太阳能——燃气联合循环发电优势及经济性探讨

闫 鹏

(中国电力建设集团有限公司，北京 100044)

太阳能
——燃气联合循环发电优势及经济性探讨

闫 鹏

(中国电力建设集团有限公司，北京 100044)

对太阳能——燃气联合循环发电(ISCC) 发电的发展现状做了简要介绍。论述了ISCC发电项目的建设条件要求。从提高能源利用率、与电网峰谷相适应、提高天然气利用率、稳定负荷、减少对电网冲击、提高稳定性、节约能源等方面，详细介绍了ISCC发电项目的发电优势。对ISCC发电项目的技术经济指标进行了简要介绍分析。太阳能-燃气联合循环ISCC技术的推广，对推动技术进步、国际合作及产业升级有着重要的作用，符合国家利用可再生能源规划的要求。

ISCC 发电技术；发电优势；经济性。

1 概述

太阳能——燃气联合循环(ISCC)发电技术是利用槽式聚光太阳能发电技术与燃气——蒸汽联合循环发电技术相结合的新兴技术。ISCC发电技术利用燃气轮机余热来为太阳能热作补充，燃气轮机余热用于预热给水和提高太阳能热产生的过热蒸汽的温度，以提高朗肯循环的出力，优化能源发电效率。

目前已投产的ISCC项目是埃及的Kuraymat项目，该项目已在2011年6月正式投产运行，项目技术支持及运营方SolarMillennium公司声称该项目太阳能热力混合电站性能超过预期的8%。另外在摩洛哥、墨西哥、印度、阿尔及利亚、伊朗、约旦及中国均有在建及计划开发的ISCC项目。我国的ISCC项目位于宁夏盐池地区，由宁夏哈纳斯集团投资建设，并致力于打造亚洲首个ISCC示范工程。该项目已于2011年10月破土动工，预计2013年底投产。

2 ISCC发电项目的建设条件

ISCC发电技术是将槽式太阳能热发电与燃气联合循环发电技术结合在一起，这就对ISCC发电项目的建设提出了较高的要求。ISCC发电项目的建设条件主要包括：太阳能资源、天然气资源以及其他常规建设条件。

与常规太阳能发电项目一样，ISCC项目的首要建设条件就是丰富的太阳能资源。我国的太阳能资源受地理纬度、地形和大气环流等因素的影响，呈现出明显的地域特色。西藏大部、新疆南部以及青海、甘肃和内蒙西部，是太阳能资源极丰富地区；新疆大部、青海和甘肃东部、宁夏、陕西等区域，仅次于极丰富地区，可利用时数的年变化也比较稳定，适于发展太阳能发电项目；而我国东南丘陵地区、汉水流域以及四川、贵州、川黔区，太阳能辐照年变化量大，辐照强度小，已不利于太阳能资源的利用。

我国天然气资源分布相对集中，主要分布在陆上西部的塔里木、鄂尔多斯、四川、柴达木、准噶尔盆地，东部的松辽、渤海湾盆地，以及东部近海海域的渤海、东海和莺—琼盆地。

根据我国太阳能资源分布及天然气资源分布，ISCC发电项目的主要建设条件宜同时满足处于太阳能资源与天然气资源均较丰富的地区，如：新疆、青海、甘肃、内蒙西部及宁夏等地区。当然还需同时考虑其他常规建设条件作为ISCC发电项目的次要建设条件。

3 ISCC发电项目的发电优势

太阳能——燃气联合循环(ISCC)发电项目与常规的槽式太阳能发电、燃气——蒸汽联合循环发电项目相比具有如下优势：

3.1 ISCC发电可提高能源利用效率

常规燃气——蒸汽联合循环发电全厂总热效率约为45%～50%。常规槽式太阳能热发电项目的发电热效率一般为13%～16%，峰值效率为24%。ISCC全厂总热效率可达70%～80%。使整个槽式太阳能——燃气联合循环电站的效率可提高25%。目前投产的埃及Kuraymat项目的能效可达到67%以上。

以上计算是根据国内外已有文献中的ISCCS热效率均按此方法估算。此方法是将太阳能的热量作为无偿的输入，即不将太阳能的热量计入。由于不计入太阳能热量却记入太阳能增加的汽机发电量，因此此种ISCC的热效率可达到80%～90%，甚至达到100%。此计算存在的问题是，将太阳能作为免费能源，忽略了太阳能部分的投资。这就需要对计算进行重新修正。

