太阳能与燃气-蒸汽联合循环互补性能分析

2024-01-15耿直陈柯宇刘媛媛张斌王剑利石天庆李芳顾煜炯

综合智慧能源 2023年12期

耿直，陈柯宇，刘媛媛，张斌，王剑利，石天庆，李芳，顾煜炯

（1.郑州航空工业管理学院航空发动机学院，郑州 450046； 2.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046；3.清华大学能源与动力工程系，北京 100084； 4.华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心，北京 102206）

0 引言

随着社会进步，对传统化石燃料能源的需求越来越高，带来的环境保护压力也越来越大。为了遏制化石能源燃烧带来的一系列危害和气候变暖问题，能源改革势在必行。在此背景下，中国提出“双碳”能源战略，推进清洁可再生能源的广泛利用。

燃气轮机发电动力循环是一种常规的能源利用型式。将太阳能作为燃料引入燃气-蒸汽联合循环（Gas Turbine Combined Cycle，GTCC）系统，不仅提高了系统循环热效率及输出电功率，而且在节能环保方面具有显著优势。这种太阳能互补联合循环（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）系统将太阳能集热装置与GTCC 的某一部位互补集成，有效提高了系统总输出电功率和系统循环热效率，成为近些年以来燃气轮机技术研究的焦点［1］。国外对ISCC 互补发电系统的运行性能研究开始较早，已取得许多相关研究成果。ISCC 系统的发电技术项目首先由Luz 公司提出。Nezammahalleh 等［2］研究表明，与传统的熔盐换热系统相比，采用太阳能直接蒸汽发电系统的ISCC 系统具有较大优势；Gülen等［3］发现，与传统发电系统对比，ISCC发电系统在有效能利用方面更有优势；Mohammad等［4］从有效能利用角度探究了ISCC 互补发电系统在热力学性能方面的潜力；Rovira 等［5］对采用太阳能直接蒸汽发电系统的ISCC 系统在余热锅炉不同压力段进行互补耦合运行性能对比分析，探究互补段的压力指标与太阳能光电转化效率的关系。

目前，国内研究人员对于ISCC 互补系统的研究分析也得到一些结论。王树成等［6］利用先进的㶲分析法对某槽式ISCC发电系统进行热力学性能分析，分析在不同工作条件下系统的㶲损失及㶲效率；吕志鹏［7］对太阳能与GTCC 系统耦合的综合特性和运行模式进行研究；杨谱［8］总结了目前关于ISCC 互补性能的研究现状，对太阳能辅助GTCC 系统进行了建模和运行性能分析；曲万军［9］以9FA 级燃气轮机和余热锅炉组成的联合循环系统为基础，以太阳能最大集成容量为目标，指导热互补系统的太阳能利用；林汝谋等［10］从系统概述的角度总结了太阳能发电、太阳能补充、太阳能化学补充和ISCC 的概念和技术类型。

依次建立传统GTCC 系统和新型ISCC 系统热力模型，利用Ebsilon 仿真软件模拟计算2 个系统的各自关键运行性能参数，并对指标进行对比分析。本研究构建的ISCC 发电系统模型采用以GTCC 中顶循环（布雷顿循环）为主、太阳能集热系统为辅的热-电能源转化系统集成形式，可为不同形式的太阳能集成优化提供可能性参考，充分发挥太阳能工质的优势，实现太阳能与燃机的有机互补［11-12］。

1 ISCC系统与GTCC系统运行性能对比

1.1 系统模型的构建

1.1.1 GTCC系统模型

GTCC 系统充分结合了单独燃气轮机发电技术和蒸汽动力装置发电技术的优点，与传统的燃煤发电系统相比有更好的发展空间。燃气轮机与蒸汽动力循环进行互补结合，利用燃气轮机的高温排烟来加热余热锅炉产生更高温的蒸汽，再经过高压、低压两级换热，从而提升发电功率和循环热效率（ETA）。GTCC系统模型如图1所示。

图1 GTCC系统模型Fig.1 GTCC system model

空气经过燃气轮机中的压气机后，压力和温度都有一定程度的升高，再与天然气混合后在燃烧室中充分燃烧，排烟经过透平膨胀后与传统的蒸汽动力循环（朗肯循环）互补结合形成进气高温、排气低温的GTCC系统。

燃气轮机部分的能量方程如下

式中：Qin，Qout为燃气轮机的总输入和总输出热量，MW；Qgas，out，Qgas，in为燃气轮机出口与入口的空气热量，MW；Qfuel为燃气轮机燃烧室输入天然气的热量，MW；Egt为燃气轮机的发电功率，MW；Etag为燃气轮机中辅助部件的功率损失，MW；Qcool为冷却损耗量，MW；ηbd为燃气轮机发电机效率；Eloss为燃气轮机发电损失，MW。

系统循环热效率是总输出电功率与入口输入功率之比为

式中：ηc为GTCC热效率；EGTCC，gt为GTCC系统中燃气轮机的发电功率；EGTCC，st为GTCC 系统中蒸汽轮机的发电功率，MW；EGTCC为联合循环系统总输出电功率，MW；qm，fuel为进入燃气轮机天然气燃料的质量流量，kg/s；QLHV为天然气低位热值，kJ/kg。

