太陽能集熱器耦合方式對太陽能燃氣聯合循環性能影響分析

王樹成，付忠廣，高學偉，高玉才，張高強

太陽能集熱器耦合方式對太陽能燃氣聯合循環性能影響分析

王樹成，付忠廣，高學偉，高玉才，張高強

（華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京 102206）

根據“能量互補，梯級利用”原則，對太陽能燃氣聯合循環中太陽能集熱器出口過熱蒸汽與余熱鍋爐3種耦合方式的性能進行了研究，對比分析了3種耦合方式下系統燃料消耗量、燃料基熱效率、?效率、?損率、化石燃料節約率及不同集熱場出口蒸汽溫度對系統性能的影響。結果表明：太陽能集熱器出口過熱蒸汽接入到余熱鍋爐的高壓蒸發器出口時，具有較高的熱力性能，與沒有投入太陽能集熱器相比，燃料消耗量降低1.12 kg/s，燃料基熱效率提高4.6%，?效率提高4.3%，?損率降低5.2%，節約化石燃料率為7.7%；此外，通過經濟性分析可知，采用上述耦合方式每年可節約燃料費用2 408.3萬元，減少CO2排放量20 047.5 t。

太陽能；太陽能燃氣聯合循環；燃氣-蒸汽聯合循環；槽式集熱器；?分析；熱力性能

太陽能燃氣聯合循環（ISCC）系統是將太陽能集熱器與燃氣聯合循環發電系統相結合的一種新型發電系統[1-3]。ISCC利用太陽能加熱一部分給水，不但可以減少部分燃料的消耗，降低溫室氣體的排放，還可以提高系統效率[1-3]。目前，太陽能集熱器主要有塔式、槽式、菲涅爾等形式，而槽式太陽能集熱器在中低溫發電領域應用較為廣泛，可以將給水加熱到390 ℃左右，與燃氣聯合循環溫度耦合較理想[4-7]。

目前，許多學者都致力于ISCC系統的研究。Achour等人[8]采用阿爾及利亞南部的氣象數據對ISCC系統進行分析，結果表明該系統在夏季光電轉換率的峰值會達到14.4%，而由于冬季的太陽能輻射強度較低及受到太陽入射角的影響，系統光電轉換率僅為8%左右，且太陽能輻射強度越強，發電量越大，系統效率也會越高。Brodrick等人[9]采用數值模擬的方法，優化了ISCC系統耦合方式，并在此條件下對系統的成本，年CO2排放量等參數進行研究，結果表明ISCC系統與其他CO2減排技術相比具有很強的競爭優勢。劉仁志等[10]將太陽能直接蒸汽發生系統與高壓蒸汽蒸發過程耦合，并對耦合系統中集熱器行間距及傾角等參數進行優化研究，指出當第一排集熱器傾角為33°時，全年產生的單位面積有效太陽熱能最大，而當陣列間距為3 m，傾角為17°時，陣列間相互遮擋的影響最小。裴杰等[11]針對華能南山熱電廠菲涅爾式ISCC系統中的過熱蒸汽引入汽輪機低壓缸做功所導致的能量損失問題，提出在太陽能集熱場中增加蓄熱系統，結果表明與原系統相比，太陽能發電功率提高了189 kW，系統熱效率提高了0.15%。李元媛等[12]對ISCC系統的能效及給水控制進行優化，得出了不同太陽輻射強度下的最優給水流量比值。

本文主要對槽式太陽能集熱器在ISCC系統中的不同耦合方式進行研究，探索ISCC系統在 不同耦合方式下的熱力學性能，闡述系統最優 配置下的耦合機理，為ISCC電廠的設計提供理 論依據。

1 ISCC系統及模型

1.1 ISCC系統

本文所研究的ISCC系統主要由傳統燃氣-蒸汽聯合循環（包括M701F型燃氣輪機、三壓再熱余熱鍋爐、汽輪機等）和槽式太陽能集熱器組成。在傳統燃氣-蒸汽聯合循環系統中，燃料在燃氣輪機內燃燒，產生的高溫氣體進入余熱鍋爐加熱給水，產生的蒸汽進入汽輪機做功。其中，汽輪機高壓缸的排汽與中壓過熱蒸汽混合后，經余熱鍋爐再熱器加熱后進入汽輪機中壓缸做功。在ISCC系統中，余熱鍋爐中的一部分給水被引入到槽式太陽能集熱器中進行加熱，所得過熱蒸汽最后與余熱鍋爐中的蒸汽混合。在ISCC系統輸出功率保持不變的情況下，可減少部分化石燃料的消耗量，降低CO2的排放，同時提高系統效率。

