Exergoeconomic Evaluation and Optimization of Dual Pressure Organic Rankine Cycle (ORC) for Geothermal Heat Source Utilization

In the present study, a dual-pressure organic Rankine cycle (DORC) driven by geothermal hot water for electricity production is developed, investigated and optimized from the energy, exergy and exergoeconomic viewpoint. A parametric study is conducted to determine the effect of high-stage pressure and low-stage pressure variation on the system thermodynamic and exergoeconomic performance. The DORC is further optimized to obtain maximum exergy efficiency optimized design (EEOD case) and minimum product cost optimized design (PCOD case). The exergy efficiency and unit cost of power produced for the optimization of EEOD case and PCOD case are 33.03% and 3.059 cent/kWh, which are 0.3% and 17.4% improvement over base case, respectively. The PCOD case proved to be the best, with respect to minimum unit cost of power produced and net power output over the base case and EEOD case.

水资源、水环境、水生态统筹治理研究进展

水资源、水环境和水生态统筹(三水统筹)治理作为习近平新时代中国特色社会主义思想在水治理领域的生动实践,对推动流域水生态环境持续改善、促进美丽河湖保护与建设具有重要指导意义.研究详细综述了以水资源、水环境和水生态为核心的水治理理论的发展基础、制度设计与绩效评估、关键路径与保障机制.最后指出未来“三水统筹”治理研究需解决“谁来统筹”“统筹什么”“怎么统筹”“何时统筹”“何地统筹”等基本问题,即“三水统筹”治理的理论框架须涵盖各项价值目标、制度设计、行为选择和条件环境等;协同主体类型须多样化,涉及政府、企业、公众和社会组织;协同方式基于“整体性”和“共享性”特征;完善水治理的学术脉络、政策实践及绩效评估.

生态水文系统支撑城市韧性安全建设的若干思考

近40年城市生态水文学应用研究的重要进展,特别是区域水循环要素的优化调控,有效地支撑了韧性安全城市建设。在城市生态水文系统理念的指导下,北美、欧洲和中国相继出现了低影响开发、水框架指令、海绵城市与气候适应型城市建设。全球变化和人为活动相互作用产生了复杂的城市生态水文过程,自然水循环模式已转变为“自然-社会”相互作用的二元水循环模式。面对全球变化,韧性安全城市的建设更加关注对气候变化的减缓和适应,特别是对极端天气气候事件的适应能力。我国长期持续大规模的城市开发建设,强烈影响和改变着区域水循环关键要素,城市地下空间开发利用和地面沉降面临着极端天气气候情境下的灾害风险。因此,地学基础条件及其韧性构成了城市韧性安全底座的基础。基于二元水循环关键要素调控设计的减缓和适应对策,在新一轮气候适应型城市建设中发挥了重要作用。“气候变化—区域二元水循环—水平衡调控—灾害风险”“遥感大数据—台站网小数据—传递函数—云孪生”,可作为一种地球大数据支撑韧性城市建设与可持续发展的技术框架和方法组合。上海作为长江流域的龙头和海陆交互敏感区域,城市韧性安全还面临着海平面上升的考验。在气候变化情景下区域二元水循环关键要素调控,可作为地学服务上海地下空间安全及城市韧性安全的一个策略。

基于“自然—社会”二元水循环的流域综合治理模式——以湖北省枝江市“五水共建”为例

以水为脉络开展国土空间治理逐渐成为生态文明时代的关注重点。流域治理逐步从关注水的自然资源属性向结合社会经济发展的综合治理模式转变。在总结各地多种“多水共治”模式的基础上,提出流域综合治理应聚焦于“自然—社会”二元水循环所涉及的内涵,根据自然循环产生的防御需求与生态作用、社会循环产生的环境影响与经济文化属性,提出水安全、水环境、水生态、水景观、水文化“五水共建”的治理模式,并以湖北省枝江市为例,提出“五水共建”的总体思路与规划方案。

