太阳能辅助燃气-蒸汽联合循环的冷热电联产系统

郝 欣王江江

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北 保定071003)

0 引言

为响应绿色发展理念,未来能源利用模式应该以清洁能源为主题[1]。在诸多新能源中,太阳能是一种清洁的、可再生的能源[2]。

我国20世纪70年代开始对光热发电进行研究,2013年7月16日,青海中控德令哈50 MW塔式太阳能热电站一期10 MW工程成功并入青海电网发电[3]。但是太阳能本身具有时空分布不均匀以及能流密度低等固有缺点,导致单纯的太阳能热发电成本较高、能量利用率较低,成为商业化发展的主要障碍之一[4]。如果太阳能和化石能源互补便可以解决这些问题,以化石燃料为主,太阳能为辅,可以提高总输出功和系统热效率。就这样,太阳能-燃气联合循环热发电系统(integrated solar combined cycle,ISCC)走入了人们的视野。

很多学者致力于ISCC发电系统的研究,Mabrouk M T等[5]提出了用热力学模型评估槽式太阳能燃气联合循环系统的性能,使用粒子群优化和重力搜索算法,给出了最佳配置。Duan L等[6]提出了一种以燃气轮机压缩空气作为太阳能集热器工作介质的新型ISCC系统,与传统的以导热油为工作介质的ISCC系统相比,不仅燃料单元功率损耗小,而且具有热力学优势和经济性能优势。Calise F等[7]将直接蒸汽发生器和真空管太阳能集热器都加到太阳能循环中,和单纯的直接蒸汽发生器太阳能联合循环以及单纯的燃气轮机循环进行了仿真比较。袁晶[8]研究了太阳能蒸发给水份额对系统性能的影响,并求出了最佳集成模式,太阳能蒸发给水份额占总蒸发量75%时,系统性能最优。裴杰等[9]针对华能南山电厂菲涅尔式太阳能与燃气蒸汽联合循环发电系统存在的一系列问题,提出在太阳能集热场设置蓄热系统,并将过热蒸汽引入汽轮机的中压段做功。陈强等[10]针对太阳能直接蒸汽发生系统与联合循环构成的系统,研究了不同集热温度下槽式太阳能-燃气联合循环热力性能的变化。

传统的ISCC系统的烟气余热利用问题也一直是人们关注的热点,张书华等[11]提出利用分布式能源及工业余热的多能互补系统,对工业废热进行了回收利用。王江江等[12]提出了分布式能源系统具有经济、环保、节能等优点。

本文主要针对太阳能-燃气联合循环冷热电联产系统进行研究,从太阳能辐射强度和燃气轮机尾部烟气分配比例两个方面对系统进行变工况分析,比较各个工况下的热力性能。

1 系统流程

本文提出的太阳能辅助燃气蒸汽联合循环的冷热电联产系统如图1所示。系统分为3个模块:燃气-蒸汽联合循环模块、太阳能集热场模块、双效溴化锂吸收式热泵模块。燃气轮机的型号是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,余热锅炉选择的是三压无再热结构。

燃气轮机产生的烟气分为2部分,一部分在余热锅炉里进行梯级利用,依次经过了HPS(高压过热器)、HPB(高压蒸发器)、IPS(中压过热器)、HPE(高压省煤器)、IPB(中压蒸发器)、IPE(中压省煤器)、LPB(低压蒸发器)以及LPE(低压省煤器),最后通过换热器生成第一部分生活热水。另一部分烟气通过双效溴化锂吸收式热泵进行余热利用,余热用来制冷。传热工质在太阳能集热器加热后,将热量依次传递给S(过热器)、B(蒸发器)以及E(省煤器),提高了汽轮机高压缸和中压缸的入口蒸汽温度,进而提高了蒸汽轮机的发电效率。双效溴化锂吸收式热泵利用完的烟气可以与换热器换热产生第二部分生活热水,太阳能传热工质最后也和换热器换热产生了第三部分生活热水

图1 系统流程图Fig.1 System flow chart

2 系统建模

本文采用EBSILON软件来搭建系统。EBSILON软件平台是一款由德国鲁尔集团旗下子公司STEAG开发的专业电站性能仿真计算软件[13],可广泛用于电站热平衡计算、设计、性能评估、能耗对标、仿真监测及优化改造,拥有组件丰富、功能强大以及设计灵活等优点。