在相同装置规模和相同能量输入的前提下，采用ISCC系统方式的热效率与分别建设纯槽式太阳能热发电系统和常规燃气蒸汽联合循环发电系统的综合热效率进行比较。

ISCC系统发电热效率的计算由于引入了不稳定的太阳能热量，使ISCC系统发电热效率的计算更加复杂。为了简化计算，假定太阳能热量充足且不变，计算此工况下ISCC系统的发电热效率，作为ISCC系统在有太阳能时的标准等效折算工况。ISCC系统有太阳能时的标准等效折算工况下热效率的计算公式如下：

按实际太阳能热量计入公式。由于太阳能的能热转换效率约为48%，远小于天然气的能热转换效率，因此引入实际太阳能热量后，ISCC热效率将介于常规燃气——蒸汽联合循环发电热效率和常规槽式太阳能热发电热效率之间。初步估算在太阳能发电量占ISCCS总发电量比例约为40%时，ISCC热效率一般约为28%左右，峰值效率约37%左右；在太阳能发电量占ISCC总发电量比例约为20%时，ISCC热效率一般约为40.2%左右，峰值效率约45.7%左右。

假定常规燃气——蒸汽联合循环发电热效率为50%，常规槽式太阳能热发电热效率为16%，峰值效率24%。若太阳能发电量与燃气联合循环发电量比例为4:6，则计算出分别建设纯槽式太阳能热发电系统和常规燃气蒸汽联合循环发电系统的综合热效率为27%，峰值效率为34.9%；若太阳能发电量与燃气联合循环发电量比例为2:8，则计算出分别建设纯槽式太阳能热发电系统和常规燃气蒸汽联合循环发电系统的综合热效率为35%，峰值效率为41%。

由以上估算结果看在相同相同装置规模和相同能量输入的前提下，采用ISCC系统方式的发电热效率高于分别建设纯槽式与常规燃气联合循环的综合热效率。同时可以看出随着利用太阳能比例的减小，ISCC系统与分建相比发电热效率提高越多，在20%太阳能比例时提高最多。因为，ISCC系统采用的是较大的高温高压汽轮发电机组，而纯槽式太阳能热发电采用的是中等的高压中温汽轮发电机组，常规燃气蒸汽联合循环发电系统采用的是小型中温中压汽轮发电机组，ISCC系统汽轮发电机组的发电效率均大于分建的两个系统。

因此，槽式太阳能——燃气联合循环发电系统充分利用太阳能作为中低温加热热源，天然气发电后的高温烟气作为高温加热热源，可提高能源利用效率。

3.2 ISCC系统与电网的峰谷相适应

通常每天用电高峰在白天和傍晚，而用电低谷在晚上。从我国太阳能辐射的日分布上看，从上午9点至下午4点太阳能辐射强度较强，通过增加热储能系统后，可延长整个槽式太阳能——燃气联合循环系统运行小时至晚上9点，系统出力变化与电网用电峰谷相吻合。

3.3 可提高天然气利用率

常规槽式太阳能发电电站需配置燃气锅炉作为导热油及系统保温的所需热源，每年需要消耗约500万立方天然气资源。槽式太阳能——燃气联合循环ISCC系统可用燃机余热锅炉排烟的废热作为导热油及系统保温所需热源，降低能源消耗，提高了天然气的利用率。

3.4 ISCC可稳定供电负荷

常规槽式太阳能发电电站的发电负荷受天气影响很大，需要有足够太阳辐射才可运行。当遇到云遮挡情况，太阳辐射较低，直接影响机组的发电负荷。虽然可利用储能系统进行弥补，但始终存在供电负荷不稳，对电网存在冲击的情况。ISCC系统利用燃气轮发电机作为稳定的供电负荷，减少太阳能发电所占的比例，保证在夜间及太阳能不足的情况下，维持至少50%～60%的供电负荷，减少由于外部气候条件变化对电网的冲击。

3.5 ISCC提高了系统的稳定性

常规槽式太阳能发电系统需要每天启停，在每天启停的过程中需要消耗大量的额外能量，减少了汽轮机组出力；同时，汽轮机每天启停，增加了机组的疲劳损伤，减少了机组的运行寿命。ISCC系统可每天在30%～100%负荷之间运行，通过调整机组出力，减少了机组的频繁启停。

