熔鹽儲熱型塔式太陽能與燃煤機組耦合方式及熱力性能分析

王惠杰，董學會，昝永超，楊 杰，羅天賜，于 佼，何 侖

熔鹽儲熱型塔式太陽能與燃煤機組耦合方式及熱力性能分析

王惠杰，董學會，昝永超，楊 杰，羅天賜，于 佼，何 侖

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

為提高塔式太陽能電站發電效率，同時降低火電機組煤耗，將配置熔鹽儲熱裝置的塔式太陽能光熱系統耦合到常規燃煤機組中，并對耦合系統進行模擬仿真。研究表明：在鍋爐75%THA工況基準下，太陽能光熱系統可以承擔5%~15%換熱負荷，使燃煤機組在80%THA~90%THA負荷下運行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%；利用熔鹽儲熱裝置的耦合機組在85%THA負荷下，穩定運行時間可延長約33%，整個耦合系統能夠消納更多的太陽能。該結論對塔式太陽能補償燃煤火電機組性能研究具有一定參考作用。

熔鹽儲熱；塔式太陽能；火電機組；耦合方式；熱力性能；仿真

隨著傳統能源日益枯竭以及能源需求量的持續增加，人類急需尋找化石能源替代品，以解決能源可持續發展問題。大力發展新能源和提升化石能源利用率已成為人類應對能源危機的重要舉措。經過近幾十年的發展，火電機組運行參數已經得到極大地提高，而受到材料的制約，運行參數進一步提升的空間已經變得越來越狹窄且成本巨大[1]。因此，各國都在尋求利用風能、太陽能等可再生能源降低或緩解對傳統煤電的依賴以達到高效環保、節能減排的目的。現階段技術對太陽能的開發程度較低，在利用太陽能發電方面，主要有借助光電效應的光伏發電和通過傳統熱力循環的光熱發電，其中太陽能光熱發電技術在經濟性方面擁有更大 的優勢[2-3]。

國際能源署指出，太陽能與化石燃料互補發電技術是近期太陽能熱發電的關鍵技術[4-6]。針對太陽能耦合燃煤電站代替部分燃煤發電，學者們已進行了大量仿真模擬以及實驗研究。文獻[7]通過建立太陽能與火電機組耦合優化模型，研究該系統的性能特征和規律；文獻[8]研究不同輻射強度對太陽能補償火電機組運行特性的影響以及優化鏡場和儲熱容量；文獻[9]將塔式太陽能與燃煤電站相結合，利用塔式太陽能加熱鍋爐過熱蒸汽或者過冷水以降低煤耗。

本文在介紹塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站原理的基礎上，對配置熔鹽儲熱裝置的塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站在不同工況下的運行特性進行分析與仿真，并討論了在不同太陽能輻射強度下配置熔鹽儲熱裝置前后對太陽能耦合燃煤電站運行性能影響。

1 雙罐熔鹽儲熱裝置

熔鹽被廣泛應用于能源領域，它具有高溫穩定性好、蒸氣壓寬范、擴散能力和熱容量較高等優 點[10]。本文采用應用廣泛的儲熱材料Solar Salt（成分為60%的NaNO3和40%的KNO3）熔融鹽，其適用溫度范圍較廣，可以滿足常規電站高參數要求，同時還具有低腐蝕性、低成本、熱容大以及工作穩定等特點。Solar Salt熔融鹽已經實現了太陽能光熱發電的商業應用，例如美國Solar Two以及西班牙Solar tres和Andasol電站已將其作為傳熱介質和儲能材料[11]。

本文雙罐熔鹽儲熱裝置的運行基本原理為：當儲罐工作時，290 ℃的冷熔鹽從冷罐經冷熔鹽泵輸送到太陽能集熱塔中吸熱升溫至585 ℃，然后高溫熔鹽進入熱罐儲存起來，當有需求或者滿足輸出條件時，從熱罐經熱熔鹽泵輸送至耦合系統各換熱站，經換熱后熔鹽溫度降到290 ℃，最終冷熔鹽回到冷罐，循環使用。雙罐熔鹽儲熱裝置結構如 圖1所示。