基于水资源通用配置与模拟模型的邯郸市水资源优化配置

为实现区域水资源的动态调控,立足河北邯郸市水资源本底条件差且管理需求高的现状,利用水资源通用配置与模拟(general water allocation and simulation,GWAS)模型构建了基于自然-社会二元水循环的动态邯郸市水资源配置模型,在选用1980—2016年和2020年相关数据分别对模型水循环模块和配置模块开展参数率定和验证的基础上,对区域2025年和2035年平水年(保证率P=50%)、枯水年(P=75%)的水资源分别进行配置。结果表明:邯郸市2025年平水年和枯水年的配置水量分别为22.43×10^(8)m^(3)和21.53×10^(8)m^(3),缺水率分别为11.70%和22.13%,缺水口主要在农业;2035年平水年和枯水年的配置水量分别为25.02×10^(8)m^(3)和23.31×10^(8)m^(3),缺水率分别为4.53%和21.81%,其缺水情况较2025年明显改善;受邯郸市天然水资源匮乏和西高东低的地势影响,全市水资源缺口主要在西部武安市和东部邱县;未来邯郸市地下水仍是主要供水水源,但随着生态文明建设和地下水综合治理的纵深推进,其占比将逐渐下降,而外调水和非常规水的供水量将有所增加。可见,研究成果可为邯郸市实施水资源动态配置提供技术支撑,对实现区域水资源动态管理具有重要的现实意义。

基于SWAM模型的二元水循环与区域水资源配置匹配度研究

为了实现水资源的高效利用和可持续发展,通过SWAM模型,获得合理准确的区域水资源配置和二元水循环分布二者匹配度综合评价结果。在此基础上,对松花江流域的水资源合理配置与水循环分布的合理性做出评判。运用SWAM模型完成研究区域的水循环模拟,并且在各类约束下选择最优的多目标平衡稳定的水资源配置。结果表明:使用区域二元水资源循环系统匹配度最大的区域水资源分配方法,在P=50%时,其所对应的天然流域水资源总需求量为145.5亿m^(3),总缺水量为3.9亿m^(3),总缺水率为2.3%;在P=90%时,其所对应的天然流域水资源总需求量为165.7亿m^(3),总缺水量为16.8亿m^(3),总缺水率为11.3%。SWAM模型所模拟的二元水循环与水资源配置方案的匹配度可以全方位揭示经济用水过程和天然水文循环过程间相互作用,在保证二元水循环系统正常运作的基础上,为区域水资源配置提供参考。

基于广义ET的水资源与水环境综合规划研究Ⅱ:模型

在所提出的广义ET区域水资源综合规划的理念和研究框架基础上,本文构建了基于广义ET的区域水资源与水环境综合模拟模型,该模型由分布式水文SWAT模型、人工水平衡AWB模型及分布式地下水MODFLOW模型耦合而成,实现了地表水和地下水、天然水循环和人工水循环、水量和水质联合模拟。该模型可作为区域水资源与水环境综合规划的工具。以天津市为例,从地表水径流、地表水水质、地下水以及模型模拟ET结果等方面对模型进行了校验,校验结果表明模型可进行不同节水、水资源配置、点源和非点源水污染控制、水生态修复规划方案的情景模拟,为区域水资源与水环境规划提供支撑。

面向对象模块化的分布式水文模型MODCYCLE Ⅱ:模型应用篇

应用分布式水文模型MODCYCLE开展了天津市水循环模拟研究,对天津市1997—2004年期间的水量转化关系及人工参与下的流域水量平衡状况进行了分析,并从5个方面对模型进行了验证。模拟结果显示:天津市1997—2004年8年平均水资源总供给量为74.09亿m3,总耗用量为71.26亿m3,总排泄量为8.70亿m3,总蓄变量为-5.82亿m3,其供给项中降水量所占比例为74.2%。此外,上游来水和外调水也是天津市重要的可利用水资源;耗用项中陆面蒸发蒸腾量所占比例最大,达到76.8%;排泄项中97.3%的水量均流入渤海;土壤水、地表水和浅层地下水8年平均补排基本平衡,深层地下水由于缺乏补给量,一直处于超采状态。研究表明,MODCYCLE模型为刻画复杂的区域"自然-社会"二元水循环特性提供了一套有力的方法和工具。

