郝 欣王江江

(華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,河北 保定071003)

0 引言

為響應(yīng)綠色發(fā)展理念,未來能源利用模式應(yīng)該以清潔能源為主題[1]。在諸多新能源中,太陽能是一種清潔的、可再生的能源[2]。

我國20世紀(jì)70年代開始對光熱發(fā)電進(jìn)行研究,2013年7月16日,青海中控德令哈50 MW塔式太陽能熱電站一期10 MW工程成功并入青海電網(wǎng)發(fā)電[3]。但是太陽能本身具有時(shí)空分布不均勻以及能流密度低等固有缺點(diǎn),導(dǎo)致單純的太陽能熱發(fā)電成本較高、能量利用率較低,成為商業(yè)化發(fā)展的主要障礙之一[4]。如果太陽能和化石能源互補(bǔ)便可以解決這些問題,以化石燃料為主,太陽能為輔,可以提高總輸出功和系統(tǒng)熱效率。就這樣,太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)(integrated solar combined cycle,ISCC)走入了人們的視野。

很多學(xué)者致力于ISCC發(fā)電系統(tǒng)的研究,Mabrouk M T等[5]提出了用熱力學(xué)模型評估槽式太陽能燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)的性能,使用粒子群優(yōu)化和重力搜索算法,給出了最佳配置。Duan L等[6]提出了一種以燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣作為太陽能集熱器工作介質(zhì)的新型ISCC系統(tǒng),與傳統(tǒng)的以導(dǎo)熱油為工作介質(zhì)的ISCC系統(tǒng)相比,不僅燃料單元功率損耗小,而且具有熱力學(xué)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢。Calise F等[7]將直接蒸汽發(fā)生器和真空管太陽能集熱器都加到太陽能循環(huán)中,和單純的直接蒸汽發(fā)生器太陽能聯(lián)合循環(huán)以及單純的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)進(jìn)行了仿真比較。袁晶[8]研究了太陽能蒸發(fā)給水份額對系統(tǒng)性能的影響,并求出了最佳集成模式,太陽能蒸發(fā)給水份額占總蒸發(fā)量75%時(shí),系統(tǒng)性能最優(yōu)。裴杰等[9]針對華能南山電廠菲涅爾式太陽能與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)存在的一系列問題,提出在太陽能集熱場設(shè)置蓄熱系統(tǒng),并將過熱蒸汽引入汽輪機(jī)的中壓段做功。陳強(qiáng)等[10]針對太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與聯(lián)合循環(huán)構(gòu)成的系統(tǒng),研究了不同集熱溫度下槽式太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)熱力性能的變化。

傳統(tǒng)的ISCC系統(tǒng)的煙氣余熱利用問題也一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn),張書華等[11]提出利用分布式能源及工業(yè)余熱的多能互補(bǔ)系統(tǒng),對工業(yè)廢熱進(jìn)行了回收利用。王江江等[12]提出了分布式能源系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

本文主要針對太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究,從太陽能輻射強(qiáng)度和燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙氣分配比例兩個(gè)方面對系統(tǒng)進(jìn)行變工況分析,比較各個(gè)工況下的熱力性能。

1 系統(tǒng)流程

本文提出的太陽能輔助燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)分為3個(gè)模塊:燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)模塊、太陽能集熱場模塊、雙效溴化鋰吸收式熱泵模塊。燃?xì)廨啓C(jī)的型號是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,余熱鍋爐選擇的是三壓無再熱結(jié)構(gòu)。