圖1 雙罐熔鹽儲熱裝置結構示意

2 塔式太陽能耦合燃煤電站系統

2.1 耦合方式

塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站的耦合系統分別為過熱耦合段和再熱耦合段。過熱耦合段在回熱系統1號高壓加熱器出口給水進入鍋爐系統之前被分為兩部分，一部分給水繼續進入鍋爐加熱變為過熱蒸汽，另一部分給水與雙罐熔鹽儲熱裝置（簡稱儲熱裝置）中的高溫熔鹽換熱后產生與鍋爐相同參數的過熱蒸汽，2股同樣參數的蒸汽匯合后進入汽輪機組內做功。再熱耦合段在高壓缸排汽進入鍋爐前用高溫熔鹽對冷段再熱蒸汽進行適當補熱，以維持再熱蒸汽在爐內換熱量不變，盡量保證進入鍋爐的工質參數保持不變，從而減少對鍋爐側造成的影響。塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站的耦合系統如圖2所示。

圖2 塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站的耦合系統

2.2 系統仿真

2.2.1 常規火電機組及儲熱裝置仿真

利用Aspen plus 軟件對燃煤機組以及儲熱裝置進行整體建模。高、中、低壓缸采用透平Compr模型[12]，高、低加熱器采用多物流換熱器MHeatX模型，除氧器和凝汽器分別用物流混合器Mixer中Hopper模塊和heater模塊，工質的分離和混合分別用分流器SSplit和物流混合器Mixer模型，節流閥采用Valve模型。搭建好流程模型后，進行全局設定，選用國際標準單位，選擇合適的物性方法，運行并查看結果，常規火電機組及儲熱裝置流程模型如圖3、圖4所示。

圖3 Aspen plus軟件建立的常規火電機組流程模型

圖4 Aspen plus軟件建立的儲熱裝置流程模型

2.2.2太陽能光熱系統

本文利用EBSILON軟件對太陽能光熱系統進行模擬。太陽能光熱系統主要包括集熱塔和鏡場，鏡場和集熱塔共同作用以加熱熔融鹽。其中，鏡場采用了EBSILON軟件內部自帶的模型，模型中包含了鏡場效率，可通過天氣數據輸出到太陽能模塊中，完成對整個太陽能光熱系統的模擬，得到熔融鹽在不同時間的進出口溫度數據。

2.3 系統性能及運行策略

未耦合前鍋爐在75%THA工況下的煤耗率為

式中：msb為進入鍋爐的給水流量，kg/h；ms為主蒸汽焓，kJ/kg；fwb為給水焓值，kJ/ kg；rs為再熱蒸汽流量，kg/h；rso為再熱蒸汽焓，kJ/ kg；rsi為再熱蒸汽冷段焓值，kJ/ kg；sc為煤的標準熱值，kJ/kg；b為鍋爐效率；sc1為煤耗率，g/(kW·h)。

塔式太陽能光熱系統耦合燃煤電站后的 煤耗比原來的燃煤電站明顯降低，折算成標準煤耗ps為

式中：r為耦合過熱段換熱量，kJ；z為耦合再熱段換熱量，kJ；為耦合系統穩定運行時間，h；為每小時的發電量，kW。

耦合后的省煤量與原電廠煤耗之比，可以用省煤率s表示：

耦合系統運行策略如下。

式中：TES為儲熱裝置的儲熱量，kJ；conv1為太陽能側持續時間1內輸入熱罐的熱負荷，MW。

熱罐釋放的熱量TES1和儲熱裝置剩余熱量TES2可以表示為：

式中：TES1為熱罐釋放的熱量，kJ；TES2為熱罐剩余的熱量，kJ；conv2為太陽能光熱系統持續時間3內輸出熱罐的換熱負荷，MW。

3 仿真結果分析

本文利用Aspen軟件對原燃煤電站某抽汽凝氣汽輪機和相匹配的超臨界鍋爐及儲熱裝置進行仿真模擬，表1為耦合系統基本參數。通過數據采集太陽輻射強度變化，利用仿真模擬集熱器得到隨時間變化的熔鹽流量數據，經過數據處理后得到儲能和釋能過程中熱罐熱量隨時間的變化情況。圖5為某日典型太陽輻射強度隨時間變化曲線。