基于水资源综合模拟与调配一体化模型的北京市水资源模拟分析

在探讨2007—2018年北京市水资源供需平衡情况的基础上,利用WAS模型对1980—2018年北京市水资源进行动态模拟研究,分析区域自然-社会水循环转化模式,探讨社会水循环与自然水循环的转化机理。结果表明:2007—2018年北京市年均需水量(实部、虚部)呈上升趋势,年均蓝水供水量36.85亿m^(3),绿水供水量16.90亿m^(3);需水缺口呈显著增大趋势,年均水资源缺口为165.20亿m^(3);1982—2010年北京市多年平均及25%、50%和75%径流总量特征频率年模拟与实测误差率分别为7.0%、4.8%、1.2%和0,模型精度较高;各计算单元自然水循环下出流量由东北部向西南部递增,自然-社会水循环下实际出流量有所下降。

双循环格局下我国需水空间形势的研判

双循环发展格局和优势互补、高质量发展的区域经济布局对我国未来的经济社会发展集聚形势影响深远。研判表明,我国人口和经济会进一步向19个大城市群集聚,向沿江沿海城市群集聚的趋势较为明显。我国制造业的重心会向中西部移动;能源重心会进一步西移。社会经济形势变化会对潜在需水造成深刻的影响,进一步加剧西北地区潜在水资源供需紧张形势,对此提出了4条政策建议。

新疆玛纳斯河流域水文循环二元分化及其生态效应

人类对水资源的集约高效利用从循环路径和循环特性两个方面改变了玛纳斯河流域水循环过程及其生态统一性,平原区水循环发生了以人工水循环为主导的二元分化。根据已有的分布式水文循环模型及水文监测资料分析得出,人工绿洲、天然绿洲、过渡带和荒漠间生态统一性出现无序化趋势,人工绿洲水分垂向循环加强,蒸发下渗量加大,而天然绿洲及过渡带水平方向径流通量减少,可利用生态水量大量减少,造成绿洲-荒漠生态呈现出对抗趋势。

串并联双压力蒸发卡林纳循环的性能分析

在卡林纳循环和串联的双压力蒸发卡林纳循环(DPV-KC)的基础上提出了一种串并联双压力蒸发卡林纳循环(DPV-KC2).通过设置压力相对较低的第二蒸发器,与第一蒸发器的液体加热段并联,第二蒸发器出口蒸气进入透平低压级段膨胀作功,使热源得到梯级利用,从而可以提高热源的动力回收效率.在外界冷热源温度相同的条件下,通过热力学原理对DPV-KC2、DPV-KC和基本型卡林纳循环的性能进行了分析.结果表明,在热源温度和冷却水温度分别为400和25℃、工作浓度和基本浓度分别为0.5和0.314、第一蒸发器露点温度和工质入口过冷度分别为290℃和15 K、第二蒸发器工质出口过热度为60 K时,DPV-KC2系统的动力回收效率达到26.34%,比单蒸发压力卡林纳循环提高了17.3%,比串联布置蒸发器的DPV-KC提高了3.58%.

基于LNG冷能的双循环-卡琳娜冷电联供系统

随着我国对生态文明建设的快速推进,回收工业余热、开发清洁能源等能源利用方式逐渐受到市场的广泛关注。设计了一种基于LNG冷能利用的双循环-卡琳娜(DORC-KC)冷电联供系统,并在此基础上提出了降低工业余热中酸性气体排放的新方法。通过构建系统热力学模型,对影响系统碳捕集的关键热力学参数进行了详细分析。结果表明,双循环中的顶循环采用环戊烷为工质,提升蒸发温度和蒸发压力,系统的最大净输出功为367.9 kW,热效率为33.29%;在卡琳娜循环中,工质流量和浓度等因素对系统效率产生积极的影响,其最佳热效率和冷㶲回收效率分别为15.42%和20.65%。压缩压力的降低,减少了循环水的冷却量,提高了CO2的液化量。当压缩压力为472 kPa时,系统的㶲效率最大,为34.30%,碳捕集率为47.00%,循环水回收量为167616 t。

