风能太阳能联合蓄能发电系统性能分析

陈会勇，薛志恒，马智勇，何欣欣，王伟锋，吴 涛，付 昶

风能太阳能联合蓄能发电系统性能分析

陈会勇1，薛志恒1，马智勇2，何欣欣1，王伟锋1，吴 涛1，付 昶1

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.府谷能源开发有限公司，陕西 榆林 719400）

本文提出一种新型的风能太阳能联合蓄能发电系统，该发电系统将风力压缩空气蓄能技术和太阳能蓄热技术以及燃气-蒸汽联合循环发电技术相结合，通过风力机组直接驱动压缩机组压缩空气蓄能，利用太阳能集热装置对燃料进行加热，使用燃气轮机的排气作为蒸汽透平的热源，实现燃气-蒸汽联合循环。通过对风能太阳能联合蓄能发电系统热力分析和系统效益计算可知，该风能太阳能联合蓄能发电系统不仅提高了联合循环系统的效率，也可提供稳定的供电，经济效益、环境效益和社会效益较好。

风能；太阳能；燃气-蒸汽联合循环；压缩空气蓄能；风力发电；经济性

近年来，全国各地新能源产业发展迅速，尤其是风力发电。内蒙古地区风力发电发展最为快速，其装机容量在2016年达到2 535.64万kW，风电的开发量占全国50%以上，可开发量达3.8亿kW，总装机量达到全国的23%[1–2]。但是2016年全国弃风限电量却达到497亿kW·h，平均弃风限电率达到17%，比2015年增加2%。其中内蒙古自治区、甘肃省、吉林省、新疆地区的弃风限电量最为严重，大量的弃风电量流失，使风电产业发展严重受阻。

风能的不稳定性是风电发展中面临的一个严峻问题，因风力强弱不一导致风轮输出的电流不稳，风力发电的供给与需求很难协调起来，其维持电网的稳定十分费力。基于压缩空气蓄能的风力发电技术可以获得稳定的基荷电力，还可以控制电厂电能的价格，因此，压缩空气蓄能在风力发电的应用受到研究学者的广泛重视[3]。

本文提出了一种风能太阳能联合蓄能发电系统，该系统通过风力机组直接驱动压缩机组，利用太阳能集热装置对燃料进行加热，使用燃气轮机的排气作为蒸汽透平发电热源实现燃气-蒸汽联合循环，不仅提高了系统的效率，而且提供了稳定的供电系统。

1 电力系统蓄能技术

电力系统蓄能技术较多，目前主要有抽水蓄能、压缩空气蓄能、超导蓄能、飞轮蓄能、各种电池、超级电容以及蓄冷/蓄热技术等。其中前3种可以大容量蓄能，其余蓄能容量较小。目前使用最多、容量最大的是抽水蓄能电站，压缩空气蓄能燃气轮机发电站居第二位。抽水蓄能效率较高且存储容量大，但是其造价昂贵且选址较难。压缩空气蓄能电站的造价低于抽水蓄能电站，而且可以建在城市附近。表1为根据某研究机构的数据整理的不同蓄能技术的性能对比[4]。从表1可以看出，压缩空气蓄能电站具有投资少、负荷范围大、运行维护费用低等优点[5-6]。

压缩空气蓄能电站的工作原理与传统的天然气发电相似，只是压缩空气蓄能电站将系统中空气压缩过程分离出来独立操作，对空气进行压缩后将其储存起来，需要时再将其释放出来，通过涡轮膨胀进行发电。传统电厂有55%~70%电能用于压缩空气[4]。压缩空气蓄能电站由于分离了压缩过程，所以在发电时比普通的电站产出更高。而且可以采用核电站、燃煤电站的低谷电或风能电站的富余电来压缩空气，所以压缩空气蓄能电站的热耗散率远低于气体联合循环发电机组的热耗率[7-9]。

表1 不同蓄能技术性能对比

Tab.1 Performance comparison between different energy storage technologies

2 系统组成及其工作原理

风能太阳能联合蓄能发电系统原理如图1所示。该系统由风力压缩空气蓄能系统、太阳能加热系统和燃气-蒸汽联合循环系统3个子系统组成。风力压缩空气蓄能系统包括风轮机系统、压缩机系统、换热蓄热系统以及储气系统；太阳能加热系统包括集热系统和换热系统；燃气-蒸汽联合循环系统采用“二拖一”的形式，具体包括2台燃气轮机、2台余热锅炉和1台汽轮机[10]。

