太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性探討

閆 鵬

(中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100044)

太陽能
——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性探討

閆 鵬

(中國電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100044)

對(duì)太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電(ISCC) 發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要介紹。論述了ISCC發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)條件要求。從提高能源利用率、與電網(wǎng)峰谷相適應(yīng)、提高天然氣利用率、穩(wěn)定負(fù)荷、減少對(duì)電網(wǎng)沖擊、提高穩(wěn)定性、節(jié)約能源等方面，詳細(xì)介紹了ISCC發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電優(yōu)勢(shì)。對(duì)ISCC發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹分析。太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)ISCC技術(shù)的推廣，對(duì)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、國際合作及產(chǎn)業(yè)升級(jí)有著重要的作用，符合國家利用可再生能源規(guī)劃的要求。

ISCC 發(fā)電技術(shù)；發(fā)電優(yōu)勢(shì)；經(jīng)濟(jì)性。

1 概述

太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)(ISCC)發(fā)電技術(shù)是利用槽式聚光太陽能發(fā)電技術(shù)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的新興技術(shù)。ISCC發(fā)電技術(shù)利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱來為太陽能熱作補(bǔ)充，燃?xì)廨啓C(jī)余熱用于預(yù)熱給水和提高太陽能熱產(chǎn)生的過熱蒸汽的溫度，以提高朗肯循環(huán)的出力，優(yōu)化能源發(fā)電效率。

目前已投產(chǎn)的ISCC項(xiàng)目是埃及的Kuraymat項(xiàng)目，該項(xiàng)目已在2011年6月正式投產(chǎn)運(yùn)行，項(xiàng)目技術(shù)支持及運(yùn)營方SolarMillennium公司聲稱該項(xiàng)目太陽能熱力混合電站性能超過預(yù)期的8%。另外在摩洛哥、墨西哥、印度、阿爾及利亞、伊朗、約旦及中國均有在建及計(jì)劃開發(fā)的ISCC項(xiàng)目。我國的ISCC項(xiàng)目位于寧夏鹽池地區(qū)，由寧夏哈納斯集團(tuán)投資建設(shè)，并致力于打造亞洲首個(gè)ISCC示范工程。該項(xiàng)目已于2011年10月破土動(dòng)工，預(yù)計(jì)2013年底投產(chǎn)。

2 ISCC發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)條件

ISCC發(fā)電技術(shù)是將槽式太陽能熱發(fā)電與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)結(jié)合在一起，這就對(duì)ISCC發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)提出了較高的要求。ISCC發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)條件主要包括：太陽能資源、天然氣資源以及其他常規(guī)建設(shè)條件。

與常規(guī)太陽能發(fā)電項(xiàng)目一樣，ISCC項(xiàng)目的首要建設(shè)條件就是豐富的太陽能資源。我國的太陽能資源受地理緯度、地形和大氣環(huán)流等因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的地域特色。西藏大部、新疆南部以及青海、甘肅和內(nèi)蒙西部，是太陽能資源極豐富地區(qū)；新疆大部、青海和甘肅東部、寧夏、陜西等區(qū)域，僅次于極豐富地區(qū)，可利用時(shí)數(shù)的年變化也比較穩(wěn)定，適于發(fā)展太陽能發(fā)電項(xiàng)目；而我國東南丘陵地區(qū)、漢水流域以及四川、貴州、川黔區(qū)，太陽能輻照年變化量大，輻照強(qiáng)度小，已不利于太陽能資源的利用。

我國天然氣資源分布相對(duì)集中，主要分布在陸上西部的塔里木、鄂爾多斯、四川、柴達(dá)木、準(zhǔn)噶爾盆地，東部的松遼、渤海灣盆地，以及東部近海海域的渤海、東海和鶯—瓊盆地。

根據(jù)我國太陽能資源分布及天然氣資源分布，ISCC發(fā)電項(xiàng)目的主要建設(shè)條件宜同時(shí)滿足處于太陽能資源與天然氣資源均較豐富的地區(qū)，如：新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙西部及寧夏等地區(qū)。當(dāng)然還需同時(shí)考慮其他常規(guī)建設(shè)條件作為ISCC發(fā)電項(xiàng)目的次要建設(shè)條件。

