太阳能集热器耦合方式对太阳能燃气联合循环性能影响分析

王树成，付忠广，高学伟，高玉才，张高强

太阳能集热器耦合方式对太阳能燃气联合循环性能影响分析

王树成，付忠广，高学伟，高玉才，张高强

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206）

根据“能量互补，梯级利用”原则，对太阳能燃气联合循环中太阳能集热器出口过热蒸汽与余热锅炉3种耦合方式的性能进行了研究，对比分析了3种耦合方式下系统燃料消耗量、燃料基热效率、㶲效率、㶲损率、化石燃料节约率及不同集热场出口蒸汽温度对系统性能的影响。结果表明：太阳能集热器出口过热蒸汽接入到余热锅炉的高压蒸发器出口时，具有较高的热力性能，与没有投入太阳能集热器相比，燃料消耗量降低1.12 kg/s，燃料基热效率提高4.6%，㶲效率提高4.3%，㶲损率降低5.2%，节约化石燃料率为7.7%；此外，通过经济性分析可知，采用上述耦合方式每年可节约燃料费用2 408.3万元，减少CO2排放量20 047.5 t。

太阳能；太阳能燃气联合循环；燃气-蒸汽联合循环；槽式集热器；㶲分析；热力性能

太阳能燃气联合循环（ISCC）系统是将太阳能集热器与燃气联合循环发电系统相结合的一种新型发电系统[1-3]。ISCC利用太阳能加热一部分给水，不但可以减少部分燃料的消耗，降低温室气体的排放，还可以提高系统效率[1-3]。目前，太阳能集热器主要有塔式、槽式、菲涅尔等形式，而槽式太阳能集热器在中低温发电领域应用较为广泛，可以将给水加热到390 ℃左右，与燃气联合循环温度耦合较理想[4-7]。

目前，许多学者都致力于ISCC系统的研究。Achour等人[8]采用阿尔及利亚南部的气象数据对ISCC系统进行分析，结果表明该系统在夏季光电转换率的峰值会达到14.4%，而由于冬季的太阳能辐射强度较低及受到太阳入射角的影响，系统光电转换率仅为8%左右，且太阳能辐射强度越强，发电量越大，系统效率也会越高。Brodrick等人[9]采用数值模拟的方法，优化了ISCC系统耦合方式，并在此条件下对系统的成本，年CO2排放量等参数进行研究，结果表明ISCC系统与其他CO2减排技术相比具有很强的竞争优势。刘仁志等[10]将太阳能直接蒸汽发生系统与高压蒸汽蒸发过程耦合，并对耦合系统中集热器行间距及倾角等参数进行优化研究，指出当第一排集热器倾角为33°时，全年产生的单位面积有效太阳热能最大，而当阵列间距为3 m，倾角为17°时，阵列间相互遮挡的影响最小。裴杰等[11]针对华能南山热电厂菲涅尔式ISCC系统中的过热蒸汽引入汽轮机低压缸做功所导致的能量损失问题，提出在太阳能集热场中增加蓄热系统，结果表明与原系统相比，太阳能发电功率提高了189 kW，系统热效率提高了0.15%。李元媛等[12]对ISCC系统的能效及给水控制进行优化，得出了不同太阳辐射强度下的最优给水流量比值。

本文主要对槽式太阳能集热器在ISCC系统中的不同耦合方式进行研究，探索ISCC系统在 不同耦合方式下的热力学性能，阐述系统最优 配置下的耦合机理，为ISCC电厂的设计提供理 论依据。

