槽式太阳能燃气联合循环系统的经济性分析

邴旖旎， 王 军， 刘婷婷

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

新能源

邴旖旎， 王 军， 刘婷婷

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

以槽式太阳能热发电技术与燃气联合循环(ISCC)系统为例，通过与单独太阳能电站(SEG)及传统的燃气-蒸汽联合循环(GTCC)电站作比较，分析说明与太阳能互补的联合循环的优势。结果表明：ISCC电站与GTCC电站相比可以有效地减少燃料气耗量、降低CO2排放量，其经济性指标明显优于SEG电站。

槽式太阳能； ISCC； 经济性

太阳能热发电属于可再生的清洁能源发电，但由于成本高、效率低、不稳定等因素很难实现大规模发展应用。太阳能互补发电是将太阳能和其他能源相结合的混合发电系统,是解决可再生能源不连续、促进可再生能源发展应用、缓解化石能源紧张，以及减少环境污染的有效途径[1]。

国内外在太阳能与风能、地热能、生物质能及燃气轮机组成的联合循环发电等方面做了研究，其中对槽式太阳能与燃气-蒸汽联合循环结合(ISCC)系统研究较多。ISCC系统可以克服太阳能的不稳定且无需储热装置, 降低太阳能的发电成本, 从而成为研究热点之一。

目前国外正在运行的ISCC电站有很多，主要集中在美国、意大利、伊朗、埃及、阿尔及利亚、摩洛哥等[2]。埃及的Kuraymat项目，2008年1

月投入建设，采用太阳能与天然气的联合循环，太阳能集热场由2 000个集热器件组成，面积为130 800 m2，电站总容量为150 MW，太阳能出力约20 MW[3]。我国宁夏的ISCC项目机组容量为100 MW，太阳能场发电38.5 MW，占电站总出力约40%并具有储能系统[4]。

1 ISCC系统简介

ISCC电站是利用中高温太阳能集热器技术与燃气-蒸汽联合循环混合的热发电技术。利用燃气轮机余热来为太阳能热作补充，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。

图1为典型的槽式太阳能与燃气联合循环示意图。

图1 典型的槽式太阳能与燃气联合循环示意图

由图1可见：传热工质在槽式太阳能集热场内加热后，经余热锅炉再热进入蒸汽轮机做功，推动发电机发电；做功后的工质经水处理器重新经余热锅炉进入太阳能集热器循环；燃气轮机循环后的高温排气进入余热锅炉预热给水。

ISCC系统与单独的槽式太阳能发电系统和常规的燃气-蒸汽联合循环发电系统相比具有如下优势：

(1) 系统效率高。ISCC系统利用太阳能的热量提高了联合系统的效率。

(2) 降低成本。ISCC系统可不需要储热系统，尤其是当与现成的常规联合电站集成时，增加的蒸汽轮机费用远远小于建立一个单独太阳能电站的费用。

(3) 回避了太阳能热发电的瓶颈。由于太阳能集热器加热流体温度的限制，单独太阳能热发电效率不高，利用燃气轮机余热来为太阳能热作补充回避了该瓶颈问题。

(4) 减少天然气和水耗量。采用太阳能代替部分天然气，减少了天然气耗量。ISCC电站通常处于干旱、沙漠等太阳能资源丰富的地区，机组冷凝系统采用空冷系统，且ISCC机组中蒸汽循环部分占总发电量的50%，使ISCC机组水耗量比同容量的常规天然气-蒸汽联合循环发电机组约低40%[5]。

(5) 稳定供电负荷。ISCC系统利用燃气轮机组提供稳定的供电负荷，避免了单独太阳能发电受太阳辐射等外界条件的影响和负荷变化大对电网的冲击，可实现连续稳定供电。

(6) 清洁环保。ISCC电站采用太阳能和天然气作为燃料，太阳能部分无任何污染物排放，满足清洁环保的要求。

2 经济性评价指标

经济评价指标有很多，可以从不同角度反映系统的经济性，主要有净现值、投资回收期、内部收益率等。

2.1净现值

净现值指在项目计算期内，按行业基准折现率或其他设定的折现率计算各年净现金流量现值的代数和。

(1)