3 ISCC發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電優(yōu)勢(shì)

太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)(ISCC)發(fā)電項(xiàng)目與常規(guī)的槽式太陽能發(fā)電、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目相比具有如下優(yōu)勢(shì)：

3.1 ISCC發(fā)電可提高能源利用效率

常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電全廠總熱效率約為45%～50%。常規(guī)槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)電熱效率一般為13%～16%，峰值效率為24%。ISCC全廠總熱效率可達(dá)70%～80%。使整個(gè)槽式太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站的效率可提高25%。目前投產(chǎn)的埃及Kuraymat項(xiàng)目的能效可達(dá)到67%以上。

以上計(jì)算是根據(jù)國內(nèi)外已有文獻(xiàn)中的ISCCS熱效率均按此方法估算。此方法是將太陽能的熱量作為無償?shù)妮斎耄床粚⑻柲艿臒崃坑?jì)入。由于不計(jì)入太陽能熱量卻記入太陽能增加的汽機(jī)發(fā)電量，因此此種ISCC的熱效率可達(dá)到80%～90%，甚至達(dá)到100%。此計(jì)算存在的問題是，將太陽能作為免費(fèi)能源，忽略了太陽能部分的投資。這就需要對(duì)計(jì)算進(jìn)行重新修正。

在相同裝置規(guī)模和相同能量輸入的前提下，采用ISCC系統(tǒng)方式的熱效率與分別建設(shè)純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的綜合熱效率進(jìn)行比較。

ISCC系統(tǒng)發(fā)電熱效率的計(jì)算由于引入了不穩(wěn)定的太陽能熱量，使ISCC系統(tǒng)發(fā)電熱效率的計(jì)算更加復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定太陽能熱量充足且不變，計(jì)算此工況下ISCC系統(tǒng)的發(fā)電熱效率，作為ISCC系統(tǒng)在有太陽能時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)等效折算工況。ISCC系統(tǒng)有太陽能時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)等效折算工況下熱效率的計(jì)算公式如下：

按實(shí)際太陽能熱量計(jì)入公式。由于太陽能的能熱轉(zhuǎn)換效率約為48%，遠(yuǎn)小于天然氣的能熱轉(zhuǎn)換效率，因此引入實(shí)際太陽能熱量后，ISCC熱效率將介于常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率和常規(guī)槽式太陽能熱發(fā)電熱效率之間。初步估算在太陽能發(fā)電量占ISCCS總發(fā)電量比例約為40%時(shí)，ISCC熱效率一般約為28%左右，峰值效率約37%左右；在太陽能發(fā)電量占ISCC總發(fā)電量比例約為20%時(shí)，ISCC熱效率一般約為40.2%左右，峰值效率約45.7%左右。

假定常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電熱效率為50%，常規(guī)槽式太陽能熱發(fā)電熱效率為16%，峰值效率24%。若太陽能發(fā)電量與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電量比例為4:6，則計(jì)算出分別建設(shè)純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的綜合熱效率為27%，峰值效率為34.9%；若太陽能發(fā)電量與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電量比例為2:8，則計(jì)算出分別建設(shè)純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的綜合熱效率為35%，峰值效率為41%。

由以上估算結(jié)果看在相同相同裝置規(guī)模和相同能量輸入的前提下，采用ISCC系統(tǒng)方式的發(fā)電熱效率高于分別建設(shè)純槽式與常規(guī)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的綜合熱效率。同時(shí)可以看出隨著利用太陽能比例的減小，ISCC系統(tǒng)與分建相比發(fā)電熱效率提高越多，在20%太陽能比例時(shí)提高最多。因?yàn)?，ISCC系統(tǒng)采用的是較大的高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組，而純槽式太陽能熱發(fā)電采用的是中等的高壓中溫汽輪發(fā)電機(jī)組，常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用的是小型中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，ISCC系統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率均大于分建的兩個(gè)系統(tǒng)。

