变负荷下太阳能燃气联合循环系统优化研究

崔跃龙，付忠广，张高强，许 乐

（1.华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京 102206；2.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）

能源与环境密切相关，是社会经济发展的重要战略保障[1]。我国是世界上最大的能源生产消费国，环境污染、温室效应和化石能源短缺三大问题亟待解决[2]。发展先进的供能系统是缓解能源与环境问题、落实我国节能减排战略的重大需求，与能源结构清洁化转型息息相关[3-4]。太阳能燃气联合循环（ISCC）基于“温度对口，梯度利用”原则，是一种先进可靠的供能系统[5]。ISCC系统中太阳能作为辅助热源加热给水，实现了能源互补，克服了单独太阳能热发电系统负荷变动大、需要大规模蓄热装置的缺陷，大大提升了太阳能的利用效率，减少了污染物排放，符合人与自然和谐共生理念[6-7]。发展ISCC系统有利于加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

针对ISCC系统的关键问题，国内外学者做了大量研究。王树成等[8]研究了太阳能集热器出口过热蒸汽的不同耦合方式，指出太阳集热器耦合余热锅炉高压段具有较好的热力性能。Yuanyuan Li等[2]提出了一种高低压双级利用的ISCC系统，比单独使用抛物线槽式太阳能集热器更为有效。裴杰等[9]在华能南山电厂太阳能集热场中设置蓄热装置，稳定出口蒸汽参数并引入汽轮机中压段做功，实验验证了ISCC系统的高效性。刘仁志等[10]研究了太阳能直接蒸汽发生系统与热管式真空集热器耦合的ISCC系统，并优化了真空集热场参数。Liqiang Duan等[11]提出了一种以压缩空气作为太阳能集热器传热工质的新型ISCC系统，其在热力性能、经济性和安全性上具有优势。M.T.Mabrouk等[12]研究了集成温度对ISCC系统的影响，分析了槽式太阳能集热器耦合到双压燃气-蒸汽联合循环的最佳温度。Francesco Calise等[13]提出了一种稳定、现实的ISCC系统优化控制策略，降低了非设计工况下太阳能集热器对汽轮机的负面影响。Madjid Amani等[14]提出了一种太阳能加热燃气轮机排气的新型ISCC系统，结果表明该设计可以提升ISCC电站的性能，在考虑环境问题时具有优势。S.Shaaban等[15]研究了一种以朗肯循环及有机朗肯循环为底循环的ISCC系统，相比传统ISCC系统具有热力性能及经济方面的优势。

大多文献研究了设计工况下ISCC系统的性能，对非设计工况下的ISCC系统研究甚少。在ISCC系统某些非设计工况下，太阳能集热器进口水温度常低于设计值，从而造成太阳能无法充分利用，系统效率降低等问题。因此，本文提出一种太阳能集热器进口水加热法，优化了部分工况下ISCC系统换热结构，并分析了该方法对太阳能燃气联合循环变工况性能的影响。

1 ISCC系统

本文选用的ISCC系统主要由槽式太阳能集热场以及传统燃气-蒸汽联合循环系统组成。ISCC系统流程如图1所示。该系统包括PG9171E型机组、双压无再热锅炉及汽轮机等。

图1 ISCC系统流程Fig.1 Flow chart of the ISCC system

在燃气-蒸汽联合循环中，经压气机压缩的空气与燃料在燃烧室内混合燃烧产生高温高压气体，然后进入燃气透平内膨胀做功。燃气轮机的排气作为余热锅炉的热源加热给水至过热蒸汽状态。过热蒸汽进入汽轮机中膨胀做功。烟气在余热锅炉放热后排入大气。