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的煙氣分為2部分,一部分在余熱鍋爐里進(jìn)行梯級利用,依次經(jīng)過了HPS(高壓過熱器)、HPB(高壓蒸發(fā)器)、IPS(中壓過熱器)、HPE(高壓省煤器)、IPB(中壓蒸發(fā)器)、IPE(中壓省煤器)、LPB(低壓蒸發(fā)器)以及LPE(低壓省煤器),最后通過換熱器生成第一部分生活熱水。另一部分煙氣通過雙效溴化鋰吸收式熱泵進(jìn)行余熱利用,余熱用來制冷。傳熱工質(zhì)在太陽能集熱器加熱后,將熱量依次傳遞給S(過熱器)、B(蒸發(fā)器)以及E(省煤器),提高了汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸的入口蒸汽溫度,進(jìn)而提高了蒸汽輪機(jī)的發(fā)電效率。雙效溴化鋰吸收式熱泵利用完的煙氣可以與換熱器換熱產(chǎn)生第二部分生活熱水,太陽能傳熱工質(zhì)最后也和換熱器換熱產(chǎn)生了第三部分生活熱水

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

2 系統(tǒng)建模

本文采用EBSILON軟件來搭建系統(tǒng)。EBSILON軟件平臺是一款由德國魯爾集團(tuán)旗下子公司STEAG開發(fā)的專業(yè)電站性能仿真計(jì)算軟件[13],可廣泛用于電站熱平衡計(jì)算、設(shè)計(jì)、性能評估、能耗對標(biāo)、仿真監(jiān)測及優(yōu)化改造,擁有組件豐富、功能強(qiáng)大以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

槽式太陽能集熱器設(shè)計(jì)工況的主要參數(shù)如表1所示,采用PT LS-2型槽式太陽能集熱器,集熱器長度為47 m,寬度為5 m。選取河北地區(qū)(38.87°N,115.47°E)的太陽數(shù)據(jù),直接法向輻射為900 W/m2。太陽能集熱器中工質(zhì)為導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油具有沸點(diǎn)高、蒸氣壓力低和凝點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn),可以在常壓條件下加熱至300℃以上而不氣化[14]。

表1 槽式太陽能集熱器設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)Table 1 Main parameters of trough solar collector

燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)如表2所示,燃?xì)廨啓C(jī)的型號是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,燃?xì)廨啓C(jī)額定發(fā)電量為21.1 MW,排煙溫度為537.4℃。余熱鍋爐以及蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)如表3所示,余熱鍋爐選擇的是三壓無再熱結(jié)構(gòu),蒸汽輪機(jī)額定發(fā)電量為7.4 MW,余熱鍋爐節(jié)點(diǎn)溫差為5℃,燃?xì)廨啓C(jī)煙氣經(jīng)過余熱鍋爐多個(gè)換熱面進(jìn)行了能量梯級利用后,余熱鍋爐排煙溫度降低為119℃。

煙氣型雙效溴化鋰吸收式熱泵設(shè)計(jì)工況的主要參數(shù)如表4所示。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)Table 2 Main parameters of gas-steam combined cycle design conditions

表3 余熱鍋爐 蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)Table 3 Main parameters of design conditions of waste heat boiler-steam turbine

表4 吸收式熱泵設(shè)計(jì)工況主要參數(shù)Table 4 Main parameters of absorption heat pump design conditions

3 系統(tǒng)熱力性能評價(jià)指標(biāo)

3.1 系統(tǒng)一次能源利用率

系統(tǒng)一次能源利用率定義為整個(gè)系統(tǒng)的總輸出能量比總輸入能量,對于本系統(tǒng)而言,總輸入能量包括輸入的太陽能和天然氣的能量,總輸出能量包括發(fā)電量、熱泵制冷量和生活熱水的能量,計(jì)算公式為

式中:EE為系統(tǒng)發(fā)電量,k W;QC為熱泵制冷量,k W;QDW為生活熱水的能量,k W;QNG為系統(tǒng)燃料低熱值輸入量,k W;QS為系統(tǒng)太陽能的輸入值,k W;mf為燃?xì)廨啓C(jī)中天然氣的流量,t/s;QLHV為燃料的低位熱值,k W。

3.2 系統(tǒng)效率

由于系統(tǒng)包含天然氣和太陽能兩種不同品位的能量的輸入,所以效率更能反映系統(tǒng)對輸入能量的利用情況,效率定義為輸出與輸入的比值,計(jì)算公式為