因此，槽式太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)充分利用太陽能作為中低溫加熱熱源，天然氣發(fā)電后的高溫?zé)煔庾鳛楦邷丶訜釤嵩?，可提高能源利用效率?/p>

3.2 ISCC系統(tǒng)與電網(wǎng)的峰谷相適應(yīng)

通常每天用電高峰在白天和傍晚，而用電低谷在晚上。從我國太陽能輻射的日分布上看，從上午9點(diǎn)至下午4點(diǎn)太陽能輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，通過增加熱儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可延長(zhǎng)整個(gè)槽式太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行小時(shí)至晚上9點(diǎn)，系統(tǒng)出力變化與電網(wǎng)用電峰谷相吻合。

3.3 可提高天然氣利用率

常規(guī)槽式太陽能發(fā)電電站需配置燃?xì)忮仩t作為導(dǎo)熱油及系統(tǒng)保溫的所需熱源，每年需要消耗約500萬立方天然氣資源。槽式太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)ISCC系統(tǒng)可用燃機(jī)余熱鍋爐排煙的廢熱作為導(dǎo)熱油及系統(tǒng)保溫所需熱源，降低能源消耗，提高了天然氣的利用率。

3.4 ISCC可穩(wěn)定供電負(fù)荷

常規(guī)槽式太陽能發(fā)電電站的發(fā)電負(fù)荷受天氣影響很大，需要有足夠太陽輻射才可運(yùn)行。當(dāng)遇到云遮擋情況，太陽輻射較低，直接影響機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷。雖然可利用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行彌補(bǔ)，但始終存在供電負(fù)荷不穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)存在沖擊的情況。ISCC系統(tǒng)利用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)作為穩(wěn)定的供電負(fù)荷，減少太陽能發(fā)電所占的比例，保證在夜間及太陽能不足的情況下，維持至少50%～60%的供電負(fù)荷，減少由于外部氣候條件變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3.5 ISCC提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性

常規(guī)槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)需要每天啟停，在每天啟停的過程中需要消耗大量的額外能量，減少了汽輪機(jī)組出力；同時(shí)，汽輪機(jī)每天啟停，增加了機(jī)組的疲勞損傷，減少了機(jī)組的運(yùn)行壽命。ISCC系統(tǒng)可每天在30%～100%負(fù)荷之間運(yùn)行，通過調(diào)整機(jī)組出力，減少了機(jī)組的頻繁啟停。

3.6 ISCC提高能源利用效率

ISCC系統(tǒng)與常規(guī)燃?xì)狻袈?lián)合循環(huán)相比節(jié)約節(jié)約能源，提示了能源利用率。

槽式太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)充分利用太陽能作為中低溫加熱熱源將蒸汽加熱至微過熱，天然氣發(fā)電后的高溫?zé)煔庾鳛楦邷丶訜釤嵩催M(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)，同時(shí)ISCC系統(tǒng)采用的是較大的高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組，而常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用的是小型中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組,進(jìn)而提升了蒸汽品質(zhì)和做功能力，節(jié)約能源的同時(shí)優(yōu)化能源利用效率。

4 ISCC發(fā)電項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

太陽能—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)ISCC項(xiàng)目與現(xiàn)有較成熟的太陽能光伏發(fā)電及常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目有較大區(qū)別。且目前ISCC項(xiàng)目的槽式太陽能島技術(shù)和設(shè)備均主要依賴進(jìn)口，因此ISCC項(xiàng)目的投資目前還處于較高的水平，但隨著國內(nèi)項(xiàng)目的增長(zhǎng)，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)本土化發(fā)展，價(jià)格水平將進(jìn)一步降低。

目前我國小型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)的上網(wǎng)電價(jià)是0.7元左右，項(xiàng)目造價(jià)約為5500元/kW。太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)是1.0元左右，光伏發(fā)電項(xiàng)目造價(jià)1.2萬元/kW。我國首個(gè)槽式太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目——內(nèi)蒙古自治區(qū)50MW槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目計(jì)劃總投資16億元，造價(jià)約為3.2萬元/kW。