在太阳能燃气联合循环中，太阳能集热器用于加热部分来自凝汽器出口及余热锅炉高压省煤器出口的给水至高压饱和蒸汽状态。太阳能集热器及高压蒸发器产生的高压饱和蒸汽混合后，进入过热器中进一步被加热为高压过热蒸汽，最后进入汽轮机做功。温度控制器根据余热锅炉排烟温度对太阳能集热器进口给水流量进行分配。流量控制器控制汽轮机抽汽的流量，该抽汽加热部分太阳能集热器进口给水。以天然气为燃料的燃气轮机排气一般会在60 ℃附近发生低温凝结[16]，因此本文的最低排烟温度设计为60 ℃。

在ISCC系统中，太阳能集热器作为辅助热源，在太阳辐射足够时加热部分给水至饱和状态，调节集热器进口水份额以保证不会因排烟温度过低而发生设备腐蚀，同时投入进口水加热器增加太阳能蒸汽产量，提高系统效率；而在太阳辐射不足时，则按照传统的燃气-蒸汽联合循环运行。

本文采用Ebsilon Professional软件[17]搭建ISCC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、设计及优化的软件。ISCC系统ISO工况的主要参数见表1，模拟所得主要节点热力参数与ISCC系统设计值对比见表2。由表2可见，各参数的相对误差均小于3%（通常要求在3%以内），认为模型搭建正确。

表1 ISCC系统ISO工况参数Tab.1 Parameters of the ISCC system under ISO operating conditions

表2 ISCC系统模拟值与设计值对比Tab.2 Comparison between the simulation values and design values of the ISCC system

2 ISCC系统评价指标

燃气轮机功率与汽轮机功率之和为太阳能燃气联合循环的功率：

式中：PISCC表示太阳能燃气联合循环功率，MW；Pgt表示燃气轮机功率，MW；Pst表示汽轮机功率，MW。

太阳集热器接受到的太阳辐射量QS为

式中：N表示槽式太阳能集热器的数量；A表示单个集热器的面积，m2；IDNI表示太阳辐射强度，W/m2。

ISCC系统的热效率ηISCC定义为

式中：mf为燃气轮机的天然气耗量，kg/s；QLHV为天然气低位发热值，kJ/kg。

为评价太阳能集成性能的优劣，定义太阳能净发电效率[18]ηISCC-solar为相同环境条件下，消耗等量天然气的太阳能燃气联合循环和燃气-蒸汽联合循环系统发出功率之差与太阳集热器接受到的太阳辐射量的比值

式中：Pref表示相同环境条件及天然气耗量下燃气-蒸汽联合循环功率，MW；Ps表示太阳能集热器接受到的太阳辐射量，MW。

3 计算结果及分析

3.1 辐射强度和燃气轮机负荷对排烟温度的影响

燃气轮机运行负荷、太阳能辐射强度和环境温度等变化对ISCC系统排烟温度及运行效率均有影响。本文计算了太阳辐射强度和燃气轮机负荷率对排烟温度的影响，结果如图2所示。由图2可见：不同负荷率下太阳辐射强度增加时，余热锅炉的排烟温度随太阳辐射强度增加而降低；部分工况下锅炉排烟温度已低于设计值。若太阳辐射强度较高，燃气轮机处于较低负荷工作时，太阳能集热器给水均来自高压省煤器，这会导致ISCC系统的排烟温度降低，容易造成设备低温腐蚀。为充分利用太阳能，并保证余热锅炉的排烟温度在安全范围，温度控制器会根据余热锅炉排烟温度自动匹配凝汽器出口和省煤器出口的给水份额（图1）。

图2 辐射强度和燃气轮机负荷率对排烟温度的影响Fig.2 Influence of radiation intensity and gas turbine load rate on exhaust temperature

当余热锅炉排烟温度低于设计值时，冷凝器出口分配的部分给水同高压省煤器给水混合后进入太阳能集热器。为了增加太阳能集热器出口蒸汽量，本文提出采用太阳能集热场进口水加热法，即在太阳能集热器进口处增设进口水加热器，以汽轮机0.53 MPa的抽汽作为热源加热太阳能集热器给水，以增加太阳能集热器出口蒸汽量，提升联合循环的能量利用率。