式中:ExNG、ExS分別為系統(tǒng)天然氣總輸入和太陽能總輸入,k W;ExDW、ExE分別為生活熱水和電對應(yīng)的,k W;ExC為吸收式熱泵制冷,k W;T0為參考點(diǎn)溫度,取值298 K(25℃),K;Trw,f、Tdw,m分別為冷凍水的平均溫度和生活熱水的平均溫度,K;ηs,ex為標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下,太陽輻射到地球表面的最大效率,取值為0.9171[15];天然氣的等于其低位發(fā)熱量值的1.04倍[16]。

3.3 太陽能凈發(fā)電效率

太陽能凈發(fā)電率指太陽能燃?xì)饣パa(bǔ)系統(tǒng)中將太陽能集熱器吸收的熱能產(chǎn)生為電能的能力,計(jì)算公式為

式中:Eref為相同化石燃料輸入時(shí),無太陽能互補(bǔ)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)冷熱電系統(tǒng)的發(fā)電量,k W;Qrad為考慮太陽能集熱器損失時(shí),太陽能的有效能輸入,k W。

4 系統(tǒng)模擬結(jié)果及分析

4.1 設(shè)計(jì)工況模擬結(jié)果

利用軟件EBSILON對太陽能輔助的天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行模擬。經(jīng)過計(jì)算,設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的輸入,產(chǎn)出及性能分析如表5所示。系統(tǒng)總發(fā)電量為28 MW時(shí),制冷量為12.8 MW,生活熱水熱量6.3 MW,系統(tǒng)一次能源利用率為69.5%,系統(tǒng)的效率為42.2%,太陽能凈發(fā)電率達(dá)55.3%。

4.2 系統(tǒng)變工況性能分析

4.2.1 變太陽能輻照強(qiáng)度

太陽能子系統(tǒng)中太陽能輻照強(qiáng)度在100～900 W/m2內(nèi)變化時(shí),天然氣子系統(tǒng)基本參數(shù)保持不變時(shí),太陽能集熱器集熱效率隨輻射強(qiáng)度變化,從而影響與余熱鍋爐系統(tǒng)的換熱量,進(jìn)而影響太陽能子系統(tǒng)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值以及系統(tǒng)的一次能源效率和效率。

如圖2所示隨著太陽能輻射強(qiáng)度增強(qiáng),太陽能集熱器的集熱效率呈上升趨勢,且先升高后趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)樵谳椪諒?qiáng)度大于100 W/m2的初期,輻照強(qiáng)度的增加使管內(nèi)平均集熱溫度迅速上升,增強(qiáng)了集熱管內(nèi)的換熱過程,因此集熱器的集熱效率在初期大幅度上升;在600 W/m2之后,平均集熱溫度穩(wěn)定下來,集熱管內(nèi)的換熱過程也趨于飽和,因此集熱效率逐漸穩(wěn)定。

圖2 太陽能輻照對集熱效率的影響Fig.2 Impacts of solar irradiation intensity on heat collection efficiency

太陽能輻照強(qiáng)度增加促使太陽能集熱器中導(dǎo)熱油熱量增加,換熱器的換熱量增加,因此生活熱水熱量從5.1～7.3 MW處于線性上升趨勢。由于燃?xì)廨啓C(jī)排煙分為兩部分,一部分通向太陽能輔助的蒸汽聯(lián)合循環(huán),另一部分通向雙效溴化鋰吸收熱泵,所以改變太陽能輻照強(qiáng)度不會使系統(tǒng)的制冷系數(shù)(coefficient of performance,COP)改變,COP值在這個(gè)情況下為定值1.013。

如圖3所示,隨著太陽能輻照強(qiáng)度的增加,太陽能凈發(fā)電效率上升6%,但是,隨著太陽能輻照強(qiáng)度增加,太陽能子系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)的輸入增加,由于其弱于天然氣對整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值,所以系統(tǒng)的一次能源利用率及效率以小幅度下降趨勢,約為2%之內(nèi)。

