO₂底循環兩個子系統，圖2給出了系統的溫-嫡

圖1以LNG為冷源的SCO₂-TCO₂冷電聯供系統流程圖

SCO?頂循環包括反應堆、透平、2個壓縮機、低溫回熱器、高溫回熱器和預冷器7個主要部件。如圖1所示：一部分CO₂氣體通過一級壓縮機被壓縮至高壓，在低溫回熱器中預熱至二級壓縮機出口溫度，并與二級壓縮機出口的CO?氣體混合；混合后的CO₂氣體繼續在高溫回熱器中加熱，然后經過反應堆加熱至循環最高溫度；高溫的超臨界C0₂氣體進入SCO?透平膨脹做功，輸岀電量，之后CO,氣體分別在高溫回熱器和低溫回熱器中換熱；經過低溫回熱器的CO,氣體分流,一部分CO?氣體在二級壓縮機中壓縮，另一部分CO?氣體在預冷器進一步降溫,將熱量傳遞給tco₂底循環。

TCO₂底循環包括透平、冷凝器、泵、制冷器4 個部件。工質經過預冷器吸收來自SCO?頂循環的低溫熱量，形成高溫的CO2,然后進入TCOz透平膨脹做功，輸出電量。透平排氣在冷凝器中冷凝， LNG作為冷源。LNG成為氣態后可進一步利用，

1.2數學模型

為了簡化系統的數學模型,本文做了如下假設:

(1) 系統處于穩定流動狀態；

(2) 系統中的設備與環境不進行換熱；

(3) 換熱器與連接管道的壓力損失可忽略不計;

(4) 冷凝器出口的工質為飽和液態。

基于以上假設，根據質量和能量守恒定律，可以對各設備建立數學模型。

表2給出了整個系統畑輸入、畑輸出及各個設備的畑損失，從表中可以看出，系統的畑輸入包括反應堆提供的熱量畑和LNG提供的冷量畑。冷凝器中的畑損最大，這是由冷凝器入口較大的溫度差引起的，并且溫度差越大，畑損越大⑷。因此，可以通 過升高LNG入口溫度來減小冷凝器中的畑損，可將LNG先通過其他方式進行預熱，例如用于干冰生產過程，然后再對SCO₂透平的排氣進行冷凝，實現LNG冷能的多級利用。經過計算，如果將LNG 入口溫度增加至一70 2,冷凝器的婦損將會從 91. 94 kW降至16. 54 kW,整個循環系統的畑效率將從40.83%增加至59.02%。同時，由于系統中制冷器的增加，減小了預冷器冷熱流體的溫差,從而降 低了預冷器的姍損。

表2系統畑輸入、畑輸出及各個設備的畑損失

圖3給出了高溫回熱器換熱效率對系統性能的影響，從圖中可以看出，隨著高溫回熱器換熱效率的升高，系統凈輸出功增加。高溫回熱器換熱效率升高意味著換熱器出口冷流體溫度升高，熱流體出口溫度降低，在反應堆吸熱量不變的情況下，SCOz循環中系統工質質量流量增加，系統做功增加，而制冷量隨著高溫回熱器換熱效率的增加而減小。這是因為預冷器入口工質溫度降低，引起TCO₂循環中的工質質量流量相應減小，因此制冷量減小。另外，由于系統凈輸出功的增加量大于制冷量的減小量，因此系統熱效率增加，同時也使得系統的畑效率增加。

圖3高溫回熱器換熱效率對系統性能的影響

圖4給出了 SCO₂透平膨脹比對系統性能的影響，從圖中可以看出，當SCO?透平膨脹比增加時, 系統凈輸出功增大,這是由SCO₂透平膨脹功、壓縮機（一級和二級）的耗功和TCO,循環凈輸出功三者共同作用所致。隨著SCO,透平膨脹比的增加, sco₂透平膨脹功增加，但壓縮機的耗功增加，一級壓縮機的工質質量流量減小，引起tco₂循環中工質質量流量減小，從而tco₂循環凈輸出功減小，但是sco₂透平膨脹功的增加量大于壓縮機耗功的增加量及TCOz循環凈輸出功的減小量之和。另外, 制冷量也隨著sco₂透平膨脹比的增加而減小，這是由于TCOz循環工質質量流量減小所致。當 sco₂透平膨脹比增加時，系統的熱效率隨之減小, 這是由系統凈輸出功、制冷量共同決定的，但制冷量 變化幅度較大，占主導作用。最后，系統的畑效率隨 sco_z透平膨脹比增加而增加，這主要是由系統輸入冷畑量大幅度減小引起的。

