直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统及其经济性分析

王淑慧， 熊源泉， 谢引航

(东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096)

我国中高温蒸汽广泛应用于工农业中，涉及化工、造纸、纺织和食品加工等行业。工业蒸汽能量主要由工业锅炉燃烧的化石燃料提供。目前，我国工业锅炉每年排放的烟尘约为800万 t，SO2约为600万 t，CO2约为1.64亿 t，灰渣约为8 700 t[1]。预计2030年我国CO2气体排放量将达到11 710 Mt[2]。利用太阳能中高温热能替代中高温工业热能，不仅拥有巨大的消费市场，而且也能有效减少煤、石油等传统化石能源的用量和降低化石能源带来的环境污染。

从20世纪80年代起，国外就利用太阳能产生蒸汽，并应用到实际生产中[3]。在国内，彭耀锋[4]结合回路型重力热管与抛物线槽式集热器，制造出180 ℃左右的蒸汽。廖伟初等[5]论述了中高温蒸汽在工农业生产中的应用。王红梅等[6]设计了一种间接式蒸汽发生系统。传统太阳能转化为蒸汽热能大多应用于太阳能热发电领域，由于其需求的蒸汽品质较高(300～450 ℃的过热蒸汽)，尽管该项技术已经取得了巨大进步，但始终面临着太阳能利用率低、系统造价成本高和投资回收期长等瓶颈[7]。目前，国内外学者关于高温蒸汽(120～250 ℃)发生系统的研究多集中于间接式发生系统，即导热油作为中间介质在槽式集热器中得到热量，通过换热器用于加热水并产生蒸汽。间接式槽式太阳能中高温蒸汽系统需要导热油作为中间介质，这会导致系统的热利用效率降低，系统的建设成本增加，同时导热油的使用也存在污染环境的隐患。目前还没有关于直接式槽式蒸汽发生系统的相关研究文献。

笔者在上述研究的基础上设计了一种应用于工农业生产的直接式槽式太阳能中高温蒸汽(120～250 ℃)发生系统，并建立系统的数学模型，研究辐射强度、环境温度对系统热效率和工质质量流量的影响，并提出蒸汽能源平均成本的新概念，对槽式太阳能中高温蒸汽发生系统的投资成本和蒸汽能源平均成本等重要指标进行了研究与分析。

1 系统说明

国内太阳能蒸汽发生系统多使用间接式槽式集热系统，导热油的使用造成了环境污染，中间换热设备的使用也增加了传热热阻，降低了能量利用效率，增大了投资成本。笔者设计了一种直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统。在该系统中，液态工质直接在集热管内加热至饱和状态，在疏水扩容器内降压蒸发产生蒸汽，通过集热系统末端的压力、温度反馈系统和流量调节装置得到所需品质的蒸汽。

直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统中工质加热至汽化分为加热至饱和和降压汽化2个部分，如图1所示。

工质(去离子水)经加压泵升压后，进入槽式集热系统内进行加热，在加热段末端处设置温度和压力测点，通过温度与压力的反馈来调节集热系统工质的进口质量流量，保证在加热段出口处工质水温度低于或等于相应压力下的饱和水温度，此集热管段内工质的流动为单相流。工质经槽式集热器加热后，经过疏水扩容器进行扩容蒸发，产生相应压力下的蒸汽，蒸汽直接输入工业用户，疏水扩容器中产生的饱和水由循环泵加压进行再循环。

图1 直接式槽式太阳能蒸汽发生系统

直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统的设计重点主要有两方面：太阳能集热器加热段的工质流相为纯液相，汽化发生在疏水扩容器内，这避免了传统直接式槽式蒸汽发生系统中工质汽化产生气液两相分层，造成金属真空集热管爆管现象；针对太阳辐射的不稳定性，通过计算得出不同辐射量下对应的工质质量流量和太阳能集热器出口处的温度、压力反馈，及时调节集热系统工质进口质量流量，使得系统运行管理更加稳定安全。