1 ISCC系统及模型

1.1 ISCC系统

本文所研究的ISCC系统主要由传统燃气-蒸汽联合循环（包括M701F型燃气轮机、三压再热余热锅炉、汽轮机等）和槽式太阳能集热器组成。在传统燃气-蒸汽联合循环系统中，燃料在燃气轮机内燃烧，产生的高温气体进入余热锅炉加热给水，产生的蒸汽进入汽轮机做功。其中，汽轮机高压缸的排汽与中压过热蒸汽混合后，经余热锅炉再热器加热后进入汽轮机中压缸做功。在ISCC系统中，余热锅炉中的一部分给水被引入到槽式太阳能集热器中进行加热，所得过热蒸汽最后与余热锅炉中的蒸汽混合。在ISCC系统输出功率保持不变的情况下，可减少部分化石燃料的消耗量，降低CO2的排放，同时提高系统效率。

太阳能集热器的过热蒸汽接入余热锅炉内蒸汽的耦合方式比较多，而不同的耦合方式对ISCC系统整体的性能影响较大。根据“能量互补，梯级利用”原则[13]，选取余热锅炉内蒸汽温度与太阳能集热器出口过热蒸汽温度相近的点高压蒸发器出口、汽轮机高压缸排汽与中压过热蒸汽混合后即再热器入口处、低压过热蒸汽出口，接入太阳能集热场，这3种太阳能集热器耦合方式如图1所示。

图1中LEP为低压省煤器，LPB为低压蒸发器，HPE1为高压省煤器1，IPE为中压省煤器，IPB为中压蒸发器，LPS为低压过热器，HPE2为高压省煤器2，IPS为中压过热器，HPE为高压蒸发器，RH为再热器，HPS为高压过热器，LPD为低压汽包，IPD为中压汽包，HPD为高压汽包，LPFWP为低压给水泵，IPFWP为中压给水泵，HPFWP为高压给水泵，LT为低压汽缸，IT为中压汽缸，HT为高压汽缸，Gen为发电机，AC为压气机，CC为燃烧室，Exp为透平。这里需要指出的是，3种耦合方式下太阳能集热场出口过热蒸汽的压力不同，且与被接入节点的压力保持一致。

1.2 模型介绍

本文采用EBSILON来搭建系统模型。EBSILON是德国鲁尔集团子公司STEAG开发的一款广泛用于电站规划的设计及优化软件。传统燃气-蒸汽联合循环在100%工况下的设计值与模拟值见表1。表1中燃气轮机参数采用三菱M701F的设计值。由表1可以看到，设计值与模拟值之间的误差均小于3%，可以认为本文模型搭建正确。

表1 传统燃气-蒸汽联合循环主要参数

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

表2 太阳能集热器的主要参数

Tab.2 Main parameters of the parabolic trough solar collector

2 ISCC系统评价指标

ISCC系统由槽式太阳能集热器和传统燃气-蒸汽联合循环组成。太阳能集热器接受到的太阳辐射量s为

式中：为槽式太阳能集热器的个数；为单个集热器的面积，m2；DNI为太阳能辐射强度，W/m2。

太阳能经槽式集热器反射后存在多种能量损失，被集热管吸收的能量a为

式中opt为比例系数，可以用下式表示[16]：

式中，h、h、h、int、h、cf和分别为槽式太阳能集热器的表面反射率、透射率、吸收率、采集因子、镜子利用率、集热器镜面洁净系数、入射角修正系数。

由于槽式太阳能集热器只有1根轴用来追踪太阳辐射，因而不具有各向同性，需要获取不同二维太阳能入射角组合所对应的入射角修正系数，太阳能入射角修正系数可以表示为[17]

式中为入射角。用下面的公式计算[14]

式中，为太阳偏角，为太阳角。和可分别利用公式(6)和公式(7)计算得到：

式中：为一年中的自然天数，如每年的1月1日即=1；h为时间。

ISCC系统燃料基热效率定义为系统发电量与消耗燃料能量之比：

通常的热量平衡和能量转换效率并不能反映出系统能量的利用程度，因此引入㶲效率以衡量输入系统㶲的利用率，从而分析能量利用的合理性。 ISCC系统燃料基㶲效率定义为系统净发电量与系统输入㶲之比：

