直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統及其經濟性分析

王淑慧， 熊源泉， 謝引航

(東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

我國中高溫蒸汽廣泛應用于工農業中，涉及化工、造紙、紡織和食品加工等行業。工業蒸汽能量主要由工業鍋爐燃燒的化石燃料提供。目前，我國工業鍋爐每年排放的煙塵約為800萬 t，SO2約為600萬 t，CO2約為1.64億 t，灰渣約為8 700 t[1]。預計2030年我國CO2氣體排放量將達到11 710 Mt[2]。利用太陽能中高溫熱能替代中高溫工業熱能，不僅擁有巨大的消費市場，而且也能有效減少煤、石油等傳統化石能源的用量和降低化石能源帶來的環境污染。

從20世紀80年代起，國外就利用太陽能產生蒸汽，并應用到實際生產中[3]。在國內，彭耀鋒[4]結合回路型重力熱管與拋物線槽式集熱器，制造出180 ℃左右的蒸汽。廖偉初等[5]論述了中高溫蒸汽在工農業生產中的應用。王紅梅等[6]設計了一種間接式蒸汽發生系統。傳統太陽能轉化為蒸汽熱能大多應用于太陽能熱發電領域，由于其需求的蒸汽品質較高(300～450 ℃的過熱蒸汽)，盡管該項技術已經取得了巨大進步，但始終面臨著太陽能利用率低、系統造價成本高和投資回收期長等瓶頸[7]。目前，國內外學者關于高溫蒸汽(120～250 ℃)發生系統的研究多集中于間接式發生系統，即導熱油作為中間介質在槽式集熱器中得到熱量，通過換熱器用于加熱水并產生蒸汽。間接式槽式太陽能中高溫蒸汽系統需要導熱油作為中間介質，這會導致系統的熱利用效率降低，系統的建設成本增加，同時導熱油的使用也存在污染環境的隱患。目前還沒有關于直接式槽式蒸汽發生系統的相關研究文獻。

筆者在上述研究的基礎上設計了一種應用于工農業生產的直接式槽式太陽能中高溫蒸汽(120～250 ℃)發生系統，并建立系統的數學模型，研究輻射強度、環境溫度對系統熱效率和工質質量流量的影響，并提出蒸汽能源平均成本的新概念，對槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統的投資成本和蒸汽能源平均成本等重要指標進行了研究與分析。

1 系統說明

國內太陽能蒸汽發生系統多使用間接式槽式集熱系統，導熱油的使用造成了環境污染，中間換熱設備的使用也增加了傳熱熱阻，降低了能量利用效率，增大了投資成本。筆者設計了一種直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統。在該系統中，液態工質直接在集熱管內加熱至飽和狀態，在疏水擴容器內降壓蒸發產生蒸汽，通過集熱系統末端的壓力、溫度反饋系統和流量調節裝置得到所需品質的蒸汽。

直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統中工質加熱至汽化分為加熱至飽和和降壓汽化2個部分，如圖1所示。

工質(去離子水)經加壓泵升壓后，進入槽式集熱系統內進行加熱，在加熱段末端處設置溫度和壓力測點，通過溫度與壓力的反饋來調節集熱系統工質的進口質量流量，保證在加熱段出口處工質水溫度低于或等于相應壓力下的飽和水溫度，此集熱管段內工質的流動為單相流。工質經槽式集熱器加熱后，經過疏水擴容器進行擴容蒸發，產生相應壓力下的蒸汽，蒸汽直接輸入工業用戶，疏水擴容器中產生的飽和水由循環泵加壓進行再循環。

圖1 直接式槽式太陽能蒸汽發生系統

直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統的設計重點主要有兩方面：太陽能集熱器加熱段的工質流相為純液相，汽化發生在疏水擴容器內，這避免了傳統直接式槽式蒸汽發生系統中工質汽化產生氣液兩相分層，造成金屬真空集熱管爆管現象；針對太陽輻射的不穩定性，通過計算得出不同輻射量下對應的工質質量流量和太陽能集熱器出口處的溫度、壓力反饋，及時調節集熱系統工質進口質量流量，使得系統運行管理更加穩定安全。

設計系統的優勢分別為：用水替代導熱油，降低了環境污染的風險；省略了油/蒸汽換熱器及其附件等，減少了換熱環節的能量損失，投資成本也大幅下降；蒸汽在疏水擴容器內產生，避免了工質氣液兩相對集熱管造成的熱應力，延長了集熱管的使用壽命，簡化了系統結構，降低了系統的運營成本。

2 系統數學模型建立及性能分析

太陽能集熱器場由槽式集熱器按一定布置方式連接而成，一般分為東西放置、南北跟蹤和南北放置、東西跟蹤2種布置方式。筆者選用LS-2型槽式集熱器，主要具體參數見表1[8]。