设计系统的优势分别为：用水替代导热油，降低了环境污染的风险；省略了油/蒸汽换热器及其附件等，减少了换热环节的能量损失，投资成本也大幅下降；蒸汽在疏水扩容器内产生，避免了工质气液两相对集热管造成的热应力，延长了集热管的使用寿命，简化了系统结构，降低了系统的运营成本。

2 系统数学模型建立及性能分析

太阳能集热器场由槽式集热器按一定布置方式连接而成，一般分为东西放置、南北跟踪和南北放置、东西跟踪2种布置方式。笔者选用LS-2型槽式集热器，主要具体参数见表1[8]。

2.1 太阳能集热系统数学模型的建立

通过反射镜面将太阳光聚焦反射到集热管上，直接把水加热到相应压力下的饱和水，这段工质流动为纯液相。太阳能集热器的数学模型建立在以下简化条件下：集热管内发生的热过程是稳态的；不考虑换热过程中的热损失、热泄漏以及流动过程的压力损失；流经集热器的介质是去离子水，且介质热物性与温度无关。

表1 Sandia Aztrack槽式集热器实验台LS-2型集热器参数

当太阳辐射强度变化时，通过调节集热管内工质质量流量来保证出口蒸汽参数不变。集热器场的换热效率为[9]：

(1)

(2)

式中：η为集热器场的换热效率，%；ηopt为集热器的光学效率，取值为71%；Idirect为太阳能直射辐射强度，W/m2；Ta为环境温度，K；ζab为金属涂层的发射率；Tab为管内流体的平均温度，K；Tin、Tout分别为集热器场工质的入口温度和出口温度，K；Kta为入射角的修正系数，取值为1；Vwind为环境风速，取值为4 m/s；a、b和c均为热平衡系数，其中a取值为1.91×10-2W/km2，b取值为2.02×10-9W/km2，c取值为6.608×10-3W/km2。

槽式集热器输出的有用能Qu表示为：

Qu=Q·η·ηgl

(3)

Qu=qm,out·cp·(Tout-Tin)

(4)

(5)

式中：Q为太阳辐射能量；ηgl为系统管道热损失，取值为93%；qm,out为集热管工质出口质量流量，kg/h；cp为工质比定压热容，此处工质为水，cp=4.18 kJ/kg；W为集热系统反射镜开口宽度，m；L为集热场加热段长度，m。

疏水扩容器是将高压液体降压，并产生汽化的装置。高压饱和水在疏水扩容器内降压，产生相应压力下的饱和蒸汽，对应的饱和水经循环水泵返回槽式太阳能集热系统中进行再循环。疏水扩容器内出口蒸气的质量流量[10]和汽化率的计算公式如下：

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

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：qm,steam为疏水扩容器出口蒸汽质量流量，kg/h；hout为集热管出口饱和水蒸气的焓值，kJ/kg；hsteam为疏水扩容器内饱和蒸汽焓值，kJ/kg；hcy为疏水扩容器内相应压力下饱和水的焓值，kJ/kg；ζ为疏水扩容器的汽化率；hw为系统补水的焓值，kJ/kg；ηx为系统热效率，%。

按照已建立的数学模型，并利用给定的边界条件，计算出蒸汽发生系统的相关性能参数，见表2。

表2 设计条件下系统性能参数

2.2 系统性能分析

在保持系统工质其他设计参数不变的基础上，研究辐射强度和环境温度对直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统性能的影响，研究的性能参数包括系统工质进口质量流量和系统热效率。在环境温度 (Ta=25 ℃) 保持不变的情况下，系统性能随辐射强度的变化如图2所示。