图1 风能太阳能联合蓄能发电系统原理

该系统的工作过程为：在风能的作用下，风力机组通过变速传动装置组带动压缩机组压缩空气，使空气达到一定的压力和温度。被压缩后具有较高温度和较高压力的压缩空气与蓄热介质（本系统中蓄热介质为熔盐）进行换热。换热后，使压缩空气的温度降到一定值时，采用储气装置进行储存，待需要发电时，从储气装置抽出压缩空气，并与原蓄热介质进行换热，把压缩空气加热到一定的温度和压力，然后进入燃气-蒸汽联合循环进行发电。而太阳能加热系统用来加热燃气-蒸汽联合循环的燃料（本系统为原油）。从储气罐出来的压缩空气和加热后的燃油进入燃气轮机的燃烧室进行混合燃烧，燃烧后形成高温燃气进入透平推动叶片做功，带动燃气轮机发电机组进行发电。燃气透平的乏汽通过烟道进入余热锅炉，对汽轮机的给水加热，形成高温蒸汽，高温蒸汽再进入蒸汽透平做功，带动蒸汽透平发电机组发电，蒸汽再由蒸汽透平排出后经冷凝器冷凝成液态水，由给水泵将液态水输送到余热锅炉中，实现蒸汽循环。

3 热力分析及计算

3.1 燃气-蒸汽联合循环系统热力参数的选取及计算

3.1.1燃气轮机热力参数选取

燃气-蒸汽联合循环系统由2台燃气轮机发电机组、2台余热锅炉和1台蒸汽轮机发电机组构成。该装置运行在标准环境条件下（大气温度15 ℃，压力101.325 kPa），原料为原油[11]。由于2台燃气轮机的工作条件相同，故只需对1台进行计算。燃气轮机热力参数见表2。

表2 燃气轮机热力参数

Tab.2 Thermodynamic parameters of the gas turbine

1）燃烧过程

燃烧过程可表示为

式中，F为燃料燃烧的放热量，f为燃料原油的质量流量，u为燃料原油的净比能。

2）加热过程

式中，X为工质的吸热量，1为燃烧室效率。

单位质量工质的吸热量Δ为

式中t为工质的总流量。

工质吸热过程为

3）膨胀过程

燃气轮机透平总膨胀功T为

式中，t为工质总流量，4为燃气轮机透平的排 气温度。

透平输出功为

式中T为透平效率。

联立式(1)—式(6)，可求得单台燃气轮机透平输出功为79.87 MW，2台燃气轮机的输出功率总和则为159.74 MW。

3.1.2余热锅炉参数选取

余热锅炉选择竖式、非补燃、双压、强制循环锅炉，包括过热器、蒸发器、省煤器和低压蒸发器。本系统中的余热锅炉采用带有翅片的小孔径管，结构紧凑，热惯性小，具有起动快、对负荷变化响应快的特点。最大蒸发量为61 t/h，主蒸汽参数为4.0 MPa和500 ℃，采用汽汽调节手段来调节过热蒸汽温度。余热锅炉采用滑压运行方式。余热锅炉热力参数见表3。

表3 余热锅炉热力参数

Tab.3 Thermodynamic parameters of the waste heat boiler

3.1.3汽轮机参数选取

由于燃气-蒸汽联合循环系统采用二拖一的形式，由2台余热锅炉产生的高压蒸汽，供1台蒸汽轮机使用。蒸汽轮机采用轴向排气冷凝式机组、直接膨胀冲动式透平、整锻转子。汽缸由高压缸和低压缸两部分组成，采用垂直法兰连接。汽轮机采用滑压运行方式。汽轮机参数见表4。由表4可知，汽轮机的输出功率为34.95 MW，2台燃气轮机的输出功率总和为159.74 MW，则燃气-蒸汽联合循环的总出力为194.69 MW。