式中：CNPV为净现值；CCI为现金流入；CCO为现金流出；(CCI-CCO)t为第t年的现金流量；n为项目计算期；ic为基准折现率。CNPV>0，方案可行，即项目实施后，除保证可实现预定的收益率外，尚可获得更高的收益；CNPV=0，方案可考虑接受，即项目实施后的投资收益率正好达到预期；CNPV<0，方案不可行，即未能达到预定的收益率水平。

2.2内部收益率

内部收益率即资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于零时的折现率。

(2)

式中：iIRR为内部收益率。iIRR>ic，CNPV>0，方案可行；iIRR=ic，CNPV=0，方案可行；iIRR

2.3动态投资回收期

动态投资回收期是指在考虑货币时间价值的条件下，以投资项目净现金流量的现值抵偿原始投资现值所需要的全部时间，即动态投资回收期是项目从投资开始起，到累计折现现金流量等于0时所需的时间。

(3)

式中：Pt为动态投资回收期；Pc为基准投资回收期。Pt≤Pc，CNPV≥0，方案可行，即能在要求的时间内收回投资；Pt>Pc，CNPV<0，方案不可行，应当舍弃。

2.4能源平均成本

能源平均成本是对一个电站的各项成本和装置效率之间进行综合考虑的指标，也是在国际上经常用以比较可再生能源发电技术经济性的公式。

(4)

式中：C为总初投资；a为年系数；Com为运行维护成本；Cf为燃料成本；CC为二氧化碳减排受益；E为年发电量；i为利率；n为系统寿命。

3 经济性分析

3.1电站设计

以集热面积为270 320 m2的50 MW槽式太阳能热发电站为基础，设计的三个电站分别为：槽式太阳能热(SEG)电站(带储热系统，集热场面积为427 280 m2)、槽式太阳能与燃气联合循环(ISCC)的电站及常规的燃气蒸汽联合循环(GTCC)的电站[6]。具体电站设计有以下几点说明：

(1) 太阳能集热系统采用导热油为传热流体。

(2) 蒸汽系统采用三级压缩、单级再热的蒸汽轮机及回热蒸汽锅炉。

(3) SEG电站采用双罐熔融盐储热系统；ISCC电站及GTCC电站的燃料为天然气。

笔者将ISCC系统与SEG系统和GTCC电站系统作比较，ISCC系统与GTCC系统的输出功率相同。表1列出了三个电站的主要设计参数。

表1 三个电站的主要设计参数

ISCC电站可以减少单纯太阳能发电机组由于频繁启停造成的能量损耗，弥补常规燃气-蒸汽联合循环系统随大气温度升高出力减少的缺点；同时也比单纯的太阳能热发电更稳定。

3.2系统经济性分析

3.2.1 ISCC系统与GTCC系统经济性分析

假设这几套系统建设均在甘肃兰州地区，太阳能年辐射量为F为2 000 (kW·h)/m2，日照时长ta为3 200 h。按照集热损失QHCL=0.027 kW/m2计算，集热器的光学效率ηop=0.75。设集热场面积为A，则ISCC电站太阳能部分年吸热量Qsa可用下式表示：

Qsa=3 600(A·F·ηop-QHCL·A·ta)

(5)

燃料为天然气，其低位热值取35 000 kJ/m3，可以得到ISCC电站比GTCC电站年节约天然气量为39 300 km3，以天然气价格为1.5元/m3计算，年节省燃料费用为5 893万元，年减排CO277 155 t，按传统CO2减排成本80元/t，则年净增收益为6 510.24万元。

3.2.2 ISCC系统与SEG系统经济性分析

太阳能电站主要包括集热系统、储热系统、换热系统和发电系统。根据文献[7]可以看出单独槽式电站中太阳能集热场的成本占总投资的主要份额，主要包括聚光器、真空集热管、就地控制器等。按太阳能集热场投资2 000元/m2[8]，并参考文献[9]～文献[12]及国内外市场价格确定ISCC电站中各项成本。SEG电站和ISCC电站基础投资估算见表2。

表2 两个电站基础投资情况 万元

从表2还可以看出：太阳能集热场的成本占总投资成本的比重较大，尤其是对于单纯太阳能发电系统；ISCC电站由于没有储热系统，储热换热成本远远低于SEG电站；ISCC电站机组容量大于SEG电站且加入了布雷顿循环，发电模块成本远高于SEG电站。

假设折现率为10%，系统寿命为20 a，利率为6%，年运行小时数为5 500 h，电价按照0.5元/(kW·h)计算，根据式(1)～式(4)得出各经济性指标见表3。

