王淑慧， 熊源泉， 謝引航

(東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

我國(guó)中高溫蒸汽廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)中，涉及化工、造紙、紡織和食品加工等行業(yè)。工業(yè)蒸汽能量主要由工業(yè)鍋爐燃燒的化石燃料提供。目前，我國(guó)工業(yè)鍋爐每年排放的煙塵約為800萬(wàn) t，SO2約為600萬(wàn) t，CO2約為1.64億 t，灰渣約為8 700 t[1]。預(yù)計(jì)2030年我國(guó)CO2氣體排放量將達(dá)到11 710 Mt[2]。利用太陽(yáng)能中高溫?zé)崮芴娲懈邷毓I(yè)熱能，不僅擁有巨大的消費(fèi)市場(chǎng)，而且也能有效減少煤、石油等傳統(tǒng)化石能源的用量和降低化石能源帶來(lái)的環(huán)境污染。

從20世紀(jì)80年代起，國(guó)外就利用太陽(yáng)能產(chǎn)生蒸汽，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中[3]。在國(guó)內(nèi)，彭耀鋒[4]結(jié)合回路型重力熱管與拋物線槽式集熱器，制造出180 ℃左右的蒸汽。廖偉初等[5]論述了中高溫蒸汽在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。王紅梅等[6]設(shè)計(jì)了一種間接式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。傳統(tǒng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能大多應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，由于其需求的蒸汽品質(zhì)較高(300～450 ℃的過(guò)熱蒸汽)，盡管該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但始終面臨著太陽(yáng)能利用率低、系統(tǒng)造價(jià)成本高和投資回收期長(zhǎng)等瓶頸[7]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高溫蒸汽(120～250 ℃)發(fā)生系統(tǒng)的研究多集中于間接式發(fā)生系統(tǒng)，即導(dǎo)熱油作為中間介質(zhì)在槽式集熱器中得到熱量，通過(guò)換熱器用于加熱水并產(chǎn)生蒸汽。間接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽系統(tǒng)需要導(dǎo)熱油作為中間介質(zhì)，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的熱利用效率降低，系統(tǒng)的建設(shè)成本增加，同時(shí)導(dǎo)熱油的使用也存在污染環(huán)境的隱患。目前還沒(méi)有關(guān)于直接式槽式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的相關(guān)研究文獻(xiàn)。

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽(120～250 ℃)發(fā)生系統(tǒng)，并建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率和工質(zhì)質(zhì)量流量的影響，并提出蒸汽能源平均成本的新概念，對(duì)槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的投資成本和蒸汽能源平均成本等重要指標(biāo)進(jìn)行了研究與分析。

1 系統(tǒng)說(shuō)明

國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)多使用間接式槽式集熱系統(tǒng)，導(dǎo)熱油的使用造成了環(huán)境污染，中間換熱設(shè)備的使用也增加了傳熱熱阻，降低了能量利用效率，增大了投資成本。筆者設(shè)計(jì)了一種直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，液態(tài)工質(zhì)直接在集熱管內(nèi)加熱至飽和狀態(tài)，在疏水?dāng)U容器內(nèi)降壓蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，通過(guò)集熱系統(tǒng)末端的壓力、溫度反饋系統(tǒng)和流量調(diào)節(jié)裝置得到所需品質(zhì)的蒸汽。

直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中工質(zhì)加熱至汽化分為加熱至飽和和降壓汽化2個(gè)部分，如圖1所示。

工質(zhì)(去離子水)經(jīng)加壓泵升壓后，進(jìn)入槽式集熱系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行加熱，在加熱段末端處設(shè)置溫度和壓力測(cè)點(diǎn)，通過(guò)溫度與壓力的反饋來(lái)調(diào)節(jié)集熱系統(tǒng)工質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量流量，保證在加熱段出口處工質(zhì)水溫度低于或等于相應(yīng)壓力下的飽和水溫度，此集熱管段內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)為單相流。工質(zhì)經(jīng)槽式集熱器加熱后，經(jīng)過(guò)疏水?dāng)U容器進(jìn)行擴(kuò)容蒸發(fā)，產(chǎn)生相應(yīng)壓力下的蒸汽，蒸汽直接輸入工業(yè)用戶，疏水?dāng)U容器中產(chǎn)生的飽和水由循環(huán)泵加壓進(jìn)行再循環(huán)。