表4 汽轮机参数

Tab.4 The parameters of the steam turbine

3.2 风力压缩空气蓄能系统参数选取及计算

3.2.1压缩机系统

压缩机选用轴流式压缩机。压缩过程中的比热容c12为1.005 kJ/(kg·K)；绝热指数12为1.4；压缩前进气温度1为15 ℃，进气压力为0.101 3 MPa；空气流量a为490 t/h；压缩机效率n为0.621；压缩后气体温度2为443.97 ℃，气体压力2为1.0 MPa,下面计算压缩机功率C。

压缩机等熵压缩后的理想温度2S为

等熵压缩后的理想温差2S为

压缩后的实际温差为

压缩后的实际温度2为

单位流量工质压缩所需功n为

压缩机压缩功率C为

联立式(7)—式(12)，可以求得压缩机功率C为568.68 MW。

3.3.2风轮机系统

风轮机的选择参考文献[12]。风轮机额定功率为3 000 kW，风场密度取1.2 kg/m3[12]。

1）计算设计风速W0

根据风场，计算设计风速W0为8.82 m/s（相当于年平均风速）。

3）计算扫风面积

(3) 处治方案需要因症施策、综合处治：凹岩腔嵌补、裂缝灌缝等结构修复为根本，仰孔排水、滑坡体外截排水等排水、控水为关键，清渣、削坡等减载为辅助，桥梁基础加固为保障。

4）计算叶轮直径

5）选取

根据已知的~p特性图，选取为5.8，p为0.44。

6）计算转速1

7）计算设计功率

8）计算额定风速W

9）计算额定工况风能利用系数

10）查图得到叶尖速比

由风能利用系数P查得叶尖速比为3.95。

11）计算额定转速2

12）计算所需的风轮机台数

齿轮传动装置的效率m取为0.99。

3.2.3蓄热换热介质系统

本系统中间换热介质为熔盐，一般熔盐使用温度区间为350~550 ℃，常用的熔盐是亚硝酸盐和硝酸盐的混合物。其组成为质量分数40%NaNO2、7%NaNO3以及53%KNO3，或者是质量分数45% NaNO2和55%KNO3。该混合物在常压下的熔点为142 ℃，沸点为680 ℃。熔盐作为载热体，在常压下可以达到530~540 ℃，其耐热性好，传热系数是其他有机载体的2倍，而且温度在600 ℃以下时，熔盐类载热体几乎不产生蒸汽。它是加热温度400 ℃以上时最好的载热体。

本系统中假设由压缩机压缩后的高温高压气体与中间换热介质的换热效率为95%，中间换热介质与储气池中出来气体的换热效率也为95%。

3.2.4储气系统

储气空间的选取主要考虑空间体积以及所能承受的压力。存储空间可以选用管道、大型储气罐等压力容器，也可选用合适的密封地下洞穴。洞穴的选择一般有3种，即地下盐岩矿内的岩洞、现存矿洞或挖成的岩石洞和地下含水的岩石层。盐岩洞可以由水冲刷盐岩石形成，冲刷形成的洞穴逐渐向地表扩展，其深度一般是中等深度，其花费的代价较小，但需具备一定的地质条件。盐岩洞存储是一个比较成熟的技术，Huntorf CAES和McIntosh CAES电站均采用盐岩洞来存储气体。一般盐岩洞洞穴存储压力为4~10 MPa，此压力导致了洞穴深度一般为650~1 100 m。为了保证洞穴的安全性，洞穴压力在24 h内下降量一般不应该超过2 MPa。盐岩洞存储洞穴容量可以高达150 000 m3，它的大小主要取决于电站的容量和运行状况。岩石洞既有自然形成的，也可以人工挖掘而成，这种洞穴需要对洞穴四周的墙壁进行密封从而保证气密性。如果由人工挖掘而成则其花费要比盐岩洞昂贵得多。含水的岩石层是地下水具有很高穿透率的岩石层，含水岩石层水位的高度会发生变化，可以利用地下水位高度的变化存储空气，同时直接由水起密封作用。本文选择大型储气罐来储存压缩后的气体。