由图2可知，当辐射强度由100 W/m2增大到1 000 W/m2时，系统热效率从47.2%提高至66.3%，进入系统的热量增加。对于槽式集热器而言，辐射量增大，集热管金属吸热管外表面的热流密度和聚焦光斑温度也随之增大，热损失减少，从而使得系统热效率提高；对于蒸汽发生系统而言，为保证集热管出口工质参数不变，随着辐射量的增大，系统热效率提高，系统工质的质量流量随之增大。当辐射强度由100 W/m2增大到1 000 W/m2时，系统工质质量流量从0.07 kg/s增大至1.05 kg/s，进入系统的热量增加，为保证集热器出口参数不变，则集热器进口质量流量增大，相应的蒸汽质量流量也随之增大。由此可见，太阳辐射强度对系统的供热能力有较大影响。

图2 系统热效率和进口液体质量流量随辐射强度的变化

在辐射强度保持不变(Idirect=600 W/m2)的情况下，系统热效率和系统工质质量流量随环境温度的变化如图3所示。由图3可知，当环境温度由15 ℃升高至33 ℃时，系统热效率从64.5%缓慢提高至64.7%。随着环境温度的升高，由于减少了集热管和环境的散热温差，热损失减少，因此系统热效率得到提高。环境温度升高，系统工质质量流量从0.615 kg/s缓慢增大至0.617 kg/s，其原因是散热损失减少，进入系统的热量增加，为保持系统出口工质参数不变，因此进口工质质量流量也随之增大。

图3 系统热效率和工质质量流量随环境温度的变化

由此可知，环境温度升高，系统热效率和系统工质质量流量的増幅均不明显，集热效率仅提高0.3%，质量流量仅增大0.002 kg/s，这说明环境温度对系统供热能力的影响不明显。

3 系统经济性分析

3.1 蒸汽发生系统投资成本的分析

直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统总投资成本主要由建设投资成本和运行管理成本组成。表3给出了文献[11]中LS-2槽式太阳能热发电预估的投资成本和主要成本计算。

表3 槽式太阳能热发电建设投资成本

以槽式太阳能热发电系统投资成本为依据，按照直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统的结构特点，得到预估的投资成本，其中主要包括建设投资成本和运行维护成本。

直接式槽式太阳能中高温蒸汽发生系统的总初投资成本C为：

C=C1+C2

(10)

(Ce-Cb-Cs-Ch)·ηtur

(11)

Ch=Ce·ξ1

(12)

C2=Ce·ξ2

(13)

式中：C1为建设投资成本，$/kW；C2为运行维护成本，$/kW；B为建设总投资，$；Qt为供热量，MW；Qe为发电量，MW；Ce为槽式太阳能热发电建设投资总成本，$/kW；Cb为发电系统投资成本，$/kW；Cs为储热系统成本，$/kW；Ch为导热油投资成本，$/kW；ηtur为汽轮机效率；ξ1、ξ2均为比例因子，分别取为3%和6%[11]。

用太阳能代替传统工业锅炉提供热量，节约传统化石能源的效果最终体现在燃煤量的降低上，因此笔者给出了不同供热规模下产生蒸汽时的节煤质量流量qm：

(14)

式中：P为供热量，MW；ηnet为锅炉实际运行效率，取93.847%[12]；qnet为煤的发热量，取标准煤的低位发热量值29 270 kJ/kg[13]。

表4为依照式(14)得到的直接式槽式太阳能蒸汽发生系统投资成本。由表4可以看出，随着系统供热规模的扩大，槽式集热蒸汽发生系统总投资成本逐渐降低，最低可达631.30 $/kW，节煤质量流量随着供热规模的扩大而增大，最大可达36.40 kg/s。

表4 直接式槽式太阳能集热系统投资成本

3.2 系统投资经济性分析指标

考虑到资金的时间价值，在评价太阳能蒸汽发生系统的经济性时，不能简单地将系统总初投资成本、运行维护成本和年用水费用相加。为此，笔者提出采用动态年计算费用法，将总初投资成本折算成使用期限内的年投资成本，将其与年运行维护成本和年用水费用相加，计算出系统的年使用成本。再根据上述计算所得系统年使用成本和系统年产蒸汽量，得出系统产每吨蒸汽时消耗的能源成本，即蒸汽能源平均成本(简称CSLEC)。根据CSLEC的基本概念，其计算公式为：