式中，输入系统的燃料㶲值约为其能量的1.06倍[18]。

此外，㶲损率用来表示整体或局部的㶲损占系统总输入㶲的大小：

化石燃料节约率用来衡量将太阳能输入系统后，节省的燃料消耗量与在相同条件下传统燃气-蒸汽联合循环机组消耗燃料量之比：

3 模拟结果分析

将太阳能集热器出口过热蒸汽分别接入到高压蒸发器出口处（耦合工况1）、再热器入口处（耦合工况2）、中压过热蒸汽出口处（耦合工况3），当DNI=800 W/m2时，ISCC系统主要耦合节点参数模拟计算结果见表3。耦合工况2之所以将集热场出口蒸汽接入再热器入口处，是由于混合后的蒸汽温度与集热场过热蒸汽温度较接近，符合“能量互补，梯级利用”的原则，可减小在混合过程中的不可 逆损失。

表3 ISCC系统主要耦合节点参数

Tab.3 Main coupling point parameters of the ISCC system

太阳能集热器与余热锅炉在3种耦合工况下消耗的燃料质量流量fuel随DNI的变化情况如图2所示。从图2中可以看到：在太阳能辐射强度较小时，3种耦合工况下燃料消耗量保持一致，为14.59 kg/s （200 W/m2）；而随着太阳能辐射强度的增加，3种耦合工况下的燃料消耗量均降低；当DNI= 800 W/m2时，耦合工况1的燃料消耗量最低为13.47 kg/s，与没有投入太阳能集热器相比燃料消耗量降低1.12 kg/s；耦合工况2和耦合工况3的燃料消耗量分别为13.59 kg/s和13.91 kg/s。

图2 ISCC燃料质量流量随DDNI变化

ISCC系统化石燃料节约率fuel–saving随DNI的变化如图3所示。由图3可见：各耦合工况的化石燃料节约率随DNI的增加而升高；耦合工况1化石燃料节约率最高，当DNI=800 W/m2时，耦合工况1的化石燃料节约率为7.7%，高于耦合工况2（6.8%）和耦合工况3（4.7%），具有较好的经济效益。

图3 ISCC系统化石燃料节约率随DDNI变化

ISCC系统燃料基热效率和㶲效率随DNI变化情况如图4和图5所示。从图4和图5可以看到：当太阳能辐射强度较低（200 W/m2）时，3种耦合工况下ISCC系统的燃料基热效率和㶲效率均较低，分别为54.6%和51.5%。由于太阳能辐射强度较低，太阳能集热器没有启动，此时ISCC系统以传统燃气-蒸汽联合循环的方式运行，ISCC系统的基热效率和㶲效率与传统燃气-蒸汽联合循环保持一致。

图4 ISCC系统燃料基热效率随DDNI变化

图5 ISCC系统㶲效率随DDNI变化

随着太阳能辐射强度的增加，ISCC系统燃料基热效率和㶲效率均随之增大。其中，耦合工况1的燃料基热效率和㶲效率高于其他两个工况，当DNI= 800 W/m2时，耦合工况1的燃料基热效率为59.2%，㶲效率为55.8%，分别比传统燃气-蒸汽联合循环高4.6%和4.3%。这是由于耦合工况1中太阳能集热器出口过热蒸汽与高压蒸发器出口蒸汽混合后，依次进入高、中、低压缸继续做功，而耦合工况2中集热场出口的过热蒸汽仅进入中、低压缸做功，而耦合 工况3中集热场出口的过热蒸汽只进入低压缸做功，因而耦合工况1下的过热蒸汽做功能力更强，效率更高。

ISCC系统㶲损率随DNI变化如图6所示。从图6中可以看到：3种耦合工况在太阳能辐射强度较低时㶲损率大致相同，为48.5%；而随着太阳能辐射强度的增加，ISCC系统的㶲损率随之降低。这是由于随着太阳能辐射强度的增加，集热场的效率会随之增加，减小了ISCC系统的不可逆损失。由于㶲损率与㶲效率互为倒数关系，因而㶲效率较大的系统㶲损率会相对较小。当DNI=800 W/m2时，耦合工况1的㶲损率最低为43.2%。