槽式太阳能集热器设计工况的主要参数如表1所示,采用PT LS-2型槽式太阳能集热器,集热器长度为47 m,宽度为5 m。选取河北地区(38.87°N,115.47°E)的太阳数据,直接法向辐射为900 W/m2。太阳能集热器中工质为导热油,导热油具有沸点高、蒸气压力低和凝点低等优点,可以在常压条件下加热至300℃以上而不气化[14]。

表1 槽式太阳能集热器设计工况主要参数Table 1 Main parameters of trough solar collector

燃气轮机设计工况主要参数如表2所示,燃气轮机的型号是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,燃气轮机额定发电量为21.1 MW,排烟温度为537.4℃。余热锅炉以及蒸汽轮机设计工况主要参数如表3所示,余热锅炉选择的是三压无再热结构,蒸汽轮机额定发电量为7.4 MW,余热锅炉节点温差为5℃,燃气轮机烟气经过余热锅炉多个换热面进行了能量梯级利用后,余热锅炉排烟温度降低为119℃。

烟气型双效溴化锂吸收式热泵设计工况的主要参数如表4所示。

表2 燃气轮机设计工况主要参数Table 2 Main parameters of gas-steam combined cycle design conditions

表3 余热锅炉 蒸汽轮机设计工况主要参数Table 3 Main parameters of design conditions of waste heat boiler-steam turbine

表4 吸收式热泵设计工况主要参数Table 4 Main parameters of absorption heat pump design conditions

3 系统热力性能评价指标

3.1 系统一次能源利用率

系统一次能源利用率定义为整个系统的总输出能量比总输入能量,对于本系统而言,总输入能量包括输入的太阳能和天然气的能量,总输出能量包括发电量、热泵制冷量和生活热水的能量,计算公式为

式中:EE为系统发电量,k W;QC为热泵制冷量,k W;QDW为生活热水的能量,k W;QNG为系统燃料低热值输入量,k W;QS为系统太阳能的输入值,k W;mf为燃气轮机中天然气的流量,t/s;QLHV为燃料的低位热值,k W。

3.2 系统效率

由于系统包含天然气和太阳能两种不同品位的能量的输入,所以效率更能反映系统对输入能量的利用情况,效率定义为输出与输入的比值,计算公式为

式中:ExNG、ExS分别为系统天然气总输入和太阳能总输入,k W;ExDW、ExE分别为生活热水和电对应的,k W;ExC为吸收式热泵制冷,k W;T0为参考点温度,取值298 K(25℃),K;Trw,f、Tdw,m分别为冷冻水的平均温度和生活热水的平均温度,K;ηs,ex为标准大气情况下,太阳辐射到地球表面的最大效率,取值为0.9171[15];天然气的等于其低位发热量值的1.04倍[16]。

3.3 太阳能净发电效率

太阳能净发电率指太阳能燃气互补系统中将太阳能集热器吸收的热能产生为电能的能力,计算公式为

式中:Eref为相同化石燃料输入时,无太阳能互补的燃气蒸汽联合循环冷热电系统的发电量,k W;Qrad为考虑太阳能集热器损失时,太阳能的有效能输入,k W。

4 系统模拟结果及分析

4.1 设计工况模拟结果

利用软件EBSILON对太阳能辅助的天然气冷热电联产系统的设计工况进行模拟。经过计算,设计工况下系统的输入,产出及性能分析如表5所示。系统总发电量为28 MW时,制冷量为12.8 MW,生活热水热量6.3 MW,系统一次能源利用率为69.5%,系统的效率为42.2%,太阳能净发电率达55.3%。

4.2 系统变工况性能分析

4.2.1 变太阳能辐照强度

太阳能子系统中太阳能辐照强度在100～900 W/m2内变化时,天然气子系统基本参数保持不变时,太阳能集热器集热效率随辐射强度变化,从而影响与余热锅炉系统的换热量,进而影响太阳能子系统对总系统的贡献值以及系统的一次能源效率和效率。

如图2所示随着太阳能辐射强度增强,太阳能集热器的集热效率呈上升趋势,且先升高后趋于稳定,这是因为在辐照强度大于100 W/m2的初期,辐照强度的增加使管内平均集热温度迅速上升,增强了集热管内的换热过程,因此集热器的集热效率在初期大幅度上升;在600 W/m2之后,平均集热温度稳定下来,集热管内的换热过程也趋于饱和,因此集热效率逐渐稳定。