目前全球唯一投產(chǎn)的I S C C項(xiàng)目只有埃及的Kuraymat項(xiàng)目，該項(xiàng)目的總裝機(jī)容量150MW，總投資超過2.5億歐元，其中30%用于太陽能部分的開發(fā)。全球環(huán)境基金(GlobalEnvironmentFacility，簡(jiǎn)稱GEF)為太陽能項(xiàng)目投資了大約5000萬美元。

目前我國ISCC項(xiàng)目的造價(jià)主要受太陽能島的高投資的限制。目前我國槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的造價(jià)約為3.5萬元/kW(國外設(shè)備)和2.5萬元/kW(國產(chǎn)設(shè)備)。根據(jù)初步測(cè)算，在當(dāng)前狀況下100MW級(jí)ISCC項(xiàng)目的投資約為20億左右，折算2.0萬元/kW；在保證投資收益6%的前提下，上網(wǎng)電價(jià)在1.5元左右。隨著技術(shù)進(jìn)步及國際合作的加快，以及國內(nèi)設(shè)備制造廠家積極投身于設(shè)備的研發(fā)與國際合作中，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本土化。ISCC項(xiàng)目的造價(jià)將進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)到2020年，ISCC項(xiàng)目的造價(jià)將降低到1.2～1.4萬元/kW，在保證投資收益6%的前提下，上網(wǎng)電價(jià)在1.1～1.2元左右。

5 結(jié)語

太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)ISCC技術(shù)的推廣，改變了傳統(tǒng)槽式太陽能熱發(fā)電的模式，運(yùn)行靈活，在太陽能充足和不足時(shí)均能穩(wěn)定運(yùn)行，減少了對(duì)太陽能的依賴，減少了機(jī)組的頻繁啟停，最大程度的提高了全年機(jī)組發(fā)電效率。同時(shí)，傳統(tǒng)槽式太陽能熱發(fā)電工程在夜間需要燃用天然氣作為集熱區(qū)、換熱區(qū)和儲(chǔ)能區(qū)熱備用燃料，而ISCC項(xiàng)目采用太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)技術(shù)，夜間燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)與汽輪發(fā)電機(jī)按常規(guī)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)方式運(yùn)行，可利用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組機(jī)發(fā)電后高溫?zé)煔庾鳛榧療釁^(qū)、換熱區(qū)和儲(chǔ)能區(qū)熱備用熱源。大幅降低了能耗。另外燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的引入，可以減低項(xiàng)目千瓦造價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)，使項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益在太陽能發(fā)電領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。

[1]Georg Brakmann，Rainer Aringhoff．Dr Michael Geyer．Sven Teske：Concentrated Solar Thermal Power．Sven Teske， Greenpeace International，2005．09．

[2]Solar Millennium：Solar Millennium’s 150MW Kuraymat solar hybrid plant touts performance 8% over estimated target，2009．11．

[3]閆鵬，等．太陽能——燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電概況及我國建設(shè)條件分析[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2011，(4)．

Discussion on Power Generation Advantage and Economical Character of Integrated Solar Combined Cycle System

YAN Peng
(Power Construction Corporation of China, Beijing 100044, China)

Introduce the development of Integrated Solar Combined Cycle. Discusses the ISCC power project construction requirements. From raise energy utilization rate, And grid Peak valley adaptation, Raising natural gas utilization rate, stable load, reduce the impact on power grid, improve the stability, energy saving etc., detailed introduced the ISCC power project power advantage. On the ISCC power project technical and economic indexes are introduced in brief analysis. Integrated Solar Combined Cycle(ISCC) technologies, to promote technological progress and industrial upgrading, the international cooperation plays an important role, in line with national renewable energy planning requirements.

ISCC power generation technology; power advantage; economy.

TM621

C

1671-9913(2012)02-0052-04

2012-05-01

閆鵬(1981- )，男，北京人，碩士，工程師。