燃气轮机出口烟气进入余热锅炉的省煤器、换热器和蒸发器中进行换热，其中产生的高压、低压蒸汽进入蒸汽轮机发电。将蒸汽轮机组件设定为等熵做功热力模型，则蒸汽轮机输出电功率为

式中：qm，in为蒸汽轮机进口蒸汽质量流量，kg/s；h1和h2分别为蒸汽轮机进/出口比焓，kJ/kg；ηmech为机械能损耗效率；Qloss为机械能损失量，kW。

1.1.2 ISCC系统模型

本文研究的ISCC 系统为太阳能耦合在顶循环的系统。塔式太阳能集热装置一般适用于高温集热，因此本文引入塔式太阳能装置与顶循环进行有机互补，ISCC 系统模型如图2 所示［13-14］。太阳能通过定日镜场反射后将热量集中在太阳能集热塔的热能接收器上，熔盐加热通过熔盐泵进入太阳能集热塔里；加热后的高温熔盐通过换热器加热燃气轮机压气机的出口高压空气，使高温空气进入燃烧室与燃料充分混合燃烧，再使出口烟气进入蒸汽动力循环进行发电［15-16］。

塔式太阳能集热装置模拟计算过程要用到太阳法向直接辐照度（DNI）、大气环境温度等气象数据。DNI的数学模型为

式中：ASZA为太阳天顶角，（°）；IDHI为太阳能散射辐射，W/m2；IGHI为太阳能总辐射，W/m2。

塔式太阳能集热装置的光-热转化过程依据相关热力学性质，

式中：Qs为总太阳能接收热量，MW；As为定日镜场总反射面积，m2。

式中：Qtower为塔式接收器接收热量，MW；ηfoc为镜片跟踪效率；ηref为镜面反射效率；ηmar为镜场二维阵列效率；ηwind为风速影响因子。

塔式太阳能集热装置中热力计算过程如下，

式中：Qsolar为太阳能辐射热量可用能，MW；Qs，loss为集热装置的热损失，MW。

塔式太阳能集热装置中，换热流体在接收器吸收的热量

式中：qm，HTF为换热流体进入接收器的质量流量，kg/s；hout为接收器出口换热流体的比焓，kJ/kg；hin为接收器进口换热流体的比焓，kJ/kg。

ISCC 系统的循环热效率是指发电系统中燃气轮机电功率（EISCC，gt）和蒸汽轮机发电部分输出电功率（EISCC，st）之和与输入部分的功率之比［17-18］。其中，输入部分的热量包括太阳能集热装置所吸收的热量以及进入燃烧室的天然气的热量值，即

式中：ηISCC为ISCC系统循环热效率。

1.2 系统运行参数模拟

1.2.1 GTCC系统运行参数计算

GTCC 发电系统模型搭建完成之后，设定入口边界值，利用Ebsilon 仿真模拟软件进行数值计算，分析燃气-蒸汽联合循环发电系统的主要运行性能参数值，并分别探究设计工况和变工况下的主要参数变化特性。GTCC 系统的燃气轮机进口工质参数值和系统主要运行参数分别见表1—2。

表1 燃气轮机工质参数Table 1 Parameters of the gas turbine working fluid

表2 GTCC系统主要参数Table 2 Main parameters of the GTCC system

1.2.2 ISCC系统运行参数计算

ISCC 发电系统模型搭建完成之后，通过利用Ebsilon 仿真模拟软件对其进行数值计算，分析太阳能耦合部分对传统联合循环热力学性能方面产生的影响，并分别探究设计工况和变工况下的主要参数变化特性。ISCC 系统模型的主要参数值见表3［19］。

表3 ISCC系统模型主要参数Table 3 Main parameters of ISCC system model

2 ISCC与GTCC系统运行性能比较

ISCC 系统总输出电功率是由燃气轮机和蒸汽轮机2部分输出电功率共同组成的。设定天然气输入量qm，fuel为10 kg/s，GTCC 发电系统的总输出电功率EGTCC为267.158 MW；ISCC 发电系统的总输出电功率EISCC为353.270 MW。后者总输出电功率比前者多了86.112 MW。这是由于太阳能与燃气轮机部分的有机耦合，通过换热器提高压气机出口高压空气的温度，使得ISCC系统的总输出电功率明显高于GTCC系统。2个系统的总输出电功率对比如图3所示。

图3 系统总输出电功率对比Fig.3 Comparison of total electric power outputs

ISCC发电系统与传统GTCC发电系统相比增加了塔式太阳能集热装置部分，通过换热进而提高压缩空气的初温，使系统中各部分输出更多电功率，而系统输入功率只增加了太阳能与压缩空气换热这一部分［20］。在设计工况下，传统的GTCC 发电系统的输入功率为671.458 MW、循环热效率为39.8%；ISCC 发电系统的输入功率为801.804 MW、循环热效率为44.1%。结果表明，由于太阳能热利用的有机耦合，ISCC 发电系统的循环热效率提高了4.3%。2个系统的循环热效率对比如图4所示。