表1 耦合系統基本參數

Tab.1 Basic parameters of the coupling system

圖5 某日典型太陽輻射強度隨時間變化曲線

根據表1和圖5中的數據，仿真得到不同工況下耦合前后電站參數見表2。由表2可知，不同工況下耦合后的系統參數與原燃煤機組基本保持一致，因此，可以認為該模型符合要求。

表2 不同工況下原電站與耦合后電站參數對比

耦合后燃煤機組負荷隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可見：00:00—7:00之間機組負荷處于低谷期，由于太陽輻射強度幾乎為零，太陽能光熱系統停止工作沒有負荷輸出；隨著太陽輻射強度的增加，太陽能光熱系統不斷向熱罐輸送熱量，而熱罐滿足不同工況換熱參數要求后開始釋能，機組負荷經歷短暫的波動后，燃煤電站鍋爐維持在75%負荷基準下，可以實現機組在80%THA~90%THA負荷下穩定運行，此時儲能和釋能同時進行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%，光電轉化效率約為26%，明顯高于單純的光熱電站；隨著時間推移，13:30—14:30太陽輻射強度達到峰值，熱罐儲熱負荷也達到峰值；到19:00左右，太陽輻射強度較弱，進入熔鹽罐的熱量越來越少，而熱罐儲存的熱量可以維持太陽能光熱系統換熱負荷穩定輸出一段時間，直到其輸出熱量逐漸無法滿足機組高參數運行要求后，太陽能光熱系統停止運行，燃煤機組重新回到負荷低谷期，即發電系統恢復到純燃煤電站工況。

圖6 耦合系統燃煤機組負荷隨時間變化曲線

耦合系統燃煤機組鍋爐負荷維持75%THA工況下，機組85%THA負荷下，有、無儲熱裝置發電負荷輸出隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可見：在00:00到7:00之間，無論是否加入儲熱裝置對發電量均無影響，這是由于此時太陽輻射強度為零，太陽能光熱系統熱負荷輸出為零；早上7:00之后，無儲熱裝置先于有儲熱裝置向機組輸入負荷，這是因為熱罐運行有一段緩沖時間，但影響較小；到19:00后，無儲熱裝置的太陽能光熱系統逐漸停止熱負荷輸出，而有儲熱裝置可以持續穩定釋放負荷，使機組穩定運行時間提高約33%。

為保證機組耦合系統在24 h內穩定不間斷運行，可增大熱罐容量，但這會增加投資。因此，存在一個既能充分發揮儲熱，又可提高穩定運行的熱罐最佳配置參數。

4 結 論

1）本文研究了一個含太陽能集熱器、儲熱裝置和燃煤電站的塔式太陽能耦合燃煤電站系統，并基于EBSILON和Aspen plus軟件對其熱力子系統進行模擬仿真，以燃煤電站設計工況與模擬數據進行比較，驗證了本文所搭建的仿真模型的準確性。

2）仿真研究結果表明，引入塔式太陽能與燃煤電站耦合，可以顯著降低燃煤機組煤耗，使得燃煤機組在80%THA~90%THA負荷下運行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%。

3）加入儲熱裝置后，機組穩定運行時間明顯延長，并且可以使得太陽能光熱系統輸出熱負荷保持穩定，提高了耦合系統運行的安全性和高效性。同時，儲熱裝置能夠使得耦合系統消納更多的太陽能。

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Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit

WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, YANG Jie, LUO Tianci, YU Jiao, HE Lun

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

To improve the power generation efficiency of tower solar power station and reduce the coal consumption of thermal power units, the tower solar thermal system with molten salt heat storage device is coupled into the conventional coal-fired unit. Moreover, simulation on this coupling system is carried out. The research shows that, at the benchmark of 75% THA of the boiler load, the solar photothermal system side can bear 5%~15% of the heat transfer load, so that the coal-fired unit can run at 80%THA~90%THA load, and the coal consumption reduction rate increases from 5.76% to 15.54%. After the molten salt heat storage device is coupled into the coal-fired unit, the stable running time of the coupled unit can be prolonged by about 33% at 85% THA load, so that the entire coupling system can comsume more solar energy. The conclusion can be used as a reference for the study of the performance of tower solar compensated coal-fired thermal power units.

molten salt heat storage, tower solar energy, thermal power unit, coupling method, thermodynamic performance, simulation

TK284.1

A

10.19666/j.rlfd.201812135

王惠杰, 董學會, 昝永超, 等. 熔鹽儲熱型塔式太陽能與燃煤機組耦合方式及熱力性能分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 47-52. WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, et al. Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 47-52.

2018-12-22

中央高校基本科研業務費專項資金資助(916021209)

Supported by：Fundamental Research Funds for the Central Universities (916021209)

王惠杰(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向為熱力發電廠節能與監測，ncepuwhj@163.com。

（責任編輯 楊嘉蕾）