图6 ISCC系统㶲损率随DDNI变化

在太阳能辐射强度为800 W/m2时，研究不同太阳能集热器出口过热蒸汽温度对ISCC系统燃料基热效率及㶲效率的影响，结果如图7和图8所示。由图7和图8可以看出：随着集热场出口过热蒸汽温度的升高，3种耦合工况的燃料基热效率及㶲效率均升高；耦合工况1不同集热场出口过热蒸汽温度下的燃料基热效率及㶲效率均高于其他两个工况。这表明将太阳能集热器出口过热蒸汽耦合到余热锅炉高压蒸发器出口对原系统的贡献最大。

图7 不同太阳能集热器出口过热蒸汽温度对ISCC系统燃料基热效率的影响

图8 不同太阳能集热器出口过热蒸汽温度对ISCC系统㶲效率的影响

当太阳能辐射强度为800 W/m2时，假设系统每天运行5 h，按全年360天计算，得到3种耦合工况下年燃料节约量与年节省燃料费如图9所示。由图9可见，3种耦合工况下年天然气节约量为7 290.0、6 499.4、4 464.7 t。以上海市2018年6月公布的《上海市物价局关于调整本市非居民用户天然气价格的通知》中调整后的发电用天然气价格2.37元/m3计算[19]，3种耦合工况下的年燃料节约费用为2 408.3、2 147.2、1 475.0 万元。此外计算得到3种耦合工况下的CO2减排量分别为20 047.5、17 873.5、12 278.0 t。

图9 不同耦合工况下年燃料节约量与年节省燃料费

由此可见，当ISCC系统运行相同条件下（相同运行工况及太阳能辐射强度）运行时，太阳能集热器不同耦合方式不但影响ISCC系统的热力学性能，同时也对ISCC系统的经济性及环保性能产生影响。综上所述，本文所选3种耦合方式中，当太阳能集热器出口的过热蒸汽与高压蒸发器出口耦合时具有较高的热力学及经济学性能。

4 结 论

1）本文对ISCC系统太阳能集热器出口过热蒸汽与余热锅炉的3种耦合方式进行了研究，分析了在不同太阳能辐射强度下的系统燃料消耗量、燃料基热效率、㶲效率、㶲损率、化石燃料节约率及不同集热场出口蒸汽温度对系统性能的影响。

2）将太阳能集热器出口过热蒸汽接入到余热锅炉的高压蒸发器出口时，太阳能对原系统的贡献最大。当太阳能辐射强度为800 W/m2时，与没有投入太阳能集热器系统相比，燃料消耗量降低1.12 kg/s，燃料基热效率提高4.6%，㶲效率提高4.3%，㶲损率降低5.2%，节约化石燃料率为7.7%。

3）在太阳能辐射强度为800 W/m2时，提升集热场出口过热蒸汽温度有利于ISCC系统性能的提高，且耦合工况1的燃料基热效率及㶲效率始终高于其他两个工况。

4）由于将太阳能集热器出口的过热蒸汽接入到余热锅炉高压蒸发器出口，可以使这部分蒸汽连续在汽轮机的高、中、低压缸内做功，最大限度地利用集热场提供的能量，因而与其他工况相比具有较好的热力性能。

5）耦合工况1年节省燃料费用2 408.3万元，年节省天然气消耗量7 290.0 t，年减少CO2排放量20 047.5 t，具有较好的经济性能。

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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

王树成, 付忠广, 高学伟, 等. 太阳能集热器耦合方式对太阳能燃气联合循环性能影响分析[J]. 热力发电, 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

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2018QN035)；北京市自然科学基金项目(3162030)

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

王树成(1988—)，男，博士研究生，主要研究方向为先进热力系统的集成与优化，wiserc@sina.cn。

（责任编辑 杨嘉蕾）