跨临界COSTCO/发电系统在低温回收领域具有很大的优势，这是因为CO₂临界参数较低(临 界压力为7. 38 MPa,临界温度为31.1°C),很容易实现超临界状态，使热源的放热温度曲线和CO₂吸热温度曲线达到很好的匹配，提高了热力循环的平均吸热温度，具有较高的能源转换效率⑴。Chen等研究了应用于低温余热回收的TCO₂动力循环的性能，并与有机朗肯循环(ORC)做了比较，发现在相同热源条件下回收低品质余热，TCOz动力循环比 ORC的净功率大⑵。之后,有学者开始将TCOz循环和其他热力系统集成在一起，以提高总的能源利用效率。文献［3-5］均设计了太阳能驱动的TCO, 循环，以实现低温热源的多级利用。Lin将TCO₂ 循环用于燃气轮机的余热回收⑹。近期，Wang等提出将TCO₂循环作为底循环，与超临界CO₂布雷顿循环(SCO,循环)结合起来，将SCO₂-TCO₂联合循环应用于反应堆系统，研究结果显示系统热效率可达到45.92%,比单独SCO₂循环热效率提高了 4 %和。

但是，由于CO?的临界点温度非常接近于环境温度，用冷却水对co₂进行冷凝有一定的限制，并且tco₂循环中冷凝温度仅略低于C02的临界点温度，限制了 tco₂循环的回收热效率，因此需要使用更低温度的冷却剂去冷凝CO_2o LNG因为温度接近于112 K( —1610),已作为CO?的冷却剂被用在热力循环中

针对上述问题，本文提出了一种以LNG为冷源的SCO₂-TCO₂冷电联供系统，应用于反应堆系统，实现对外输出电能和制冷量。作为顶循环 SCO₂循环采用分流再压缩式布雷顿循环，比简单的SCO₂循环具有更高的热效率，底循环采用TCO₂ 循环,实现对顶循环的余热回收。TCOz循环采用 LNG对工质进行冷凝，由于冷凝温度较低，泵出口的CO?温度低于环境温度，因此在循环中加入一个预热器，作为制冷器来回收CO,的冷能，以产生制冷量。文中对该冷电联供系统建立了数学模型，并进行了热力学分析和畑分析。

1系统描述

1.1循环流程

图1给出了以LNG为冷源的SCO₂-TCO₂冷电联供系统的示意图，该系统包括SCO₂顶循环和 TCO₂底循环两个子系统，图2给出了系统的温-嫡

图1以LNG为冷源的SCO₂-TCO₂冷电联供系统流程图

SCO?顶循环包括反应堆、透平、2个压缩机、低温回热器、高温回热器和预冷器7个主要部件。如图1所示：一部分CO₂气体通过一级压缩机被压缩至高压，在低温回热器中预热至二级压缩机出口温度，并与二级压缩机出口的CO?气体混合；混合后的CO₂气体继续在高温回热器中加热，然后经过反应堆加热至循环最高温度；高温的超临界C0₂气体进入SCO?透平膨胀做功，输岀电量，之后CO,气体分别在高温回热器和低温回热器中换热；经过低温回热器的CO,气体分流,一部分CO?气体在二级压缩机中压缩，另一部分CO?气体在预冷器进一步降温,将热量传递给tco₂底循环。

TCO₂底循环包括透平、冷凝器、泵、制冷器4 个部件。工质经过预冷器吸收来自SCO?顶循环的低温热量，形成高温的CO2,然后进入TCOz透平膨胀做功，输出电量。透平排气在冷凝器中冷凝， LNG作为冷源。LNG成为气态后可进一步利用，

1.2数学模型

为了简化系统的数学模型,本文做了如下假设:

(1) 系统处于稳定流动状态；

(2) 系统中的设备与环境不进行换热；

(3) 换热器与连接管道的压力损失可忽略不计;

(4) 冷凝器出口的工质为饱和液态。

基于以上假设，根据质量和能量守恒定律，可以对各设备建立数学模型。

表2给出了整个系统畑输入、畑输出及各个设备的畑损失，从表中可以看出，系统的畑输入包括反应堆提供的热量畑和LNG提供的冷量畑。冷凝器中的畑损最大，这是由冷凝器入口较大的温度差引起的，并且温度差越大，畑损越大⑷。因此，可以通 过升高LNG入口温度来减小冷凝器中的畑损，可将LNG先通过其他方式进行预热，例如用于干冰生产过程，然后再对SCO₂透平的排气进行冷凝，实现LNG冷能的多级利用。经过计算，如果将LNG 入口温度增加至一70 2,冷凝器的婦损将会从 91. 94 kW降至16. 54 kW,整个循环系统的畑效率将从40.83%增加至59.02%。同时，由于系统中制冷器的增加，减小了预冷器冷热流体的温差,从而降 低了预冷器的姗损。