太陽能集熱器的過熱蒸汽接入余熱鍋爐內蒸汽的耦合方式比較多，而不同的耦合方式對ISCC系統整體的性能影響較大。根據“能量互補，梯級利用”原則[13]，選取余熱鍋爐內蒸汽溫度與太陽能集熱器出口過熱蒸汽溫度相近的點高壓蒸發器出口、汽輪機高壓缸排汽與中壓過熱蒸汽混合后即再熱器入口處、低壓過熱蒸汽出口，接入太陽能集熱場，這3種太陽能集熱器耦合方式如圖1所示。

圖1中LEP為低壓省煤器，LPB為低壓蒸發器，HPE1為高壓省煤器1，IPE為中壓省煤器，IPB為中壓蒸發器，LPS為低壓過熱器，HPE2為高壓省煤器2，IPS為中壓過熱器，HPE為高壓蒸發器，RH為再熱器，HPS為高壓過熱器，LPD為低壓汽包，IPD為中壓汽包，HPD為高壓汽包，LPFWP為低壓給水泵，IPFWP為中壓給水泵，HPFWP為高壓給水泵，LT為低壓汽缸，IT為中壓汽缸，HT為高壓汽缸，Gen為發電機，AC為壓氣機，CC為燃燒室，Exp為透平。這里需要指出的是，3種耦合方式下太陽能集熱場出口過熱蒸汽的壓力不同，且與被接入節點的壓力保持一致。

1.2 模型介紹

本文采用EBSILON來搭建系統模型。EBSILON是德國魯爾集團子公司STEAG開發的一款廣泛用于電站規劃的設計及優化軟件。傳統燃氣-蒸汽聯合循環在100%工況下的設計值與模擬值見表1。表1中燃氣輪機參數采用三菱M701F的設計值。由表1可以看到，設計值與模擬值之間的誤差均小于3%，可以認為本文模型搭建正確。

表1 傳統燃氣-蒸汽聯合循環主要參數

Tab.1 Main parameters of the conventional gas-steam combined cycle

表2 太陽能集熱器的主要參數

Tab.2 Main parameters of the parabolic trough solar collector

2 ISCC系統評價指標

ISCC系統由槽式太陽能集熱器和傳統燃氣-蒸汽聯合循環組成。太陽能集熱器接受到的太陽輻射量s為

式中：為槽式太陽能集熱器的個數；為單個集熱器的面積，m2；DNI為太陽能輻射強度，W/m2。

太陽能經槽式集熱器反射后存在多種能量損失，被集熱管吸收的能量a為

式中opt為比例系數，可以用下式表示[16]：

式中，h、h、h、int、h、cf和分別為槽式太陽能集熱器的表面反射率、透射率、吸收率、采集因子、鏡子利用率、集熱器鏡面潔凈系數、入射角修正系數。

由于槽式太陽能集熱器只有1根軸用來追蹤太陽輻射，因而不具有各向同性，需要獲取不同二維太陽能入射角組合所對應的入射角修正系數，太陽能入射角修正系數可以表示為[17]

式中為入射角。用下面的公式計算[14]

式中，為太陽偏角，為太陽角。和可分別利用公式(6)和公式(7)計算得到：

式中：為一年中的自然天數，如每年的1月1日即=1；h為時間。

ISCC系統燃料基熱效率定義為系統發電量與消耗燃料能量之比：

通常的熱量平衡和能量轉換效率并不能反映出系統能量的利用程度，因此引入?效率以衡量輸入系統?的利用率，從而分析能量利用的合理性。 ISCC系統燃料基?效率定義為系統凈發電量與系統輸入?之比：

式中，輸入系統的燃料?值約為其能量的1.06倍[18]。

此外，?損率用來表示整體或局部的?損占系統總輸入?的大小：

化石燃料節約率用來衡量將太陽能輸入系統后，節省的燃料消耗量與在相同條件下傳統燃氣-蒸汽聯合循環機組消耗燃料量之比：

3 模擬結果分析

將太陽能集熱器出口過熱蒸汽分別接入到高壓蒸發器出口處（耦合工況1）、再熱器入口處（耦合工況2）、中壓過熱蒸汽出口處（耦合工況3），當DNI=800 W/m2時，ISCC系統主要耦合節點參數模擬計算結果見表3。耦合工況2之所以將集熱場出口蒸汽接入再熱器入口處，是由于混合后的蒸汽溫度與集熱場過熱蒸汽溫度較接近，符合“能量互補，梯級利用”的原則，可減小在混合過程中的不可 逆損失。