圖1 直接式槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要有兩方面：太陽(yáng)能集熱器加熱段的工質(zhì)流相為純液相，汽化發(fā)生在疏水?dāng)U容器內(nèi)，這避免了傳統(tǒng)直接式槽式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中工質(zhì)汽化產(chǎn)生氣液兩相分層，造成金屬真空集熱管爆管現(xiàn)象；針對(duì)太陽(yáng)輻射的不穩(wěn)定性，通過(guò)計(jì)算得出不同輻射量下對(duì)應(yīng)的工質(zhì)質(zhì)量流量和太陽(yáng)能集熱器出口處的溫度、壓力反饋，及時(shí)調(diào)節(jié)集熱系統(tǒng)工質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量流量，使得系統(tǒng)運(yùn)行管理更加穩(wěn)定安全。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分別為：用水替代導(dǎo)熱油，降低了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；省略了油/蒸汽換熱器及其附件等，減少了換熱環(huán)節(jié)的能量損失，投資成本也大幅下降；蒸汽在疏水?dāng)U容器內(nèi)產(chǎn)生，避免了工質(zhì)氣液兩相對(duì)集熱管造成的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)了集熱管的使用壽命，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立及性能分析

太陽(yáng)能集熱器場(chǎng)由槽式集熱器按一定布置方式連接而成，一般分為東西放置、南北跟蹤和南北放置、東西跟蹤2種布置方式。筆者選用LS-2型槽式集熱器，主要具體參數(shù)見(jiàn)表1[8]。

2.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

通過(guò)反射鏡面將太陽(yáng)光聚焦反射到集熱管上，直接把水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和水，這段工質(zhì)流動(dòng)為純液相。太陽(yáng)能集熱器的數(shù)學(xué)模型建立在以下簡(jiǎn)化條件下：集熱管內(nèi)發(fā)生的熱過(guò)程是穩(wěn)態(tài)的；不考慮換熱過(guò)程中的熱損失、熱泄漏以及流動(dòng)過(guò)程的壓力損失；流經(jīng)集熱器的介質(zhì)是去離子水，且介質(zhì)熱物性與溫度無(wú)關(guān)。

表1 Sandia Aztrack槽式集熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)LS-2型集熱器參數(shù)

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)集熱管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量來(lái)保證出口蒸汽參數(shù)不變。集熱器場(chǎng)的換熱效率為[9]：

(1)

(2)

式中：η為集熱器場(chǎng)的換熱效率，%；ηopt為集熱器的光學(xué)效率，取值為71%；Idirect為太陽(yáng)能直射輻射強(qiáng)度，W/m2；Ta為環(huán)境溫度，K；ζab為金屬涂層的發(fā)射率；Tab為管內(nèi)流體的平均溫度，K；Tin、Tout分別為集熱器場(chǎng)工質(zhì)的入口溫度和出口溫度，K；Kta為入射角的修正系數(shù)，取值為1；Vwind為環(huán)境風(fēng)速，取值為4 m/s；a、b和c均為熱平衡系數(shù)，其中a取值為1.91×10-2W/km2，b取值為2.02×10-9W/km2，c取值為6.608×10-3W/km2。

槽式集熱器輸出的有用能Qu表示為：

Qu=Q·η·ηgl

(3)

Qu=qm,out·cp·(Tout-Tin)

(4)

(5)

式中：Q為太陽(yáng)輻射能量；ηgl為系統(tǒng)管道熱損失，取值為93%；qm,out為集熱管工質(zhì)出口質(zhì)量流量，kg/h；cp為工質(zhì)比定壓熱容，此處工質(zhì)為水，cp=4.18 kJ/kg；W為集熱系統(tǒng)反射鏡開(kāi)口寬度，m；L為集熱場(chǎng)加熱段長(zhǎng)度，m。

疏水?dāng)U容器是將高壓液體降壓，并產(chǎn)生汽化的裝置。高壓飽和水在疏水?dāng)U容器內(nèi)降壓，產(chǎn)生相應(yīng)壓力下的飽和蒸汽，對(duì)應(yīng)的飽和水經(jīng)循環(huán)水泵返回槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中進(jìn)行再循環(huán)。疏水?dāng)U容器內(nèi)出口蒸氣的質(zhì)量流量[10]和汽化率的計(jì)算公式如下：

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

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：qm,steam為疏水?dāng)U容器出口蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；hout為集熱管出口飽和水蒸氣的焓值，kJ/kg；hsteam為疏水?dāng)U容器內(nèi)飽和蒸汽焓值，kJ/kg；hcy為疏水?dāng)U容器內(nèi)相應(yīng)壓力下飽和水的焓值，kJ/kg；ζ為疏水?dāng)U容器的汽化率；hw為系統(tǒng)補(bǔ)水的焓值，kJ/kg；ηx為系統(tǒng)熱效率，%。