圖3 太陽能輻照對系統(tǒng)熱力性能的影響Fig.3 Impacts of solar irradiation intensity on thermodynamic performances

4.2.2 變熱泵煙氣分配量

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的排煙分為兩部分利用,一部分通向太陽能輔助的蒸汽聯(lián)合循環(huán),另一部分通向雙效溴化鋰吸收式熱泵,把通向熱泵的煙氣量定義為熱泵煙氣分配量。當(dāng)熱泵煙氣分配量在100～20 t/s內(nèi)變化,系統(tǒng)其他參數(shù)不變,改變了系統(tǒng)制冷量和發(fā)電量的比例大小,從而影響系統(tǒng)的一次能源利用率、太陽能凈發(fā)電率以及效率。

如圖4所示,當(dāng)煙氣入口溫度不變時(shí),熱泵的COP值隨熱泵煙氣分配量的減小先增大后減小,熱泵煙氣分配量為80 t/s時(shí),COP值有最大值1.046。這是因?yàn)闊煔饬髁拷档蛯?dǎo)致制冷量下降,吸收器及冷凝器的熱負(fù)荷下降,蒸發(fā)溫度隨著制冷量減少而上升,蒸發(fā)效果變好,所以在初期COP值隨熱泵煙氣分配量的減小而增大。但隨著煙熱泵氣分配量持續(xù)降低,高壓發(fā)生器的溶液溫度下降,產(chǎn)生的冷劑蒸汽流量迅速減少,循環(huán)倍率增加,COP值開始逐漸減小。

圖4 隨煙氣分配量改變性能變化Fig.4 Performance changes with flue gas flow rate

如圖4所示,熱泵煙氣分配量從100 t/s減小到20 t/s,聯(lián)合循環(huán)部分的總輸出能從11.8 MW逐漸增加到15.5 MW,雙效溴化鋰吸收式熱泵部分的總輸出能從14.3 MW減少到2.5 MW,但是前一部分的增加量小于后一部分的減少量,所以整個(gè)系統(tǒng)的輸出功隨著熱泵煙氣分配量的減少而減少。因此,如圖5所示,隨著煙氣分配量的減少,系統(tǒng)的一次能源利用率下降約18%。由于電量的增加量大于生活熱水和制冷量值的減小量,所以系統(tǒng)的效率增長3%。

圖5 變煙氣分配量下系統(tǒng)一次能源效率、太陽能凈發(fā)電量以及效率變化Fig.5 Changes of primary energy efficiency,net solar power generation and rake efficiency under flue gas flow of variable combined cycle

隨著熱泵煙氣分配量從100 t/s減少到20 t/s,流向聯(lián)合循環(huán)的煙氣量在增加,相對弱化了與太陽能子系統(tǒng)的換熱,蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電量占主要部分,因此太陽能凈發(fā)電率下降約為3.5%,且在熱泵煙氣分配量從100 t/s減少到50 t/s的初期,由于對太陽能子系統(tǒng)的弱化較為明顯,所以太陽能凈發(fā)電率下降的較快。

5 結(jié)論

(2)由變工況系統(tǒng)性能分析得知,太陽能輻照強(qiáng)度從100 W/m2增強(qiáng)到900 W/m2,太陽能凈發(fā)電效率上升了6%,但由于太陽能貢獻(xiàn)率小于天然氣子系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn),因此系統(tǒng)一次能源利用率及效率下降約為2%。

(3)由變工況系統(tǒng)性能分析得知,隨著熱泵煙氣分配量減小,COP值先增大后減小,當(dāng)熱泵煙氣分配量為80 t/s時(shí),COP值最大可達(dá)1.046。由于整個(gè)系統(tǒng)的輸出功在減少,所以系統(tǒng)的一次能源利用率下降了18%。由于電量的增加量大于生活熱水和制冷量值的減小量,所以系統(tǒng)的效率增長了3%。由于流向聯(lián)合循環(huán)的煙氣量在增加,相對弱化了與太陽能子系統(tǒng)的換熱,因此太陽能凈發(fā)電率下降了3.5%。