表3 ISCC系統主要耦合節點參數

Tab.3 Main coupling point parameters of the ISCC system

太陽能集熱器與余熱鍋爐在3種耦合工況下消耗的燃料質量流量fuel隨DNI的變化情況如圖2所示。從圖2中可以看到：在太陽能輻射強度較小時，3種耦合工況下燃料消耗量保持一致，為14.59 kg/s （200 W/m2）；而隨著太陽能輻射強度的增加，3種耦合工況下的燃料消耗量均降低；當DNI= 800 W/m2時，耦合工況1的燃料消耗量最低為13.47 kg/s，與沒有投入太陽能集熱器相比燃料消耗量降低1.12 kg/s；耦合工況2和耦合工況3的燃料消耗量分別為13.59 kg/s和13.91 kg/s。

圖2 ISCC燃料質量流量隨DDNI變化

ISCC系統化石燃料節約率fuel–saving隨DNI的變化如圖3所示。由圖3可見：各耦合工況的化石燃料節約率隨DNI的增加而升高；耦合工況1化石燃料節約率最高，當DNI=800 W/m2時，耦合工況1的化石燃料節約率為7.7%，高于耦合工況2（6.8%）和耦合工況3（4.7%），具有較好的經濟效益。

圖3 ISCC系統化石燃料節約率隨DDNI變化

ISCC系統燃料基熱效率和?效率隨DNI變化情況如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看到：當太陽能輻射強度較低（200 W/m2）時，3種耦合工況下ISCC系統的燃料基熱效率和?效率均較低，分別為54.6%和51.5%。由于太陽能輻射強度較低，太陽能集熱器沒有啟動，此時ISCC系統以傳統燃氣-蒸汽聯合循環的方式運行，ISCC系統的基熱效率和?效率與傳統燃氣-蒸汽聯合循環保持一致。

圖4 ISCC系統燃料基熱效率隨DDNI變化

圖5 ISCC系統?效率隨DDNI變化

隨著太陽能輻射強度的增加，ISCC系統燃料基熱效率和?效率均隨之增大。其中，耦合工況1的燃料基熱效率和?效率高于其他兩個工況，當DNI= 800 W/m2時，耦合工況1的燃料基熱效率為59.2%，?效率為55.8%，分別比傳統燃氣-蒸汽聯合循環高4.6%和4.3%。這是由于耦合工況1中太陽能集熱器出口過熱蒸汽與高壓蒸發器出口蒸汽混合后，依次進入高、中、低壓缸繼續做功，而耦合工況2中集熱場出口的過熱蒸汽僅進入中、低壓缸做功，而耦合 工況3中集熱場出口的過熱蒸汽只進入低壓缸做功，因而耦合工況1下的過熱蒸汽做功能力更強，效率更高。

ISCC系統?損率隨DNI變化如圖6所示。從圖6中可以看到：3種耦合工況在太陽能輻射強度較低時?損率大致相同，為48.5%；而隨著太陽能輻射強度的增加，ISCC系統的?損率隨之降低。這是由于隨著太陽能輻射強度的增加，集熱場的效率會隨之增加，減小了ISCC系統的不可逆損失。由于?損率與?效率互為倒數關系，因而?效率較大的系統?損率會相對較小。當DNI=800 W/m2時，耦合工況1的?損率最低為43.2%。

圖6 ISCC系統?損率隨DDNI變化

在太陽能輻射強度為800 W/m2時，研究不同太陽能集熱器出口過熱蒸汽溫度對ISCC系統燃料基熱效率及?效率的影響，結果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可以看出：隨著集熱場出口過熱蒸汽溫度的升高，3種耦合工況的燃料基熱效率及?效率均升高；耦合工況1不同集熱場出口過熱蒸汽溫度下的燃料基熱效率及?效率均高于其他兩個工況。這表明將太陽能集熱器出口過熱蒸汽耦合到余熱鍋爐高壓蒸發器出口對原系統的貢獻最大。