按照已建立的數(shù)學(xué)模型，并利用給定的邊界條件，計(jì)算出蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)條件下系統(tǒng)性能參數(shù)

2.2 系統(tǒng)性能分析

在保持系統(tǒng)工質(zhì)其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，研究輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度對(duì)直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)性能的影響，研究的性能參數(shù)包括系統(tǒng)工質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量流量和系統(tǒng)熱效率。在環(huán)境溫度 (Ta=25 ℃) 保持不變的情況下，系統(tǒng)性能隨輻射強(qiáng)度的變化如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)輻射強(qiáng)度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)熱效率從47.2%提高至66.3%，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量增加。對(duì)于槽式集熱器而言，輻射量增大，集熱管金屬吸熱管外表面的熱流密度和聚焦光斑溫度也隨之增大，熱損失減少，從而使得系統(tǒng)熱效率提高；對(duì)于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)而言，為保證集熱管出口工質(zhì)參數(shù)不變，隨著輻射量的增大，系統(tǒng)熱效率提高，系統(tǒng)工質(zhì)的質(zhì)量流量隨之增大。當(dāng)輻射強(qiáng)度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量從0.07 kg/s增大至1.05 kg/s，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量增加，為保證集熱器出口參數(shù)不變，則集熱器進(jìn)口質(zhì)量流量增大，相應(yīng)的蒸汽質(zhì)量流量也隨之增大。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)的供熱能力有較大影響。

圖2 系統(tǒng)熱效率和進(jìn)口液體質(zhì)量流量隨輻射強(qiáng)度的變化

在輻射強(qiáng)度保持不變(Idirect=600 W/m2)的情況下，系統(tǒng)熱效率和系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)環(huán)境溫度由15 ℃升高至33 ℃時(shí)，系統(tǒng)熱效率從64.5%緩慢提高至64.7%。隨著環(huán)境溫度的升高，由于減少了集熱管和環(huán)境的散熱溫差，熱損失減少，因此系統(tǒng)熱效率得到提高。環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量從0.615 kg/s緩慢增大至0.617 kg/s，其原因是散熱損失減少，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量增加，為保持系統(tǒng)出口工質(zhì)參數(shù)不變，因此進(jìn)口工質(zhì)質(zhì)量流量也隨之增大。

圖3 系統(tǒng)熱效率和工質(zhì)質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化

由此可知，環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)熱效率和系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量的増幅均不明顯，集熱效率僅提高0.3%，質(zhì)量流量?jī)H增大0.002 kg/s，這說(shuō)明環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)供熱能力的影響不明顯。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)投資成本的分析

直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)總投資成本主要由建設(shè)投資成本和運(yùn)行管理成本組成。表3給出了文獻(xiàn)[11]中LS-2槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電預(yù)估的投資成本和主要成本計(jì)算。

表3 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電建設(shè)投資成本

以槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)投資成本為依據(jù)，按照直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到預(yù)估的投資成本，其中主要包括建設(shè)投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

直接式槽式太陽(yáng)能中高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的總初投資成本C為：

C=C1+C2

(10)

(Ce-Cb-Cs-Ch)·ηtur

(11)

Ch=Ce·ξ1

(12)

C2=Ce·ξ2

(13)

式中：C1為建設(shè)投資成本，$/kW；C2為運(yùn)行維護(hù)成本，$/kW；B為建設(shè)總投資，$；Qt為供熱量，MW；Qe為發(fā)電量，MW；Ce為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電建設(shè)投資總成本，$/kW；Cb為發(fā)電系統(tǒng)投資成本，$/kW；Cs為儲(chǔ)熱系統(tǒng)成本，$/kW；Ch為導(dǎo)熱油投資成本，$/kW；ηtur為汽輪機(jī)效率；ξ1、ξ2均為比例因子，分別取為3%和6%[11]。

用太陽(yáng)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)鍋爐提供熱量，節(jié)約傳統(tǒng)化石能源的效果最終體現(xiàn)在燃煤量的降低上，因此筆者給出了不同供熱規(guī)模下產(chǎn)生蒸汽時(shí)的節(jié)煤質(zhì)量流量qm：

(14)

式中：P為供熱量，MW；ηnet為鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率，取93.847%[12]；qnet為煤的發(fā)熱量，取標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量值29 270 kJ/kg[13]。

表4為依照式(14)得到的直接式槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)投資成本。由表4可以看出，隨著系統(tǒng)供熱規(guī)模的擴(kuò)大，槽式集熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)總投資成本逐漸降低，最低可達(dá)631.30 $/kW，節(jié)煤質(zhì)量流量隨著供熱規(guī)模的擴(kuò)大而增大，最大可達(dá)36.40 kg/s。

