经济性分析：二氧化碳动力循环系统

在实际应用二氧化碳动力循环时，经济性指标是一个影响最终决策的重要因素。二氧化碳动力循环系统的经济性评估可采用前面的经济性模型，计算出每一个部件的投资成本。对工质泵、涡轮、管壳式换热器、管翅/板翅式换热器和板式换热器等，可采用基于CEPCI指数的计算模型［43］。部件在常压下采用碳钢建造的基本成本可表示为

式中，X为部件的评估指标，对泵和涡轮为额定功率，对换热器为换热面积，Ki为关联系数。

压力校正因子Fp可根据下式计算：

修正后的部件成本为

式中，F M为材料修正因子。

对PCHE的投资成本可由下式估算［44］：

式中，L、W、H分别为PCHE的长、宽和高。(www.xing528.com)

传统的粉煤发电厂的烟气余热采用低压经济器回收，此部分烟气余热用于预热朗肯循环中冷凝后的水。Liu等采用二氧化碳超临界布雷顿循环回收一座600 MW的粉煤发电厂的烟气余热［45］。对二氧化碳超临界布雷顿循环的经济性进行分析，结果显示二氧化碳超临界布雷顿循环不但可降低系统的能耗，而且系统的资本回收期为3.067年，在系统寿命为20年的条件下净现值可达1 613.2万美元。针对内燃机的排气余热回收，Wang等采用经济分析方法研究了单级、二级和三级二氧化碳跨临界朗肯循环的性能［46］。首先针对3种系统构型，以净输出功率和平均发电成本为目标，采用遗传算法对系统最高工作压力和温度、换热器出口状态和夹点温差等工作参数进行优化。在发动机的排气温度为470℃，排气流量为15 673 kg/h的条件下，分析得到的3种系统构型的Pareto前锋如图7-47（a）所示。根据该结果，综合考虑净输出功率和平均发电成本，选取一组最佳的工作参数。发动机排气温度变化对3种系统构型的优化结果的影响如图7-47（b）所示。在整个排气温度范围内，单级二氧化碳跨临界朗肯循环有很好的经济性，随着排气温度的降低，其优势更加明显，二级循环仅在排气温度高于530℃时才具有较好的经济性。

图7-47　以净输出功率和平均发电成本为目标的优化结果以及发动机排气温度变化对优化结果的影响［46］

CO2的临界温度为31.1℃，在实际应用中，二氧化碳跨临界朗肯循环的CO2工质在冷凝器内的冷凝温度必须低于其临界温度，很多时候环境温度难以满足此要求，导致CO2在冷凝器内难以顺利冷凝，此时采用含CO2的二元非共沸混合工质可提高系统的冷凝温度，降低冷凝过程的难度。Xia等采用热力学性能与经济性联合分析的方法，研究了采用含CO2的二元非共沸混合工质的跨临界朗肯循环的性能［47］。分别以200℃和400℃的热空气为热源，研究了跨临界朗肯循环的经济性随工作参数的变化，得到单位产的平均发电成本随涡轮入口压力的变化如图7-48（a）所示。对于低温热源，当涡轮入口温度固定为160℃时，随着涡轮入口压力的增加，平均发电成本先减小后增加；对于高温热源，当涡轮入口温度固定为330℃时，分析的两种工质的平均发电成本均随着涡轮入口压力的增加而降低。当涡轮入口压力为12 MPa时，平均发电成本随涡轮入口温度的变化如图7-48（b）所示。在两种温度的热源条件下，均存在一个最佳的涡轮入口温度，使平均发电成本最低。冷凝温度对平均发电成本的影响如图7-48（c）所示。随着冷凝温度的升高，所有采用非共沸混合工质的跨临界朗肯循环的平均发电成本均升高。非共沸混合工质中有机工质质量分数对平均发电成本的影响如图7-48（d）所示。低温热源条件下采用CO2/R1234yf和CO2/R1234ze两种非共沸混合工质的平均发电成本随着有机工质质量分数的增加，先降低后增加，但整个变化幅度不大。其他非共沸混合工质的平均发电成本均随着有机工质质量分数的增加而降低。在两种热源温度条件下，采用非共沸混合工质的系统的平均发电成本均优于采用纯CO2工质的系统。对于低温热源，采用CO2/R32和CO2/R161两种非共沸混合工质的系统的平均发电成本较低；对于高温热源，采用CO2/丙烷的系统的平均发电成本较低。

图7-48　工作参数对采用含CO2的二元非共沸混合工质系统经济性的影响［47］

（a）涡轮入口压力；（b）涡轮入口温度；（c）冷凝温度

图7-48　工作参数对采用含CO2的二元非共沸混合工质系统经济性的影响［47］（续）

（d）有机工质质量分数