太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電優(yōu)勢及經(jīng)濟性探討

閆 鵬

(中國電力建設集團有限公司，北京 100044)

太陽能
——燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電優(yōu)勢及經(jīng)濟性探討

閆 鵬

(中國電力建設集團有限公司，北京 100044)

對太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(ISCC) 發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀做了簡要介紹。論述了ISCC發(fā)電項目的建設條件要求。從提高能源利用率、與電網(wǎng)峰谷相適應、提高天然氣利用率、穩(wěn)定負荷、減少對電網(wǎng)沖擊、提高穩(wěn)定性、節(jié)約能源等方面，詳細介紹了ISCC發(fā)電項目的發(fā)電優(yōu)勢。對ISCC發(fā)電項目的技術經(jīng)濟指標進行了簡要介紹分析。太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)ISCC技術的推廣，對推動技術進步、國際合作及產(chǎn)業(yè)升級有著重要的作用，符合國家利用可再生能源規(guī)劃的要求。

ISCC 發(fā)電技術；發(fā)電優(yōu)勢；經(jīng)濟性。

1 概述

太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)(ISCC)發(fā)電技術是利用槽式聚光太陽能發(fā)電技術與燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術相結合的新興技術。ISCC發(fā)電技術利用燃氣輪機余熱來為太陽能熱作補充，燃氣輪機余熱用于預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項目是埃及的Kuraymat項目，該項目已在2011年6月正式投產(chǎn)運行，項目技術支持及運營方SolarMillennium公司聲稱該項目太陽能熱力混合電站性能超過預期的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劃開發(fā)的ISCC項目。我國的ISCC項目位于寧夏鹽池地區(qū)，由寧夏哈納斯集團投資建設，并致力于打造亞洲首個ISCC示范工程。該項目已于2011年10月破土動工，預計2013年底投產(chǎn)。

2 ISCC發(fā)電項目的建設條件

ISCC發(fā)電技術是將槽式太陽能熱發(fā)電與燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術結合在一起，這就對ISCC發(fā)電項目的建設提出了較高的要求。ISCC發(fā)電項目的建設條件主要包括：太陽能資源、天然氣資源以及其他常規(guī)建設條件。

與常規(guī)太陽能發(fā)電項目一樣，ISCC項目的首要建設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)，可利用時數(shù)的年變化也比較穩(wěn)定，適于發(fā)展太陽能發(fā)電項目；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集中，主要分布在陸上西部的塔里木、鄂爾多斯、四川、柴達木、準噶爾盆地，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)電項目的主要建設條件宜同時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、內蒙西部及寧夏等地區(qū)。當然還需同時考慮其他常規(guī)建設條件作為ISCC發(fā)電項目的次要建設條件。

3 ISCC發(fā)電項目的發(fā)電優(yōu)勢

太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)(ISCC)發(fā)電項目與常規(guī)的槽式太陽能發(fā)電、燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目相比具有如下優(yōu)勢：

3.1 ISCC發(fā)電可提高能源利用效率

常規(guī)燃氣——蒸汽聯(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70%～80%。使整個槽式太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)電站的效率可提高25%。目前投產(chǎn)的埃及Kuraymat項目的能效可達到67%以上。

以上計算是根據(jù)國內外已有文獻中的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?，即不將太陽能的熱量計入。由于不計入太陽能熱量卻記入太陽能增加的汽機發(fā)電量，因此此種ISCC的熱效率可達到80%～90%，甚至達到100%。此計算存在的問題是，將太陽能作為免費能源，忽略了太陽能部分的投資。這就需要對計算進行重新修正。

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純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的綜合熱效率進行比較。

ISCC系統(tǒng)發(fā)電熱效率的計算由于引入了不穩(wěn)定的太陽能熱量，使ISCC系統(tǒng)發(fā)電熱效率的計算更加復雜。為了簡化計算，假定太陽能熱量充足且不變，計算此工況下ISCC系統(tǒng)的發(fā)電熱效率，作為ISCC系統(tǒng)在有太陽能時的標準等效折算工況。ISCC系統(tǒng)有太陽能時的標準等效折算工況下熱效率的計算公式如下：

按實際太陽能熱量計入公式。由于太陽能的能熱轉換效率約為48%，遠小于天然氣的能熱轉換效率，因此引入實際太陽能熱量后，ISCC熱效率將介于常規(guī)燃氣——蒸汽聯(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，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，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)燃氣——蒸汽聯(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)電量與燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量比例為4:6，則計算出分別建設純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃氣蒸汽聯(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)電量與燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電量比例為2:8，則計算出分別建設純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)燃氣蒸汽聯(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純槽式與常規(guī)燃氣聯(lián)合循環(huán)的綜合熱效率。同時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%太陽能比例時提高最多。因為，ISCC系統(tǒng)采用的是較大的高溫高壓汽輪發(fā)電機組，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)電機組，常規(guī)燃氣蒸汽聯(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)電機組，ISCC系統(tǒng)汽輪發(fā)電機組的發(fā)電效率均大于分建的兩個系統(tǒng)。