表3 经济性指标计算

SEG电站的CNPV<0，即单纯的太阳能电站在电价较低的情况下是不可取的，更多地依赖于国家补贴政策才能运行；而ISCC电站CNPV=72 832.35万元，iIRR=15.8%，远大于ic，Pi=10 a，CLEC=0.35元/(kW·h)，远远低于纯太阳能发电成本。按电价1.2元/(kW·h)计算时，SEG电站CNPV=-0.05万元，仍然是亏损的。因此，ISCC电站经济性明显优于SEG电站。

由上述计算可知：ISCC电站比GTCC电站年节约燃气39 300 km3，减排CO277 155 t，ISCC电站内部收益率较高，是较理想的选择。因此，开发利用ISCC系统对减少化石能源消耗、降低污染排放和降低能源成本方面有重要意义。

4 结语

ISCC电站采用太阳能-燃气联合循环，减少了对太阳能的依赖和机组的频繁启停，全面提高了机组发电效率。燃气轮机组的引入降低了对太阳能集热系统产生高温蒸汽的要求，电站不需要储热系统，降低了电站成本，具有经济优势。

通过ISCC电站与SEG电站及GTCC电站的比较，得出：ISCC电站在节约燃料气、减排CO2方面比GTCC电站具有优势；在经济性方面比SEG电站具有较大优势。笔者设计的槽式太阳能-燃气联合发电系统具有较高的经济性，对ISCC电站的建设具有参考价值。

[1] 林汝谋, 韩巍, 金红光, 等. 太阳能互补的联合循环(ISCC)发电系统[J]. 燃气轮机技术, 2013, 26(2): 1-15.

[2] BEHAR O, KHELLAF A, MOHAMMEDI K, et al. A review of integrated solar combined cycle system (ISCCS) with a parabolic trough technology[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 39: 223-250.

[3] BRAKMANN G, FATHY M, DOLEJSI M, et al. Construction of the ISCC Kuraymat[C]//International SolarPACES Conference. Berlin: SolarPACES, 2009: 15-18.

[4] 郑建涛, 徐越, 许世森. 太阳能-燃气联合循环发电技术[J]. 热力发电, 2014, 43(8): 24-28.

[5] 闫鹏, 张钧, 李惠民, 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): 24-29.

[6] DERSCH J, GEYER M, HERRMANN U, et al. Trough integration into power plants-a study on the performance and economy of integrated solar combined cycle systems[J]. Energy, 2004, 29(5-6): 947-959.

[7] 李然, 封春菲, 田增华. 槽式太阳能热发电站系统配置的经济性分析[J]. 电力勘测设计, 2015(1): 71-75.

[8] Sargent & Lundy LLC Consulting Group. Assessment of parabolic trough and power tower solar technology cost and performance forecasts[R]. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 2003.

[9] BAKOS G C, PARSA D. Technoeconomic assessment of an integrated solar combined cycle power plant in Greece using line-focus parabolic trough collectors[J]. Renewable Energy, 2013, 60: 598-603.

[10] DARWISH M A. On the use of integrated solar-combined cycle with desalting units in Qatar[J]. Desalination and Water Treatment, 2015, 53(4): 855-875.

[11] 王晓苹. 太阳能-燃气联合循环发电系统经济性分析[D]. 保定: 华北电力大学, 2013.

[12] NEZAMMAHALLEH H, FARHADI F, TANHAEMAMI M. Conceptual design and techno-economic assessment of integrated solar combined cycle system with DSG technology[J]. Solar Energy, 2010, 84(9): 1696-1705.

EconomicAnalysisofanIntegratedSolarCombinedCycle

Bing Yini, Wang Jun, Liu Tingting

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The advantages of an integrated solar combined cycle (ISCC) system were analyzed by comparing it with an independent solar energy generation (SEG) power plant and a conventional gas turbine combined cycle (GTCC) unit. Results show that compared with GTCC unit, the ISCC system can effectively reduce the fuel gas consumption and CO2emission, and its economic index is obviously higher than that of a SEG power plant.

solar trough; ISCC; economical performance

2016-12-13；

2017-04-26

邴旖旎(1990—)，女，在读硕士研究生，研究方向为太阳能热发电。E-mail: yinibing@126.com

TK519

A

1671-086X(2017)06-0407-04