3.6 ISCC提高能源利用效率

ISCC系统与常规燃气——蒸联合循环相比节约节约能源，提示了能源利用率。

槽式太阳能——燃气联合循环发电系统充分利用太阳能作为中低温加热热源将蒸汽加热至微过热，天然气发电后的高温烟气作为高温加热热源进一步提高蒸汽参数，同时ISCC系统采用的是较大的高温高压汽轮发电机组，而常规燃气蒸汽联合循环发电系统采用的是小型中温中压汽轮发电机组,进而提升了蒸汽品质和做功能力，节约能源的同时优化能源利用效率。

4 ISCC发电项目的技术经济指标

太阳能—燃气联合循环ISCC项目与现有较成熟的太阳能光伏发电及常规燃气—蒸汽联合循环发电项目有较大区别。且目前ISCC项目的槽式太阳能岛技术和设备均主要依赖进口，因此ISCC项目的投资目前还处于较高的水平，但随着国内项目的增长，引进国外先进技术，实现本土化发展，价格水平将进一步降低。

目前我国小型燃气——蒸汽联合循环的上网电价是0.7元左右，项目造价约为5500元/kW。太阳能光伏发电项目的上网电价是1.0元左右，光伏发电项目造价1.2万元/kW。我国首个槽式太阳能热发电示范项目——内蒙古自治区50MW槽式太阳能热发电项目计划总投资16亿元，造价约为3.2万元/kW。

目前全球唯一投产的I S C C项目只有埃及的Kuraymat项目，该项目的总装机容量150MW，总投资超过2.5亿欧元，其中30%用于太阳能部分的开发。全球环境基金(GlobalEnvironmentFacility，简称GEF)为太阳能项目投资了大约5000万美元。

目前我国ISCC项目的造价主要受太阳能岛的高投资的限制。目前我国槽式太阳能热发电项目的造价约为3.5万元/kW(国外设备)和2.5万元/kW(国产设备)。根据初步测算，在当前状况下100MW级ISCC项目的投资约为20亿左右，折算2.0万元/kW；在保证投资收益6%的前提下，上网电价在1.5元左右。随着技术进步及国际合作的加快，以及国内设备制造厂家积极投身于设备的研发与国际合作中，逐步实现设备的本土化。ISCC项目的造价将进一步降低，预计到2020年，ISCC项目的造价将降低到1.2～1.4万元/kW，在保证投资收益6%的前提下，上网电价在1.1～1.2元左右。

5 结语

太阳能——燃气联合循环ISCC技术的推广，改变了传统槽式太阳能热发电的模式，运行灵活，在太阳能充足和不足时均能稳定运行，减少了对太阳能的依赖，减少了机组的频繁启停，最大程度的提高了全年机组发电效率。同时，传统槽式太阳能热发电工程在夜间需要燃用天然气作为集热区、换热区和储能区热备用燃料，而ISCC项目采用太阳能——燃气联合循环技术，夜间燃气轮发电机与汽轮发电机按常规燃气——蒸汽联合循环方式运行，可利用燃气轮发电机组机发电后高温烟气作为集热区、换热区和储能区热备用热源。大幅降低了能耗。另外燃气轮发电机组的引入，可以减低项目千瓦造价和上网电价，使项目的经济效益在太阳能发电领域具有一定的优势。

[1]Georg Brakmann，Rainer Aringhoff．Dr Michael Geyer．Sven Teske：Concentrated Solar Thermal Power．Sven Teske， Greenpeace International，2005．09．

[2]Solar Millennium：Solar Millennium’s 150MW Kuraymat solar hybrid plant touts performance 8% over estimated target，2009．11．

[3]闫鹏，等．太阳能——燃气联合循环发电概况及我国建设条件分析[J]．电力勘测设计，2011，(4)．

Discussion on Power Generation Advantage and Economical Character of Integrated Solar Combined Cycle System

YAN Peng
(Power Construction Corporation of China, Beijing 100044, China)

Introduce the development of Integrated Solar Combined Cycle. Discusses the ISCC power project construction requirements. From raise energy utilization rate, And grid Peak valley adaptation, Raising natural gas utilization rate, stable load, reduce the impact on power grid, improve the stability, energy saving etc., detailed introduced the ISCC power project power advantage. On the ISCC power project technical and economic indexes are introduced in brief analysis. Integrated Solar Combined Cycle(ISCC) technologies, to promote technological progress and industrial upgrading, the international cooperation plays an important role, in line with national renewable energy planning requirements.

ISCC power generation technology; power advantage; economy.

TM621

C

1671-9913(2012)02-0052-04

2012-05-01

闫鹏(1981- )，男，北京人，硕士，工程师。