(15)

(16)

式中：a为资金回收系数；Cw为年用水费用，$；Ba为年产蒸汽量，t/a；i为利率，取值为8%；n为系统寿命，a。

3.2.1CSLEC随年辐射量的变化

由于不同地区的太阳年辐射量有所不同，年辐射量的选取会影响蒸汽发生系统的经济性。笔者对比分析了系统使用寿命为20年，供热规模分别为135 MW、375 MW和1 000 MW时，在2种算法下年辐射量对直接式槽式太阳能蒸汽发生系统CSLEC的影响，如图4所示。

图4 CSLEC随年辐射量的变化

由图4可知，随着年辐射量的增加，CSLEC逐渐降低；在相同年辐射量的情况下，CSLEC随着供热规模的扩大而降低；在光照时间比较充足的地方，CSLEC有可能低于26.82 $/t。当辐射时间增加时，系统做功时间增加，年产蒸汽量增大，从而CSLEC降低。

3.2.2CSLEC随系统寿命的变化

在保证系统年辐射量为2 400 h不变的前提下，CSLEC随系统使用寿命的变化如图5所示。由图5可知，随着系统使用寿命的延长，CSLEC降低；在相同系统使用寿命下，CSLEC随着供热规模的扩大而降低。

图5 CSLEC随系统使用寿命的变化

在年辐射量为2 400 h的情况下，随着系统使用寿命的延长，CSLEC有可能降低至32.08 $/t。目前槽式集热系统的使用寿命普遍在20年左右。

4 结 论

(1) 当太阳辐射强度由100 W/m2增大到1 000 W/m2时，系统热效率从47.2%提高到66.3%，集热器进口工质质量流量从0.07 kg/s增大到1.05 kg/s。当环境温度由15 ℃升高到33 ℃时，系统热效率从64.5%缓慢提高到64.7%，系统工质质量流量维持在0.616 kg/s左右。辐射强度对系统热效率的影响较为明显，环境温度对系统热效率的影响不明显。

(2) 在1 000 MW的供热规模下，直接式槽式太阳能蒸汽发生系统的投资成本有望降低至631.30 $/kW，节煤质量流量最大可以达到36.4 kg/s。随着年辐射时间的增加，CSLEC明显降低，在系统使用寿命为20年的前提下，CSLEC可降低至26.82 $/t。随着系统的使用寿命的延长，CSLEC快速降低，在年辐射量为2 400 h的前提下，CSLEC可降低至32.08 $/t。系统设计应选择辐射条件较好的地区，系统的使用寿命应尽量延长。

(3) 随着太阳能集热器和热交换器技术水平的不断发展，系统建设成本会有所下降，蒸汽发生系统产蒸汽的成本也会降低，同时由于化石能源的不断紧缺，价格日益升高，其产生蒸汽的成本也不断升高，因此用直接式槽式太阳能蒸汽发生系统代替工业锅炉具有很好的经济性和更好的发展前景。

[1] 屠欣鑫, 孙振波, 邢璐. 国内工业锅炉节能发展现状[J].价值工程, 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] 张建民. 2030年中国实现二氧化碳排放峰值战略措施研究[J].能源研究与利用, 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] 彭耀锋. 回路型重力热管太阳能蒸汽发生系统的设计及理论分析[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.

[5] 廖伟初, 柯秀芳. 太阳能集热器在中高温蒸汽生产中的应用[J].节能技术, 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] 王红梅, 俞自涛, 胡亚才, 等. 太阳能中高温热利用技术及其经济性分析[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] 毛剑. 太阳能辅助燃煤机组发电系统性能研究及技术经济评价[D]. 北京: 华北电力大学, 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] 于鑫玮, 陈海平. 太阳能集热系统与600 MW燃煤机组集成及性能分析[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, 张燕平, 黄树红. 600 MW太阳能协同燃煤发电机组的变工况性能分析[J].动力工程学报, 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.