图4 系统循环热效率对比Fig.4 Comparison of the cycle thermal efficiencies

如图4 所示，在变天然气输入量工况下ISCC 发电系统的循环热效率比传统GTCC 发电系统高。GTCC 发电系统的循环热效率为25%～40%；ISCC 发电系统的循环热效率均能够达到35%以上。研究结果表明，在天然气输入量不变的条件下，太阳能的有机耦合对系统的运行性能能够起积极作用。

余热锅炉排烟温度的研究对比如图5所示。由图5 可知，天然气输入量变工况运行下，传统GTCC发电系统的余热锅炉排烟温度平均值为83.725 ℃，新型ISCC 发电系统的余热锅炉排烟温度平均值为68.275 ℃。由此可见，新型ISCC发电系统的换热性能更优，与传统GTCC 发电系统相比能够实现高温烟气进入、低温废气排出的运行状态。

图5 系统余热锅炉排烟温度对比Fig.5 Exhaust gas temperature of the waste heat boiler in different systems

3 ISCC互补性能分析

3.1 DNI对ISCC系统互补性能的影响分析

本文主要模拟分析在DNI 为400～1 000 W/m2、变化间隔为100 W/m2的条件下，系统运行特性的变化趋势，进而分析太阳能与燃机耦合后的互补特性。由于太阳能耦合在布雷顿循环的位置，压气机出口高压空气的温度、燃气轮机输出电功率都随着DNI的增大不断升高。燃机主要运行参数值变化趋势如图6—7所示。

图6 高压空气温度随DNI变化趋势Fig.6 High pressure air temperature changing with DNI

图7 燃机输出功率随DNI变化趋势Fig.7 Gas turbine output power changing with DNI

系统循环热效率随DNI 变化趋势如图8 所示。太阳能集热装置通过接收器所收集的热量会随着DNI 的增大而不断增加，ISCC 发电系统的循环热效率也随之不断增大。当DNI 达到1 000 W/m2时，塔式太阳能集热装置接收器所产生的热量达到最高值，系统循环热效率达到最佳值44.1%。此时，DNI为当天中最强时段。

图8 系统循环热效率随DNI变化趋势Fig.8 Cycle thermal efficiency changing with DNI

3.2 大气温度对ISCC系统的影响分析

本文模拟分析在大气环境温度为-5～35 ℃、温度间隔为5 ℃的条件下，太阳能与布雷顿循环的互补特性。通过文献［21-22］发现，大气环境温度的变化对燃气轮机中的压气机和燃烧室部件的运行性能有影响，太高或太低的大气环境温度均会对燃机部件产生不利影响。燃气轮机的主要运行参数值见表4。通过模拟大气环境温度的改变，探究大气环境温度对燃气轮机主要运行参数的影响。图9是不同大气环境温度下，系统的循环热效率。

表4 变环境温度工况下燃气轮机主要参数Table 4 Main parameters of gas turbine under variable ambient temperature conditions

图9 变大气环境温度下系统循环热效率变化Fig.9 Variation of circulating thermal efficiency of the system under variable atmospheric ambient temperature

大气环境温度在20～30 ℃时，最佳运行状态下系统循环热效率为44.1%。大气环境温度大于30 ℃或低于0 ℃时，ISCC 发电系统的循环热效率将会逐渐下降。这是因为较高的环境温度或较低的环境温度都会对燃气轮机的运行性能产生不利的影响。研究发现，在全年中夏季高温和冬季低温时，该系统的运行性能将受到较明显影响。

3.3 ISCC系统在节能方面的理论分析

太阳光线通过定日镜场聚集后在塔式太阳能接收器上产生太阳辐射热量，加热后的熔盐进入换热器与压气机出口压缩空气进行换热，加热即将进入燃烧室燃烧的高压空气。太阳能与传统GTCC 发电系统的耦合，不仅提高了系统循环热效率，并且可以节约天然气输入量。

当天然气输入量为10 kg/s 时，GTCC 系统的总输出功率为267.158 MW、系统循环热效率为39.8 %。然而，相同运行性能参数下ISCC系统只需7.362 kg/s 的天然气输入量，较GTCC 系统节省天然气用量2.638 kg/s。节省出的输入功率由塔式太阳能集热装置通过换热器提供给燃气轮机，进而实现更节能的ISCC系统运行模式。

3.4 燃机排烟温度对ISCC系统的影响

ISCC 系统循环热效率及燃气轮机中透平部件排烟温度随天然气输入量的变化趋势如图10所示。

图10 系统循环热效率随透平出口温度变化Fig.10 Variation of system circulating thermal efficiency with turbine outlet temperature

透平排烟温度即进入余热锅炉部分的烟气温度随着天然气输入量的增加而升高，系统循环热效率随之提升。天然气输入量≤6 kg/s 时，系统循环热效率增速高于透平排烟温度的增速；当天然气输入量达到10 kg/s 时，系统循环热效率达到最佳值44.1%，透平出口烟气温度可达734.611 ℃，此时，ISCC系统在设计工况下达到最佳运行模式。