普定岩溶水-碳循环模拟试验场水体双碳同位素特征(δ^(13)C-Δ^(14)C)与碳足迹

河流输送到海洋的溶解无机碳(DIC)和有机碳(OC)受自然和人为双重因素的影响。了解DIC和OC的年龄、来源和转化,有助于掌握全球碳收支和提高现在以及未来自然和人类对河流碳循环影响的估算精度。本研究以普定岩溶水碳循环试验场泉(地下水)池(地表水)耦联系统为研究对象,利用双碳同位素(^(13)C-^(14)C)方法,结合水生植物生长和传统水文地球化学特征,揭示了地下水地表水系统中DIC和颗粒有机碳(POC)的来源及其转化机制。研究发现:(1)泉池系统中DIC和POC的Δ^(14)C具有相同的变化趋势,泉水中Δ^(14)C值低于池水中Δ^(14)C值,反映后者可能有“较年轻”的CO_(2)的加入;(2)池水水化学和碳同位素变化由土地利用类型和池中水生植物共同控制;(3)池水中颗粒有机碳(POC)浓度明显高于泉水,且其Δ^(14)C值表现出与沉水植物和DIC的一致性(表观年龄均为3200~900 a),说明池水POC主要源于池中水生植物光合作用利用了碳酸盐风化产生的老碳(DIC),使新形成的有机质在表观年龄上“偏老”;(4)池水水体内源有机碳对水体POC的贡献在75%以上,内源有机碳通量(以C计)在250 t·km^(-2)·a^(-1)至660 t·km^(-2)·a^(-1)之间,相对于其他土地利用类型,草地对应的地表水系统具有最大的内源有机碳占比和通量,指示了沉水植物控制型浅水水体初级生产对有机碳循环的重要作用。综上,我们认为在岩溶区通过土地利用调整来调控水生植物群落对于增加碳汇具有重要潜力。

基于二元水循环的灌区分布式水文模型的应用研究

针对中国北方灌区的水文特点,在二元水循环理论的指导下,对自然流域水文模型SWAT进行了改进,构建了灌区分布式水文模型,改进了SWAT模型的灌溉水运动模块、稻田水分循环模块、稻田水量平衡各要素和产量模拟的计算方法,增加了渠系渗漏模拟模块等。以河南省人民胜利渠灌区为例,利用改进的SWAT模型对该灌区的水循环过程进行了模拟。为验证模型的有效性,选用Nash-Suttclife效率系数(纳西效率系数)E、线性回归系数R2来评估模型在校准和验证过程中的模拟效果。结果表明:该模型适合灌区水分循环的模拟。模型的构建和改进,对分布式水文模型在高强度人类活动影响区域的水资源、水环境研究和管理起到积极的作用,为灌溉水文学提供了新的研究方法。

真空热处理炉循环冷却水设计选型

为解决原来冷却水系统降温能力不足,水质控制效率低以及冬季冻结的问题,配套建设了一套符合国际标准的双循环冷却水系统。通过分析冷却水系统的结构和部件参数,得到的系统设计参数能够满足现有真空热处理炉的用水需求,并且解决了原有冷却水系统的不足。在冷却水系统投入运行后效果良好,能保证现场热处理生产的顺利运行。

CO_2跨临界双级压缩带回热器与不带回热器循环分析

基于氟利昂制冷剂的ODP(臭氧层破坏势)和GWP(温室效应)问题,运用热力学方法,对CO2跨临界双级压缩带回热器循环TSCV+TGC+IHX与不带回热器循环TSCV+TGC建立了数学模型,并基于Visual Basic程序基础,开发了两种双级循环性能分析平台。结果表明,相同对比条件下,循环TSCV+TGC+IHX平均性能比循环TSCV+TGC高5%～10%,最优中间压力比循环TSCV+TGC低约5%～15%。本研究为高效、节能的CO2跨临界循环热泵热水器产品的开发提供了基础资料。