2.1 太陽能集熱系統數學模型的建立

通過反射鏡面將太陽光聚焦反射到集熱管上，直接把水加熱到相應壓力下的飽和水，這段工質流動為純液相。太陽能集熱器的數學模型建立在以下簡化條件下：集熱管內發生的熱過程是穩態的；不考慮換熱過程中的熱損失、熱泄漏以及流動過程的壓力損失；流經集熱器的介質是去離子水，且介質熱物性與溫度無關。

表1 Sandia Aztrack槽式集熱器實驗臺LS-2型集熱器參數

當太陽輻射強度變化時，通過調節集熱管內工質質量流量來保證出口蒸汽參數不變。集熱器場的換熱效率為[9]：

(1)

(2)

式中：η為集熱器場的換熱效率，%；ηopt為集熱器的光學效率，取值為71%；Idirect為太陽能直射輻射強度，W/m2；Ta為環境溫度，K；ζab為金屬涂層的發射率；Tab為管內流體的平均溫度，K；Tin、Tout分別為集熱器場工質的入口溫度和出口溫度，K；Kta為入射角的修正系數，取值為1；Vwind為環境風速，取值為4 m/s；a、b和c均為熱平衡系數，其中a取值為1.91×10-2W/km2，b取值為2.02×10-9W/km2，c取值為6.608×10-3W/km2。

槽式集熱器輸出的有用能Qu表示為：

Qu=Q·η·ηgl

(3)

Qu=qm,out·cp·(Tout-Tin)

(4)

(5)

式中：Q為太陽輻射能量；ηgl為系統管道熱損失，取值為93%；qm,out為集熱管工質出口質量流量，kg/h；cp為工質比定壓熱容，此處工質為水，cp=4.18 kJ/kg；W為集熱系統反射鏡開口寬度，m；L為集熱場加熱段長度，m。

疏水擴容器是將高壓液體降壓，并產生汽化的裝置。高壓飽和水在疏水擴容器內降壓，產生相應壓力下的飽和蒸汽，對應的飽和水經循環水泵返回槽式太陽能集熱系統中進行再循環。疏水擴容器內出口蒸氣的質量流量[10]和汽化率的計算公式如下：

qm,outhout=qm,steamhsteam+(qm,out-qm,steam)hcy

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：qm,steam為疏水擴容器出口蒸汽質量流量，kg/h；hout為集熱管出口飽和水蒸氣的焓值，kJ/kg；hsteam為疏水擴容器內飽和蒸汽焓值，kJ/kg；hcy為疏水擴容器內相應壓力下飽和水的焓值，kJ/kg；ζ為疏水擴容器的汽化率；hw為系統補水的焓值，kJ/kg；ηx為系統熱效率，%。

按照已建立的數學模型，并利用給定的邊界條件，計算出蒸汽發生系統的相關性能參數，見表2。

表2 設計條件下系統性能參數

2.2 系統性能分析

在保持系統工質其他設計參數不變的基礎上，研究輻射強度和環境溫度對直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統性能的影響，研究的性能參數包括系統工質進口質量流量和系統熱效率。在環境溫度 (Ta=25 ℃) 保持不變的情況下，系統性能隨輻射強度的變化如圖2所示。

由圖2可知，當輻射強度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時，系統熱效率從47.2%提高至66.3%，進入系統的熱量增加。對于槽式集熱器而言，輻射量增大，集熱管金屬吸熱管外表面的熱流密度和聚焦光斑溫度也隨之增大，熱損失減少，從而使得系統熱效率提高；對于蒸汽發生系統而言，為保證集熱管出口工質參數不變，隨著輻射量的增大，系統熱效率提高，系統工質的質量流量隨之增大。當輻射強度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時，系統工質質量流量從0.07 kg/s增大至1.05 kg/s，進入系統的熱量增加，為保證集熱器出口參數不變，則集熱器進口質量流量增大，相應的蒸汽質量流量也隨之增大。由此可見，太陽輻射強度對系統的供熱能力有較大影響。

圖2 系統熱效率和進口液體質量流量隨輻射強度的變化

在輻射強度保持不變(Idirect=600 W/m2)的情況下，系統熱效率和系統工質質量流量隨環境溫度的變化如圖3所示。由圖3可知，當環境溫度由15 ℃升高至33 ℃時，系統熱效率從64.5%緩慢提高至64.7%。隨著環境溫度的升高，由于減少了集熱管和環境的散熱溫差，熱損失減少，因此系統熱效率得到提高。環境溫度升高，系統工質質量流量從0.615 kg/s緩慢增大至0.617 kg/s，其原因是散熱損失減少，進入系統的熱量增加，為保持系統出口工質參數不變，因此進口工質質量流量也隨之增大。