表4 直接式槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)投資成本

3.2 系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性分析指標(biāo)

考慮到資金的時(shí)間價(jià)值，在評(píng)價(jià)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將系統(tǒng)總初投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本和年用水費(fèi)用相加。為此，筆者提出采用動(dòng)態(tài)年計(jì)算費(fèi)用法，將總初投資成本折算成使用期限內(nèi)的年投資成本，將其與年運(yùn)行維護(hù)成本和年用水費(fèi)用相加，計(jì)算出系統(tǒng)的年使用成本。再根據(jù)上述計(jì)算所得系統(tǒng)年使用成本和系統(tǒng)年產(chǎn)蒸汽量，得出系統(tǒng)產(chǎn)每噸蒸汽時(shí)消耗的能源成本，即蒸汽能源平均成本(簡(jiǎn)稱CSLEC)。根據(jù)CSLEC的基本概念，其計(jì)算公式為：

(15)

(16)

式中：a為資金回收系數(shù)；Cw為年用水費(fèi)用，$；Ba為年產(chǎn)蒸汽量，t/a；i為利率，取值為8%；n為系統(tǒng)壽命，a。

3.2.1CSLEC隨年輻射量的變化

由于不同地區(qū)的太陽(yáng)年輻射量有所不同，年輻射量的選取會(huì)影響蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。筆者對(duì)比分析了系統(tǒng)使用壽命為20年，供熱規(guī)模分別為135 MW、375 MW和1 000 MW時(shí)，在2種算法下年輻射量對(duì)直接式槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)CSLEC的影響，如圖4所示。

圖4 CSLEC隨年輻射量的變化

由圖4可知，隨著年輻射量的增加，CSLEC逐漸降低；在相同年輻射量的情況下，CSLEC隨著供熱規(guī)模的擴(kuò)大而降低；在光照時(shí)間比較充足的地方，CSLEC有可能低于26.82 $/t。當(dāng)輻射時(shí)間增加時(shí)，系統(tǒng)做功時(shí)間增加，年產(chǎn)蒸汽量增大，從而CSLEC降低。

3.2.2CSLEC隨系統(tǒng)壽命的變化

在保證系統(tǒng)年輻射量為2 400 h不變的前提下，CSLEC隨系統(tǒng)使用壽命的變化如圖5所示。由圖5可知，隨著系統(tǒng)使用壽命的延長(zhǎng)，CSLEC降低；在相同系統(tǒng)使用壽命下，CSLEC隨著供熱規(guī)模的擴(kuò)大而降低。

圖5 CSLEC隨系統(tǒng)使用壽命的變化

在年輻射量為2 400 h的情況下，隨著系統(tǒng)使用壽命的延長(zhǎng)，CSLEC有可能降低至32.08 $/t。目前槽式集熱系統(tǒng)的使用壽命普遍在20年左右。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度由100 W/m2增大到1 000 W/m2時(shí)，系統(tǒng)熱效率從47.2%提高到66.3%，集熱器進(jìn)口工質(zhì)質(zhì)量流量從0.07 kg/s增大到1.05 kg/s。當(dāng)環(huán)境溫度由15 ℃升高到33 ℃時(shí)，系統(tǒng)熱效率從64.5%緩慢提高到64.7%，系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量維持在0.616 kg/s左右。輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響較為明顯，環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響不明顯。

(2) 在1 000 MW的供熱規(guī)模下，直接式槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的投資成本有望降低至631.30 $/kW，節(jié)煤質(zhì)量流量最大可以達(dá)到36.4 kg/s。隨著年輻射時(shí)間的增加，CSLEC明顯降低，在系統(tǒng)使用壽命為20年的前提下，CSLEC可降低至26.82 $/t。隨著系統(tǒng)的使用壽命的延長(zhǎng)，CSLEC快速降低，在年輻射量為2 400 h的前提下，CSLEC可降低至32.08 $/t。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)選擇輻射條件較好的地區(qū)，系統(tǒng)的使用壽命應(yīng)盡量延長(zhǎng)。

(3) 隨著太陽(yáng)能集熱器和熱交換器技術(shù)水平的不斷發(fā)展，系統(tǒng)建設(shè)成本會(huì)有所下降，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)蒸汽的成本也會(huì)降低，同時(shí)由于化石能源的不斷緊缺，價(jià)格日益升高，其產(chǎn)生蒸汽的成本也不斷升高，因此用直接式槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)代替工業(yè)鍋爐具有很好的經(jīng)濟(jì)性和更好的發(fā)展前景。

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