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圖4 SCO₂透平膨脹比對系統性能的影響

圖5給出了 TCO,透平進口壓力對系統性能的影響，從圖中可以看出，隨著TCO₂透平進口壓力的升高，系統凈輸出功率先增加后降低,存在一個最優 壓力使得系統的凈輸出功率最大。隨Teo?透平進口壓力升高,TCO₂循環工質質量流量相應增大, tco₂透平膨脹功增大，但是增壓泵的耗功也相應增加。系統凈輸出功率開始增大是因為TCOz透平膨脹功增大量大于增壓泵的耗功，系統凈輸出功率開始減小是因為TCO₂透平膨脹功增大量小于增壓泵的耗功。另外，隨TCOz透平進口壓力升高，增壓泵出口壓力升高，使得制冷器入口溫度升高，制冷量減少，但是由于TCO,循環工質質量流量也在增加, 因此在二者共同作用下系統制冷量先減小后增加。 當TCO₂透平進口壓力升高時，系統熱效率先減小再升高再減小，變化幅度比較小。這主要是因為系統凈輸出功和制冷量共同作用的結果，剛開始制冷量起主要作用，后來系統凈輸出功起主要作用。隨

著TCO₂透平進口壓力升高，系統嫻效率也呈現先減小再升高再減小的變化趨勢。這是因為系統畑效率受到系統凈輸出功、制冷畑以及LNG冷畑輸入量三者的共同作用，而LNG冷畑輸入量隨TCO₂ 透平進口壓力升高一直呈現增大趨勢，所以剛開始系統凈輸岀（動力+制冷）變化起主要作用，系統畑 效率變化趨勢與系統熱效率變化趨勢一致，后來 LNG冷畑輸入量變化起主要作用，導致系統畑效率

呈減小趨勢。

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圖5 TCOz透平進口壓力對系統性能的影響

圖6給出了冷凝溫度對系統性能的影響。隨著冷凝溫度升高，系統的凈輸出功減少，這是因為 tco₂透平出口壓力升高,tco₂透平膨脹功減小。制冷量隨著冷凝溫度升高而降低，是因為制冷器入口工質溫度升高，從而吸熱量減少。由于tco₂循環中做功與制冷量均減少，則系統熱效率也相應減小。另外，從圖6中還可看岀，當冷凝溫度升高，系統畑效率先減小后增加。這是因為當冷凝溫度升高時,LNG出口溫度降低，即LNG向系統輸入的冷畑量減少，且變化幅度小于制冷端的減少量，所以系統畑效率開始先減��；系統畑效率后來增加是因為 LNG向系統輸入的冷畑量的減小量大于制冷畑的

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圖6冷凝溫度對系統性能的影響

3結論

(1) 由于本文使用LNG作為冷源，降低了 TCO₂循環中CO₂的冷凝溫度，增加了透平的膨脹功，從而提高了系統的熱效率，系統的熱效率(動力) 在文中給定的條件下達到了 54. 47%。

(2) 通過畑分析模型可以對系統各設備畑損進行分析，為系統的性能改善及優化提供了依據。減小換熱器的兩端溫差，合理選擇LNG入口溫度，有利于減小換熱器的畑損，提高系統畑效率。

(3) 隨著SCO₂透平膨脹比增加，系統熱效率降低,但系統畑效率增加；隨著高溫回熱器換熱效率的 增加，系統熱效率和畑效率均增加；TCOz透平進口壓力及冷凝溫度對系統性能的影響規律則較為復雜。

目前，對以LNG為冷源的SCQ-TCQ冷電聯供系統研究處于熱力學基礎計算階段，下一步需要考慮經濟成本、系統安全穩定性等諸多問題，為實際系統應用提供理論依據。

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