图2 太阳能辐照对集热效率的影响Fig.2 Impacts of solar irradiation intensity on heat collection efficiency

太阳能辐照强度增加促使太阳能集热器中导热油热量增加,换热器的换热量增加,因此生活热水热量从5.1～7.3 MW处于线性上升趋势。由于燃气轮机排烟分为两部分,一部分通向太阳能辅助的蒸汽联合循环,另一部分通向双效溴化锂吸收热泵,所以改变太阳能辐照强度不会使系统的制冷系数(coefficient of performance,COP)改变,COP值在这个情况下为定值1.013。

如图3所示,随着太阳能辐照强度的增加,太阳能净发电效率上升6%,但是,随着太阳能辐照强度增加,太阳能子系统对整个系统的输入增加,由于其弱于天然气对整个系统的贡献值,所以系统的一次能源利用率及效率以小幅度下降趋势,约为2%之内。

图3 太阳能辐照对系统热力性能的影响Fig.3 Impacts of solar irradiation intensity on thermodynamic performances

4.2.2 变热泵烟气分配量

本文设计的系统中燃气轮机的排烟分为两部分利用,一部分通向太阳能辅助的蒸汽联合循环,另一部分通向双效溴化锂吸收式热泵,把通向热泵的烟气量定义为热泵烟气分配量。当热泵烟气分配量在100～20 t/s内变化,系统其他参数不变,改变了系统制冷量和发电量的比例大小,从而影响系统的一次能源利用率、太阳能净发电率以及效率。

如图4所示,当烟气入口温度不变时,热泵的COP值随热泵烟气分配量的减小先增大后减小,热泵烟气分配量为80 t/s时,COP值有最大值1.046。这是因为烟气流量降低导致制冷量下降,吸收器及冷凝器的热负荷下降,蒸发温度随着制冷量减少而上升,蒸发效果变好,所以在初期COP值随热泵烟气分配量的减小而增大。但随着烟热泵气分配量持续降低,高压发生器的溶液温度下降,产生的冷剂蒸汽流量迅速减少,循环倍率增加,COP值开始逐渐减小。

图4 随烟气分配量改变性能变化Fig.4 Performance changes with flue gas flow rate

如图4所示,热泵烟气分配量从100 t/s减小到20 t/s,联合循环部分的总输出能从11.8 MW逐渐增加到15.5 MW,双效溴化锂吸收式热泵部分的总输出能从14.3 MW减少到2.5 MW,但是前一部分的增加量小于后一部分的减少量,所以整个系统的输出功随着热泵烟气分配量的减少而减少。因此,如图5所示,随着烟气分配量的减少,系统的一次能源利用率下降约18%。由于电量的增加量大于生活热水和制冷量值的减小量,所以系统的效率增长3%。

图5 变烟气分配量下系统一次能源效率、太阳能净发电量以及效率变化Fig.5 Changes of primary energy efficiency,net solar power generation and rake efficiency under flue gas flow of variable combined cycle

随着热泵烟气分配量从100 t/s减少到20 t/s,流向联合循环的烟气量在增加,相对弱化了与太阳能子系统的换热,蒸汽联合循环的发电量占主要部分,因此太阳能净发电率下降约为3.5%,且在热泵烟气分配量从100 t/s减少到50 t/s的初期,由于对太阳能子系统的弱化较为明显,所以太阳能净发电率下降的较快。

5 结论

(2)由变工况系统性能分析得知,太阳能辐照强度从100 W/m2增强到900 W/m2,太阳能净发电效率上升了6%,但由于太阳能贡献率小于天然气子系统对整个系统的贡献,因此系统一次能源利用率及效率下降约为2%。

(3)由变工况系统性能分析得知,随着热泵烟气分配量减小,COP值先增大后减小,当热泵烟气分配量为80 t/s时,COP值最大可达1.046。由于整个系统的输出功在减少,所以系统的一次能源利用率下降了18%。由于电量的增加量大于生活热水和制冷量值的减小量,所以系统的效率增长了3%。由于流向联合循环的烟气量在增加,相对弱化了与太阳能子系统的换热,因此太阳能净发电率下降了3.5%。