圖3 系統熱效率和工質質量流量隨環境溫度的變化

由此可知，環境溫度升高，系統熱效率和系統工質質量流量的増幅均不明顯，集熱效率僅提高0.3%，質量流量僅增大0.002 kg/s，這說明環境溫度對系統供熱能力的影響不明顯。

3 系統經濟性分析

3.1 蒸汽發生系統投資成本的分析

直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統總投資成本主要由建設投資成本和運行管理成本組成。表3給出了文獻[11]中LS-2槽式太陽能熱發電預估的投資成本和主要成本計算。

表3 槽式太陽能熱發電建設投資成本

以槽式太陽能熱發電系統投資成本為依據，按照直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統的結構特點，得到預估的投資成本，其中主要包括建設投資成本和運行維護成本。

直接式槽式太陽能中高溫蒸汽發生系統的總初投資成本C為：

C=C1+C2

(10)

(Ce-Cb-Cs-Ch)·ηtur

(11)

Ch=Ce·ξ1

(12)

C2=Ce·ξ2

(13)

式中：C1為建設投資成本，$/kW；C2為運行維護成本，$/kW；B為建設總投資，$；Qt為供熱量，MW；Qe為發電量，MW；Ce為槽式太陽能熱發電建設投資總成本，$/kW；Cb為發電系統投資成本，$/kW；Cs為儲熱系統成本，$/kW；Ch為導熱油投資成本，$/kW；ηtur為汽輪機效率；ξ1、ξ2均為比例因子，分別取為3%和6%[11]。

用太陽能代替傳統工業鍋爐提供熱量，節約傳統化石能源的效果最終體現在燃煤量的降低上，因此筆者給出了不同供熱規模下產生蒸汽時的節煤質量流量qm：

(14)

式中：P為供熱量，MW；ηnet為鍋爐實際運行效率，取93.847%[12]；qnet為煤的發熱量，取標準煤的低位發熱量值29 270 kJ/kg[13]。

表4為依照式(14)得到的直接式槽式太陽能蒸汽發生系統投資成本。由表4可以看出，隨著系統供熱規模的擴大，槽式集熱蒸汽發生系統總投資成本逐漸降低，最低可達631.30 $/kW，節煤質量流量隨著供熱規模的擴大而增大，最大可達36.40 kg/s。

表4 直接式槽式太陽能集熱系統投資成本

3.2 系統投資經濟性分析指標

考慮到資金的時間價值，在評價太陽能蒸汽發生系統的經濟性時，不能簡單地將系統總初投資成本、運行維護成本和年用水費用相加。為此，筆者提出采用動態年計算費用法，將總初投資成本折算成使用期限內的年投資成本，將其與年運行維護成本和年用水費用相加，計算出系統的年使用成本。再根據上述計算所得系統年使用成本和系統年產蒸汽量，得出系統產每噸蒸汽時消耗的能源成本，即蒸汽能源平均成本(簡稱CSLEC)。根據CSLEC的基本概念，其計算公式為：

(15)

(16)

式中：a為資金回收系數；Cw為年用水費用，$；Ba為年產蒸汽量，t/a；i為利率，取值為8%；n為系統壽命，a。

3.2.1CSLEC隨年輻射量的變化

由于不同地區的太陽年輻射量有所不同，年輻射量的選取會影響蒸汽發生系統的經濟性。筆者對比分析了系統使用壽命為20年，供熱規模分別為135 MW、375 MW和1 000 MW時，在2種算法下年輻射量對直接式槽式太陽能蒸汽發生系統CSLEC的影響，如圖4所示。

圖4 CSLEC隨年輻射量的變化

由圖4可知，隨著年輻射量的增加，CSLEC逐漸降低；在相同年輻射量的情況下，CSLEC隨著供熱規模的擴大而降低；在光照時間比較充足的地方，CSLEC有可能低于26.82 $/t。當輻射時間增加時，系統做功時間增加，年產蒸汽量增大，從而CSLEC降低。

3.2.2CSLEC隨系統壽命的變化

在保證系統年輻射量為2 400 h不變的前提下，CSLEC隨系統使用壽命的變化如圖5所示。由圖5可知，隨著系統使用壽命的延長，CSLEC降低；在相同系統使用壽命下，CSLEC隨著供熱規模的擴大而降低。