3.2 辐射强度对ISCC系统流量和输出功率的影响

ΔMsolar、ΔMHS、ΔMHT、ΔMC、ΔMLS、ΔMDW分别表示增设太阳能集热器进口水加热器（简称加热器）前后ISCC系统太阳能集热器出口、高压蒸发器出口、汽轮机高压缸进口、抽汽口、汽轮机低压缸进口、冷凝器匹配至太阳能集热器进口等主要节点工质流量的变化值。计算不同太阳辐射强度下ISCC系统主要节点的工质流量变化值，结果如图3所示。由图3可见，在加热器启用范围内，随着太阳能集热器蒸汽产量的增加，高压蒸发器出口蒸汽产量减少，汽轮机高压缸入口蒸汽流量增加。太阳辐射强度越强，启用加热器将太阳能集热器进口水加热至设计值所需的抽汽量越大，汽轮机低压缸蒸汽流量下降，但高压缸蒸汽流量增加，总体上说，蒸汽在汽轮机高压缸做功的增加值大于低压缸功率的减少值。

图3 辐射强度对ISCC系统主要节点流量影响Fig.3 Influence of radiation intensity on flow rate of main nodes in ISCC system

图4 为ISCC系统燃气轮机在不同负荷率运行时，增设加热器后ISCC的功率相比于原ISCC系统的增加值。太阳能辐射强度从设计值600 W/m2增至800 W/m2的情况下，通过增设加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统输出功率分别增加0.109、0.358、0.478、0.477 MW，循环热效率分别增加0.022%、0.083%、0.127%、0.147%，太阳能净发电效率分别增加0.121%、0.397%、0.530%、0.529%。

图4 辐射强度和燃气轮机负荷率对ISCC系统功率增量影响Fig.4 Influence of radiation intensity and gas turbine load rate on power increment of the ISCC system

由图4可见：增设太阳能进口水加热器在燃气轮机负荷率越低时ISCC系统的收益越高。

1）在燃气轮机负荷率降低时，加热器可以在较低的太阳辐射强度下投入运行，即可获得太阳能热功率收益。当燃气轮机满负荷运行时，太阳辐射强度超过800 W/m2时，投入加热器才能获得功率增量；但当燃气轮机负荷率分别降至75%、50%、30%时，即可在辐射强度为600、450、450 W/m2下投入加热器，从而提升ISCC系统的运行性能。

2）燃气轮机负荷率越低，投入加热器获得的ISCC系统性能提升越明显。太阳辐射强度保持设计值不变，而燃气轮机负荷率分别为100%、75%、50%、30%时，投入加热器获得的ISCC系统功率增量依次为0、0.129、0.241、0.240 MW，循环热效率分别增加0、0.033%、0.071%、0.083%，太阳能净发电效率分别增加0、0.191%、0.357%、0.355%。

综上，投入加热器带来的收益，随ISCC系统燃气轮机负荷率的降低以及太阳辐射强度的增大而增加。

3.3 环境温度对ISCC系统流量和输出功率的影响

当环境温度偏离设计值时，太阳能集热器进口水温度主要受限于燃气轮机排出的烟气热量。当环境温度上升时，燃气轮机排气流量降低[19]，由于排烟温度限制，太阳能集热器进口水温度降低。图5为环境温度改变时，增设加热器前后ISCC系统主要节点的工质流量变化情况。

图5 环境温度对ISCC系统主要节点流量影响Fig.5 Influence of ambient temperature on flow rate of main nodes in combined cycle system