3.3 太阳能加热系统

本文风能太阳能联合蓄能发电系统由太阳能提供燃气-蒸汽联合循环中燃油所需的热量，燃油处理设备采用离心分离设备，油处理系统由3套平行的两级分离装置组成，燃料处理量为19.48 t/h（满足2台燃气轮机负荷）。处理过程为：由油库转运来的未经处理的原油首先贮存在一只2 000 m3的油罐中，油罐温度保持40 ℃，原油先预热至95 ℃，加入破乳剂对其进行水洗，离心分离器分离去除水分和原油中夹带的固体颗粒杂质，水带走溶解的钾盐和钠盐等。采用导电率分析仪随时确定分离后原油中的钾盐和钠盐含量，对未达到处理标准的原油进行再循环处理，合格的原油可储存在2只500 m3的处理油罐中，并保持40 ℃。原油进透平前再次加热到95 ℃，并加入钒抑制剂。取原油的比热容为2 130 J/(kg·K)。

由以上处理过程可知，原油在进入透平前加热2次，2次加热均由太阳能加热系统提供，则原油处理过程所需的热量为

式中：o为每小时加热的油量，本文为19.48 t/h；c,o为油的定压比热容，本文为2 130 J/(kg·K)；e为加热后燃油温度，本文为95 ℃；i为燃油初始温度，本文为40 ℃。

本系统采用全玻璃真空太阳能集热器，集热面积计算公式[14]为

式中：C为太阳能加热系统集热器总面积；t为当地年平均日太阳辐射量，本文为16.4 MJ/m2；为太阳能保证率，根据太阳能加热系统使用期内太阳能辐射条件、系统经济性及使用者的要求等确定，一般为30%~80%，本文选定为50%；cd为集热器年平均集热效率，一般为0.25~0.50，本文选取0.40；为储油箱和管路的热损失，一般为0.20~0.30，本文取0.20。

联立式(22)和式(23)可得，C为434.848 m2。此为集热系统工作1天加热1 h用油量的集热面积，如果要使集热系统1 h的集热量来满足燃油1 h加热所需的热量，则集热面积C为10 436.35 m2。

4 发电系统效益

蓄能电站的经济效益一般可分为静态效益和动态效益。静态效益包括容量效益﹑能量转化效益和环保效益；动态效益一般包括调频效益、调相效益、快速负荷跟踪效益、旋转备用效益、提高供电可靠性效益和黑启动效益[15]。查阅相关资料可知，与本文风能太阳能联合蓄能发电系统相同参数的燃气-蒸汽联合循环的净效率约为44.8%，则在相同耗油量下，传统燃气-蒸汽联合循环的发电量为103.15 MW[11]，本文风能太阳能联合蓄能发电系统的发电量为194.69 MW，两者之差为91.54 MW，这部分相当于新能源发电量。本文对风能太阳能联合蓄能发电系统从静态效益（容量效益和环保效益）和动态效益两方面进行综合性量化评价。

4.1 静态效益分析

4.1.1 容量效益

风能太阳能联合蓄能发电系统的容量效益主要表现为：1）能有效担负电网的工作容量（主要为尖峰容量）和备用容量；2）能减少电网对火 电机组的装机容量要求；3）能节约火电投资和 运行成本。

其定量的测算模型为

式中，R为蓄能电站的容量效益，Q和C分别为火电机组和蓄能电站的建设投资成本，Q和C分别为火电机组和蓄能机组的固定运行成本。

火电厂的单位造价一般在4 500~5 000元左右；压缩空气蓄能系统的单位造价约为3 500元；本文火电厂的单位造价取为4 500元，风能太阳能联合蓄能发电系统的单位造价取为3 500元[16]；以本文系统装机容量194.69 MW为例，则可减少投资1.946 9亿元，取电站设计寿命为30年，则每年可节约费用0.065亿元。风能太阳能联合蓄能发电系统与火电机组相比，所需人员少，可以大幅减少固定运行成本（工资福利、劳保统筹、住房基金等）。一般来说，本文风能太阳能联合蓄能发电系统年固定运行成本占火电厂投资成本4%左右，而蓄能电站的相应比例约为2%，则相比于火电机组，蓄能电站每年固定运行成本可节约0.214亿元。风能太阳能联合蓄能发电系统容量效益见表5，可见该系统每年容量效益为0.279亿元。

表5 风能太阳能联合蓄能发电系统容量效益

Tab.5 The capacity benefit of the wind and solar power generation system combined with energy storage system