圖5 CSLEC隨系統使用壽命的變化

在年輻射量為2 400 h的情況下，隨著系統使用壽命的延長，CSLEC有可能降低至32.08 $/t。目前槽式集熱系統的使用壽命普遍在20年左右。

4 結 論

(1) 當太陽輻射強度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時，系統熱效率從47.2%提高到66.3%，集熱器進口工質質量流量從0.07 kg/s增大到1.05 kg/s。當環境溫度由15 ℃升高到33 ℃時，系統熱效率從64.5%緩慢提高到64.7%，系統工質質量流量維持在0.616 kg/s左右。輻射強度對系統熱效率的影響較為明顯，環境溫度對系統熱效率的影響不明顯。

(2) 在1 000 MW的供熱規模下，直接式槽式太陽能蒸汽發生系統的投資成本有望降低至631.30 $/kW，節煤質量流量最大可以達到36.4 kg/s。隨著年輻射時間的增加，CSLEC明顯降低，在系統使用壽命為20年的前提下，CSLEC可降低至26.82 $/t。隨著系統的使用壽命的延長，CSLEC快速降低，在年輻射量為2 400 h的前提下，CSLEC可降低至32.08 $/t。系統設計應選擇輻射條件較好的地區，系統的使用壽命應盡量延長。

(3) 隨著太陽能集熱器和熱交換器技術水平的不斷發展，系統建設成本會有所下降，蒸汽發生系統產蒸汽的成本也會降低，同時由于化石能源的不斷緊缺，價格日益升高，其產生蒸汽的成本也不斷升高，因此用直接式槽式太陽能蒸汽發生系統代替工業鍋爐具有很好的經濟性和更好的發展前景。

[1] 屠欣鑫, 孫振波, 邢璐. 國內工業鍋爐節能發展現狀[J].價值工程, 2015(28): 123-125.

TU Xinxin, SUN Zhenbo, XING Lu. Current development situation of industrial boiler energy saving in China[J].ValueEngineering, 2015(28): 123-125.

[2] 張建民. 2030年中國實現二氧化碳排放峰值戰略措施研究[J].能源研究與利用, 2016(6): 18-21, 51.

ZHANG Jianmin. A study on the strategy measures to achieve the peak of carbon dioxide emission in China by 2030[J].EnergyResearch&Utilization, 2016(6): 18-21, 51.

[4] 彭耀鋒. 回路型重力熱管太陽能蒸汽發生系統的設計及理論分析[D]. 杭州: 浙江大學, 2007.

[5] 廖偉初, 柯秀芳. 太陽能集熱器在中高溫蒸汽生產中的應用[J].節能技術, 2008, 26(4): 328-331.

LIAO Weichu, KE Xiufang. Application of solar energy in medium & high temperature steam generation[J].EnergyConservationTechnology, 2008, 26(4): 328-331.

[6] 王紅梅, 俞自濤, 胡亞才, 等. 太陽能中高溫熱利用技術及其經濟性分析[J].能源工程, 2012(3): 21-24.

WANG Hongmei, YU Zitao, HU Yacai, et al. Application of solar mid-high temperature steam and economical analysis[J].EnergyEngineering, 2012(3): 21-24.

[7] PRICE H, KEARNEY D. Reducing the cost of energy from parabolic trough solar power plants[C]//ASME2003InternationalSolarEnergyConference. Kohala Coast, Hawaii: American Society of Mechanical Engineers, 2003.

[8] 毛劍. 太陽能輔助燃煤機組發電系統性能研究及技術經濟評價[D]. 北京: 華北電力大學, 2015.

[9] ODEH S D, MORRISON G L, BEHNIA M, et al. Modelling of parabolic trough direct steam generation solar collectors[J].SolarEnergy, 1998, 62(6): 395-406.

[10] 于鑫瑋, 陳海平. 太陽能集熱系統與600 MW燃煤機組集成及性能分析[J].可再生能源, 2013, 31(8): 1-5.

YU Xinwei, CHEN Haiping. Integration between solar energy collection system and 600 MW coal-fired unit and its performance analysis[J].RenewableEnergyResources, 2013, 31(8): 1-5.

[11] BOULEVARD C, GOLDEN C. Executive summary: assessment of parabolic trough and power tower solar technology cost and performance forecasts[J].Performance, 2003, 53(7): 425-446.

[12] 林琳, 張燕平, 黃樹紅. 600 MW太陽能協同燃煤發電機組的變工況性能分析[J].動力工程學報, 2013, 33(10): 795-802.

LIN Lin, ZHANG Yanping, HUANG Shuhong. Off-design performance analysis of a 600 MW solar-coal hybrid power generation system[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2013, 33(10): 795-802.

[13] PITZ-PAAL R, DERSCH J, MILOW B, et al. Development steps for parabolic trough solar power technologies with maximum impact on cost reduction[J].JournalofSolarEnergyEngineering, 2006, 129(4): 371-377.