表2系统畑输入、畑输出及各个设备的畑损失

图3给出了高温回热器换热效率对系统性能的影响，从图中可以看出，随着高温回热器换热效率的升高，系统净输出功增加。高温回热器换热效率升高意味着换热器出口冷流体温度升高，热流体出口温度降低，在反应堆吸热量不变的情况下，SCOz循环中系统工质质量流量增加，系统做功增加，而制冷量随着高温回热器换热效率的增加而减小。这是因为预冷器入口工质温度降低，引起TCO₂循环中的工质质量流量相应减小，因此制冷量减小。另外，由于系统净输出功的增加量大于制冷量的减小量，因此系统热效率增加，同时也使得系统的畑效率增加。

图3高温回热器换热效率对系统性能的影响

图4给出了 SCO₂透平膨胀比对系统性能的影响，从图中可以看出，当SCO?透平膨胀比增加时, 系统净输出功增大,这是由SCO₂透平膨胀功、压缩机（一级和二级）的耗功和TCO,循环净输出功三者共同作用所致。随着SCO,透平膨胀比的增加, sco₂透平膨胀功增加，但压缩机的耗功增加，一级压缩机的工质质量流量减小，引起tco₂循环中工质质量流量减小，从而tco₂循环净输出功减小，但是sco₂透平膨胀功的增加量大于压缩机耗功的增加量及TCOz循环净输出功的减小量之和。另外, 制冷量也随着sco₂透平膨胀比的增加而减小，这是由于TCOz循环工质质量流量减小所致。当 sco₂透平膨胀比增加时，系统的热效率随之减小, 这是由系统净输出功、制冷量共同决定的，但制冷量 变化幅度较大，占主导作用。最后，系统的畑效率随 sco_z透平膨胀比增加而增加，这主要是由系统输入冷畑量大幅度减小引起的。

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图4 SCO₂透平膨胀比对系统性能的影响

图5给出了 TCO,透平进口压力对系统性能的影响，从图中可以看出，随着TCO₂透平进口压力的升高，系统净输出功率先增加后降低,存在一个最优 压力使得系统的净输出功率最大。随Teo?透平进口压力升高,TCO₂循环工质质量流量相应增大, tco₂透平膨胀功增大，但是增压泵的耗功也相应增加。系统净输出功率开始增大是因为TCOz透平膨胀功增大量大于增压泵的耗功，系统净输出功率开始减小是因为TCO₂透平膨胀功增大量小于增压泵的耗功。另外，随TCOz透平进口压力升高，增压泵出口压力升高，使得制冷器入口温度升高，制冷量减少，但是由于TCO,循环工质质量流量也在增加, 因此在二者共同作用下系统制冷量先减小后增加。 当TCO₂透平进口压力升高时，系统热效率先减小再升高再减小，变化幅度比较小。这主要是因为系统净输出功和制冷量共同作用的结果，刚开始制冷量起主要作用，后来系统净输出功起主要作用。随

着TCO₂透平进口压力升高，系统娴效率也呈现先减小再升高再减小的变化趋势。这是因为系统畑效率受到系统净输出功、制冷畑以及LNG冷畑输入量三者的共同作用，而LNG冷畑输入量随TCO₂ 透平进口压力升高一直呈现增大趋势，所以刚开始系统净输岀（动力+制冷）变化起主要作用，系统畑 效率变化趋势与系统热效率变化趋势一致，后来 LNG冷畑输入量变化起主要作用，导致系统畑效率

呈减小趋势。

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图5 TCOz透平进口压力对系统性能的影响

图6给出了冷凝温度对系统性能的影响。随着冷凝温度升高，系统的净输出功减少，这是因为 tco₂透平出口压力升高,tco₂透平膨胀功减小。制冷量随着冷凝温度升高而降低，是因为制冷器入口工质温度升高，从而吸热量减少。由于tco₂循环中做功与制冷量均减少，则系统热效率也相应减小。另外，从图6中还可看岀，当冷凝温度升高，系统畑效率先减小后增加。这是因为当冷凝温度升高时,LNG出口温度降低，即LNG向系统输入的冷畑量减少，且变化幅度小于制冷端的减少量，所以系统畑效率开始先减小；系统畑效率后来增加是因为 LNG向系统输入的冷畑量的减小量大于制冷畑的

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图6冷凝温度对系统性能的影响

3结论

(1) 由于本文使用LNG作为冷源，降低了 TCO₂循环中CO₂的冷凝温度，增加了透平的膨胀功，从而提高了系统的热效率，系统的热效率(动力) 在文中给定的条件下达到了 54. 47%。

(2) 通过畑分析模型可以对系统各设备畑损进行分析，为系统的性能改善及优化提供了依据。减小换热器的两端温差，合理选择LNG入口温度，有利于减小换热器的畑损，提高系统畑效率。

(3) 随着SCO₂透平膨胀比增加，系统热效率降低,但系统畑效率增加；随着高温回热器换热效率的 增加，系统热效率和畑效率均增加；TCOz透平进口压力及冷凝温度对系统性能的影响规律则较为复杂。

目前，对以LNG为冷源的SCQ-TCQ冷电联供系统研究处于热力学基础计算阶段，下一步需要考虑经济成本、系统安全稳定性等诸多问题，为实际系统应用提供理论依据。

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