由图5可见，启用加热器后以低压蒸汽加热进口水，太阳能集热器蒸汽产量增加，同时高压缸蒸汽流量增加，蒸汽在高压缸做功增加，减弱了由于抽汽导致的低压缸做功能力损失。

图6 为环境温度在–5~35 ℃变化时，不同燃气轮机负荷下启用加热器后ISCC系统的功率增量。由图6可见，环境温度越高，燃气轮机负荷率越低，启用加热器后的系统功率增量越大。环境温度35 ℃，燃气轮机负荷率为100%、75%、50%、30%时，ISCC系统功率较原ISCC系统分别增加了0.011、0.209、0.252、0.291 MW，循环热效率分别增加0.002%、0.053%、0.074%、0.101%，太阳能净发电效率分别增加0.016%、0.309%、0.373%、0.431%。

图6 环境温度和燃气轮机负荷率对ISCC系统功率增量影响Fig.6 Influence of ambient temperature and gas turbine load rate on power increment of the ISCC system

3.4 ISCC系统循环热效率和太阳能净发电效率

计算发现：机组负荷越低，太阳辐射强度越大，环境温度越高，在燃气轮机负荷不变时启用加热器之后ISCC系统输出功率的增量越大。与原ISCC系统相比较，太阳辐射强度增至800 W/m2时，增设加热器后的ISCC系统在研究的温度范围内，75%负荷的输出功率增加值均大于0.250 MW，50%负荷的输出功率增加值均大于0.450 MW，30%负荷的输出功率增加值均大于0.420 MW。

以ISCC系统的循环热效率来衡量增设加热器前后ISCC系统变工况时的能源混合利用效果，计算结果如图7所示。由图7可见，在ISCC系统偏离设计工况时，增设加热器可显著增加系统的能源利用程度。以环境温度35 ℃、辐射强度800 W/m2为例，燃气轮机负荷为100%、75%、50%、30%的ISCC系统循环热效率增加值依次为0.048%、0.103%、0.130%、0.164%。

图7 不同工况下ISCC系统循环热效率增量Fig.7 The increased circulation thermal efficiency of the ISCC system under different conditions

以太阳能净发电效率评价增设加热器前后ISCC系统的太阳能利用情况，结果如图8所示。由图8可见，环境温度高于设计值启用加热器后，太阳能净发电效率增加值在各负荷下均有提升。当环境温度为35 ℃时，燃气轮机负荷由100%降至30%，辐射强度由0增至800 W/m2，加热器启用后增加的太阳能净发电效率由0.260%增至0.591%。在环境温度从15 ℃升至35 ℃的情况下，通过增设进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，太阳能净发电效率分别增加0.016%、0.309%、0.373%、0.431%。对比原ISCC系统，增设加热器使ISCC系统在各负荷下对太阳能的利用程度增加。

图8 辐射强度、环境温度和燃气轮机负荷率对ISCC系统太阳能净发电效率影响Fig.8 Effects of radiation intensity, ambient temperature and gas turbine load rate on net solar power generation efficiency of the ISCC system

4 结 论

本文针对ISCC系统的变工况运行性能进行了分析，优化了变工况下ISCC系统拓扑结构，提出采用太阳能集热器进口水加热的方法以提升ISCC系统的效率。研究了采用太阳能集热场进口水加热器的情况下ISCC系统变工况运行时循环总功率、循环热效率及太阳能净发电效率的优势。

1）在设计太阳能集成规模下，通过增设太阳能集热场进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统的输出功率分别增加0、0.129、0.241、0.240 MW，循环热效率分别增加0、0.033%、0.071%、0.083%，太阳能净发电效率分别增加0、0.191%、0.357%、0.355%。

2）在太阳能辐射强度从设计值600 W/m2增至800 W/m2的情况下，通过增设进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统输出功率分别增加0.109、0.358、0.478、0.477 MW，循环热效率分别增加0.022%、0.083%、0.127%、0.147%，太阳能净发电效率分别增加0.121%、0.397%、0.530%、0.529%。

3）在环境温度从15 ℃升至35 ℃的情况下，通过增设进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统输出功率分别增加0.011、0.209、0.252、0.291 MW，循环热效率分别增加0.002%、0.053%、0.074%、0.101%，太阳能净发电效率分别增加0.016%、0.309%、0.373%、0.431%。