4.1.2环保效益

风能太阳能联合蓄能发电系统的环保效益表现为由于蓄能机组的投运，避免了火电厂燃煤产生的烟气排放。其计算可以采用机会成本的概念，具体可分为：1）烟尘排放对应的费用；2）燃用高硫分煤所对应的脱硫装置的投资。

计算模型为

式中，S为燃用高硫分煤所对应的脱硫装置的投资，S为能够减少的第种排放物的减排总量，P为第种排放物的排污单价。

根据国家环保相关要求，燃煤电厂煤粉含硫质量分数大于1%时，必须安装脱硫设备。安装国产脱硫设备的成本为300~500 元/kW，以194.69 MW联合蓄能电站为例，则可以节省的设备成本投资为0.584 07 亿元~0.973 45 亿元，假设电站设计寿命为30年，则每年节约的费用约为0.019 469亿元~0.032 448 亿元，本文取为0.032 448 亿元。

根据目前的发电技术，发电厂燃烧1 t煤排放污染物的排放率为18 kg SO2、8 kg NO、1 763 kg CO2、0.26 kg CO、0.4 TSP、110 kg灰和30 kg渣。根据火电厂单位发电量的耗煤量以及污染物排放率，则装机容量为91.54 MW的新能源发电系统，假设年有效运行时间为2 600 h，该系统等量年发电量为2.38亿 kW·h，每年节省燃煤113 509 t，则每年可产生环境效益为0.664 143 亿元。新能源发电系统环境价值标准见表6。

风能太阳能联合蓄能发电系统的环保效益为0.696 854 亿元/年，静态效益为0.975 854亿元/年。

表6 新能源发电系统环境价值标准

Tab.6 The environmental value standard for the new energy power generation system

4.2 动态效益分析

风能太阳能联合蓄能发电系统动态效益的量化计算，可以借鉴美国电力研究院的研究成果，根据不同的电网情况，按保守估计，年动态效益一般按电站本身投资的12%~15%计算，本文取为15%，即525 元/(kW·a)，则194.69 MW风能太阳能联合蓄能发电系统每年的动态效益为1.022 亿元。

5 结 语

本文介绍了一种结合风力压缩空气蓄能系统、太阳能集热系统、燃气-蒸汽联合循环发电系统的联合蓄能发电系统，该系统既可提供稳定的供电，又可用做调峰，同时也为风电的大规模发展提供技术支撑，对蓄能技术的推广具有一定的理论价值和现实意义。

本系统可以极大地缓解内蒙古通辽地区电网的风电上网压力，减少风电场的弃风限电损失，增强当地风电的消纳能力，同时缓解了当地电网的送出压力。通过效益计算可知，本文风能太阳能联合蓄能系统具有良好的经济效益、环境效益和社会效益，发展前景良好。

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Performance analysis on wind and solar power generation system combined with energy storage system

CHEN Huiyong1, XUE Zhiheng1, MA Zhiyong2, HE Xinxin1, WANG Weifeng1, WU Tao1, FU Chang1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Fugu Energy Development Co., Ltd., Yulin 719400, China)

A new kind of wind and solar power generation system combined with energy storage system was proposed in the paper, in which the technology of wind compressed air energy storage, the technology of solar heat storage and the technology of gas-steam combined cycle power generation were combined together. This system not only tries using wind turbines to drive the compressors directly and solar collectors to heat the fuel, but also tries taking the gas turbine exhaust as heat source of the steam turbine to realize gas-steam combined cycle. The thermodynamic analysis and system benefit calculation shows that, the efficiency of the above wind and solar power generation system will be improved and the power grid can get a stable power supply. A better economic, environmental and social benefit will be achieved.

wind energy, solar energy, gas-steam combined cycle, compressed air energy storage, wind power generation, economy

TM611.31

A

10.19666/j.rlfd.201810237

陈会勇, 薛志恒, 马智勇, 等. 风能太阳能联合蓄能发电系统性能分析[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 103-109. CHEN Huiyong, XUE Zhiheng, MA Zhiyong, et al. Performance analysis on wind and solar power generation system combined with energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 103-109.

2018-10-16

陈会勇(1987—)，男，工程师，主要研究方向为电厂性能试验、新能源发电及超临界二氧化碳的工程利用技术，chenhuiyong@tpri.com.cn。

（责任编辑 杜亚勤）