CO₂跨临界热泵循环与朗肯循环耦合系统性能分析

　　引 言

　　电站运行时不仅大量的冷凝热从凝汽器被循环水带走，而且向大气排放大量的 CO₂。朗肯循环中大约 55% ～70%的热量由凝汽器耗散在环境中，且汽轮机排气温度接近环境温度，凝汽器冷凝水因与环境温差小，采用传统的余热回收方式具有一定的局限性。热泵循环在 小温差下的效率较高，可以将热泵从凝汽器冷凝水中回收的热量加热锅炉给水，提高其温度，进而提高耦合系统效率。CO₂属于环境友好性的制冷剂，单位容积制冷量大，其用于跨临界循环时不仅温度滑移大，而且排气温度较高，特别适宜热泵循环。

　　本研究提出跨临界 CO₂热泵和朗肯循环耦合实现凝汽器的余热回收［2 ～5］。其原理是利用汽轮机的一部分功供给压缩机来驱动热泵循环，并把从凝汽器回收的热能用于提高锅炉给水温度，进而提高耦合系统的效率。CO₂热泵循环不仅实现了回收凝汽器的余热，同时也减少了 CO₂的排放。对朗肯循环、再热循环和耦合系统进行了热力学分析，为最大限度的提高电厂效率提供理论依据。

　　1 跨临界 CO₂热泵循环和朗肯循环耦合系统组成及热力学分析

　　1． 1 系统组成

　　朗肯循环、再热循环及耦合循环主要包括锅炉、汽轮机( 高、低压) 、冷凝蒸发器、气液分离器、除氧器、水泵、压缩机、气体冷却器、节流阀。图 1 ～ 图 3给出了朗肯循环、再热循环和耦合循环的原理和 T－ s 图。

　　1． 1． 1 朗肯循环

　　图 1 为朗肯循环的原理图和 T － s 图。

　　1． 1． 2 再热循环

　　新蒸汽体积膨胀使蒸汽压力升高，达到某一中间压力值后，部分蒸汽被抽出汽轮机，导入锅炉中的再热器或其它换热设备中，使之再加热，然后返回到汽轮机继续膨胀直至蒸汽压力达到背压。

　　1． 1． 3 耦合循环

　　耦合循环是 CO₂跨临界热泵循环与郎肯循环耦合而成，利用 CO₂跨临界热泵将朗肯循环中乏汽冷凝释放出的热量回收，用来加热锅炉给水，提高给水温度，从而提高循环的效率。

　　2 3 种循环的热力学计算

　　2． 1 循环效率计算方法

　　( 1) 朗肯循环

　　式中: h₁—1 点的焓值; h_2，act—2 点的实际焓值; h₄—4 点的焓值。

　　( 2) 再热循环

　　式中: h₃、h₇—3 点、7 点的焓值; h8，act—8 点的实际焓值。

　　( 3) 耦合循环