太陽能輔助燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)

郝 欣王江江

(華北電力大學能源動力與機械工程學院,河北 保定071003)

0 引言

為響應綠色發(fā)展理念,未來能源利用模式應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70年代開始對光熱發(fā)電進行研究,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發(fā)電[3]。但是太陽能本身具有時空分布不均勻以及能流密度低等固有缺點,導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-燃氣聯(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]提出了用熱力學模型評估槽式太陽能燃氣聯(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]提出了一種以燃氣輪機壓縮空氣作為太陽能集熱器工作介質的新型ISCC系統(tǒng),與傳統(tǒng)的以導熱油為工作介質的ISCC系統(tǒng)相比,不僅燃料單元功率損耗小,而且具有熱力學優(yōu)勢和經濟性能優(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)以及單純的燃氣輪機循環(huán)進行了仿真比較。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,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氣蒸汽聯(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置蓄熱系統(tǒng),并將過熱蒸汽引入汽輪機的中壓段做功。陳強等[10]針對太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與聯(lián)合循環(huán)構成的系統(tǒng),研究了不同集熱溫度下槽式太陽能-燃氣聯(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注的熱點,張書華等[11]提出利用分布式能源及工業(yè)余熱的多能互補系統(tǒng),對工業(yè)廢熱進行了回收利用。王江江等[12]提出了分布式能源系統(tǒng)具有經濟、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點。

本文主要針對太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)進行研究,從太陽能輻射強度和燃氣輪機尾部煙氣分配比例兩個方面對系統(tǒng)進行變工況分析,比較各個工況下的熱力性能。

1 系統(tǒng)流程

本文提出的太陽能輔助燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)分為3個模塊:燃氣-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。燃氣輪機的型號是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,余熱鍋爐選擇的是三壓無再熱結構。

燃氣輪機產生的煙氣分為2部分,一部分在余熱鍋爐里進行梯級利用,依次經過了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行余熱利用,余熱用來制冷。傳熱工質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),提高了汽輪機高壓缸和中壓缸的入口蒸汽溫度,進而提高了蒸汽輪機的發(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生第二部分生活熱水,太陽能傳熱工質最后也和換熱器換熱產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旗下子公司STEAG開發(fā)的專業(yè)電站性能仿真計算軟件[13],可廣泛用于電站熱平衡計算、設計、性能評估、能耗對標、仿真監(jiān)測及優(yōu)化改造,擁有組件豐富、功能強大以及設計靈活等優(yōu)點。

槽式太陽能集熱器設計工況的主要參數如表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)的太陽數據,直接法向輻射為900 W/m2。太陽能集熱器中工質為導熱油,導熱油具有沸點高、蒸氣壓力低和凝點低等優(yōu)點,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計工況主要參數Table 1 Main parameters of trough solar collector

燃氣輪機設計工況主要參數如表2所示,燃氣輪機的型號是General Electric LM2500 PJ Gas,DLE,燃氣輪機額定發(fā)電量為21.1 MW,排煙溫度為537.4℃。余熱鍋爐以及蒸汽輪機設計工況主要參數如表3所示,余熱鍋爐選擇的是三壓無再熱結構,蒸汽輪機額定發(fā)電量為7.4 MW,余熱鍋爐節(jié)點溫差為5℃,燃氣輪機煙氣經過余熱鍋爐多個換熱面進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計工況的主要參數如表4所示。

表2 燃氣輪機設計工況主要參數Table 2 Main parameters of gas-steam combined cycle design conditions

表3 余熱鍋爐 蒸汽輪機設計工況主要參數Table 3 Main parameters of design conditions of waste heat boiler-steam turbine

表4 吸收式熱泵設計工況主要參數Table 4 Main parameters of absorption heat pump design conditions

3 系統(tǒng)熱力性能評價指標

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為燃氣輪機中天然氣的流量,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的,k W;ExC為吸收式熱泵制冷,k W;T0為參考點溫度,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為標準大氣情況下,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)電率指太陽能燃氣互補系統(tǒng)中將太陽能集熱器吸收的熱能產生為電能的能力,計算公式為

式中:Eref為相同化石燃料輸入時,無太陽能互補的燃氣蒸汽聯(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,太陽能的有效能輸入,k W。

4 系統(tǒng)模擬結果及分析

4.1 設計工況模擬結果

利用軟件EBSILON對太陽能輔助的天然氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的設計工況進行模擬。經過計算,設計工況下系統(tǒng)的輸入,產出及性能分析如表5所示。系統(tǒng)總發(fā)電量為28 MW時,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55.3%。

4.2 系統(tǒng)變工況性能分析

4.2.1 變太陽能輻照強度

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

如圖2所示隨著太陽能輻射強度增強,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,這是因為在輻照強度大于100 W/m2的初期,輻照強度的增加使管內平均集熱溫度迅速上升,增強了集熱管內的換熱過程,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

太陽能輻照強度增加促使太陽能集熱器中導熱油熱量增加,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。由于燃氣輪機排煙分為兩部分,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度不會使系統(tǒng)的制冷系數(coefficient of performance,COP)改變,COP值在這個情況下為定值1.013。

如圖3所示,隨著太陽能輻照強度的增加,太陽能凈發(fā)電效率上升6%,但是,隨著太陽能輻照強度增加,太陽能子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的輸入增加,由于其弱于天然氣對整個系統(tǒng)的貢獻值,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。

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

本文設計的系統(tǒng)中燃氣輪機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。當熱泵煙氣分配量在100～20 t/s內變化,系統(tǒng)其他參數不變,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,當煙氣入口溫度不變時,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,COP值有最大值1.046。這是因為煙氣流量降低導致制冷量下降,吸收器及冷凝器的熱負荷下降,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 結論

(2)由變工況系統(tǒng)性能分析得知,太陽能輻照強度從100 W/m2增強到900 W/m2,太陽能凈發(fā)電效率上升了6%,但由于太陽能貢獻率小于天然氣子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的貢獻,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,當熱泵煙氣分配量為80 t/s時,COP值最大可達1.046。由于整個系統(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%。