因此，槽式太陽能——燃氣聯(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)電后的高溫煙氣作為高溫加熱熱源，可提高能源利用效率。

3.2 ISCC系統(tǒng)與電網(wǎng)的峰谷相適應

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點至下午4點太陽能輻射強度較強，通過增加熱儲能系統(tǒng)后，可延長整個槽式太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)運行小時至晚上9點，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)電電站需配置燃氣鍋爐作為導熱油及系統(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——燃氣聯(lián)合循環(huán)ISCC系統(tǒng)可用燃機余熱鍋爐排煙的廢熱作為導熱油及系統(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)定供電負荷

常規(guī)槽式太陽能發(fā)電電站的發(fā)電負荷受天氣影響很大，需要有足夠太陽輻射才可運行。當遇到云遮擋情況，太陽輻射較低，直接影響機組的發(fā)電負荷。雖然可利用儲能系統(tǒng)進行彌補，但始終存在供電負荷不穩(wěn)，對電網(wǎng)存在沖擊的情況。ISCC系統(tǒng)利用燃氣輪發(fā)電機作為穩(wěn)定的供電負荷，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%的供電負荷，減少由于外部氣候條件變化對電網(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，減少了汽輪機組出力；同時，汽輪機每天啟停，增加了機組的疲勞損傷，減少了機組的運行壽命。ISCC系統(tǒng)可每天在30%～100%負荷之間運行，通過調整機組出力，減少了機組的頻繁啟停。

3.6 ISCC提高能源利用效率

ISCC系統(tǒng)與常規(guī)燃氣——蒸聯(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——燃氣聯(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)電后的高溫煙氣作為高溫加熱熱源進一步提高蒸汽參數(shù)，同時ISCC系統(tǒng)采用的是較大的高溫高壓汽輪發(fā)電機組，而常規(guī)燃氣蒸汽聯(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)電機組,進而提升了蒸汽品質和做功能力，節(jié)約能源的同時優(yōu)化能源利用效率。

4 ISCC發(fā)電項目的技術經(jīng)濟指標

太陽能—燃氣聯(lián)合循環(huán)ISCC項目與現(xiàn)有較成熟的太陽能光伏發(fā)電及常規(guī)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目有較大區(qū)別。且目前ISCC項目的槽式太陽能島技術和設備均主要依賴進口，因此ISCC項目的投資目前還處于較高的水平，但隨著國內項目的增長，引進國外先進技術，實現(xiàn)本土化發(fā)展，價格水平將進一步降低。

目前我國小型燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)的上網(wǎng)電價是0.7元左右，項目造價約為5500元/kW。太陽能光伏發(fā)電項目的上網(wǎng)電價是1.0元左右，光伏發(fā)電項目造價1.2萬元/kW。我國首個槽式太陽能熱發(fā)電示范項目——內蒙古自治區(qū)50MW槽式太陽能熱發(fā)電項目計劃總投資16億元，造價約為3.2萬元/kW。

目前全球唯一投產(chǎn)的I S C C項目只有埃及的Kuraymat項目，該項目的總裝機容量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，簡稱GEF)為太陽能項目投資了大約5000萬美元。

目前我國ISCC項目的造價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)電項目的造價約為3.5萬元/kW(國外設備)和2.5萬元/kW(國產(chǎn)設備)。根據(jù)初步測算，在當前狀況下100MW級ISCC項目的投資約為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)電價在1.5元左右。隨著技術進步及國際合作的加快，以及國內設備制造廠家積極投身于設備的研發(fā)與國際合作中，逐步實現(xiàn)設備的本土化。ISCC項目的造價將進一步降低，預計到2020年，ISCC項目的造價將降低到1.2～1.4萬元/kW，在保證投資收益6%的前提下，上網(wǎng)電價在1.1～1.2元左右。

5 結語

太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)ISCC技術的推廣，改變了傳統(tǒng)槽式太陽能熱發(fā)電的模式，運行靈活，在太陽能充足和不足時均能穩(wěn)定運行，減少了對太陽能的依賴，減少了機組的頻繁啟停，最大程度的提高了全年機組發(fā)電效率。同時，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)和儲能區(qū)熱備用燃料，而ISCC項目采用太陽能——燃氣聯(lián)合循環(huán)技術，夜間燃氣輪發(fā)電機與汽輪發(fā)電機按常規(guī)燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)方式運行，可利用燃氣輪發(fā)電機組機發(fā)電后高溫煙氣作為集熱區(qū)、換熱區(qū)和儲能區(qū)熱備用熱源。大幅降低了能耗。另外燃氣輪發(fā)電機組的引入，可以減低項目千瓦造價和上網(wǎng)電價，使項目的經(jīng)濟效益在太陽能發(fā)電領域具有一定的優(yōu)勢。

[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——燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電概況及我國建設條件分析[J]．電力勘測設計，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。