圖7 不同太陽能集熱器出口過熱蒸汽溫度對ISCC系統燃料基熱效率的影響

圖8 不同太陽能集熱器出口過熱蒸汽溫度對ISCC系統?效率的影響

當太陽能輻射強度為800 W/m2時，假設系統每天運行5 h，按全年360天計算，得到3種耦合工況下年燃料節約量與年節省燃料費如圖9所示。由圖9可見，3種耦合工況下年天然氣節約量為7 290.0、6 499.4、4 464.7 t。以上海市2018年6月公布的《上海市物價局關于調整本市非居民用戶天然氣價格的通知》中調整后的發電用天然氣價格2.37元/m3計算[19]，3種耦合工況下的年燃料節約費用為2 408.3、2 147.2、1 475.0 萬元。此外計算得到3種耦合工況下的CO2減排量分別為20 047.5、17 873.5、12 278.0 t。

圖9 不同耦合工況下年燃料節約量與年節省燃料費

由此可見，當ISCC系統運行相同條件下（相同運行工況及太陽能輻射強度）運行時，太陽能集熱器不同耦合方式不但影響ISCC系統的熱力學性能，同時也對ISCC系統的經濟性及環保性能產生影響。綜上所述，本文所選3種耦合方式中，當太陽能集熱器出口的過熱蒸汽與高壓蒸發器出口耦合時具有較高的熱力學及經濟學性能。

4 結 論

1）本文對ISCC系統太陽能集熱器出口過熱蒸汽與余熱鍋爐的3種耦合方式進行了研究，分析了在不同太陽能輻射強度下的系統燃料消耗量、燃料基熱效率、?效率、?損率、化石燃料節約率及不同集熱場出口蒸汽溫度對系統性能的影響。

2）將太陽能集熱器出口過熱蒸汽接入到余熱鍋爐的高壓蒸發器出口時，太陽能對原系統的貢獻最大。當太陽能輻射強度為800 W/m2時，與沒有投入太陽能集熱器系統相比，燃料消耗量降低1.12 kg/s，燃料基熱效率提高4.6%，?效率提高4.3%，?損率降低5.2%，節約化石燃料率為7.7%。

3）在太陽能輻射強度為800 W/m2時，提升集熱場出口過熱蒸汽溫度有利于ISCC系統性能的提高，且耦合工況1的燃料基熱效率及?效率始終高于其他兩個工況。

4）由于將太陽能集熱器出口的過熱蒸汽接入到余熱鍋爐高壓蒸發器出口，可以使這部分蒸汽連續在汽輪機的高、中、低壓缸內做功，最大限度地利用集熱場提供的能量，因而與其他工況相比具有較好的熱力性能。

5）耦合工況1年節省燃料費用2 408.3萬元，年節省天然氣消耗量7 290.0 t，年減少CO2排放量20 047.5 t，具有較好的經濟性能。

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Effect of coupling mode of solar collector on performance of solar-gas combined cycle

WANG Shucheng, FU Zhongguang, GAO Xuewei, GAO Yucai, ZHANG Gaoqiang

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

According to the principle of “energy complementarity and cascade utilization”, the performance of three coupling modes between the superheated steam at the solar collector outlet and the heat recovery steam generator in an integrated solar combined cycle is investigated. The effects of several factors, such as fuel consumption, fuel-based thermal efficiency, exergy efficiency, exergy loss rate, fossil fuel saving rate and superheated steam temperature at the solar collector outlet, on the performance of the proposed system were compared. The results show that, coupling the superheated steam of the solar field to the outlet of the high-pressure evaporator of the heat recovery steam generator shows a perfect performance. Compared with the conventional combined cycle power plant with no solar field, the fuel consumption reduces by 1.12 kg/s, the fuel-based thermal efficiency increases by 4.6%, the exergy efficiency increases by 4.3%, the exergy loss rate reduces by 5.2%, and the fossil fuel saving rate reduces by 7.7%. In addition, the economic analysis reveals that the fuel saving cost and CO2reduction is 24.083 million yuan and 20 047.5 t per year.

solar energy, solar energy-gas combined cycle, gas- steam combined cycle, trough solar collector, exergy analysis, thermal performance

TK511

A

10.19666/j.rlfd.201902005

王樹成, 付忠廣, 高學偉, 等. 太陽能集熱器耦合方式對太陽能燃氣聯合循環性能影響分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 32-38. WANG Shucheng, FU Zhongguang, GAO Xuewei, et al. Effect of coupling mode of solar collector on performance of solar-gas combined cycle[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 32-38.

2019-02-16

中央高校基本科研業務費專項資金資助(2018QN035)；北京市自然科學基金項目(3162030)

Supported by：Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018QN035); Natural Science Foundation of Beijing (3162030)

王樹成(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向為先進熱力系統的集成與優化，wiserc@sina.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）