不同碟式直接蒸汽熱發(fā)電蓄熱系統(tǒng)的性能分析

卞瑞豪，鄧雅軍，王文昭，宇 波，孫東亮

(北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院，深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室，北京 102617)

我國幅員遼闊，大力發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、構(gòu)建清潔能源體系的重要途徑。相對于光伏發(fā)電，儲熱型光熱發(fā)電一般采用汽輪發(fā)電機組，能夠顯著平滑發(fā)電出力，并通過熱能的形式儲存一部分太陽能，在缺少日光或電網(wǎng)需要調(diào)峰時用于發(fā)電，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定供電的需求[1]。因此，光熱發(fā)電是最具前途的新能源發(fā)電技術(shù)之一。利用光熱進行發(fā)電主要有槽式、塔式、線性菲涅爾式和碟式等4種形式[2]。相比其他3種光熱發(fā)電形式，碟式太陽能熱發(fā)電具有年平均效率高、發(fā)電功率平穩(wěn)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點。同時，碟式熱發(fā)電具有模塊化、自主性、兼容性等特點，既適合靈活的分布能源系統(tǒng)，又適用于集中的規(guī)?；笮碗娬尽５?，目前大多研究針對的是碟式太陽能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)不具備儲熱特性，無法保證電能的連續(xù)穩(wěn)定輸出，從而限制其商業(yè)化推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展帶儲熱功能的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)對推動太陽能光熱發(fā)電行業(yè)的高效、穩(wěn)定發(fā)展具有非常重要的意義。

1 帶蓄熱的碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)的拋物面反射鏡與斯特林機組固定在一起，在白天系統(tǒng)工作時，碟式太陽能集熱器吸收熱量并加熱斯特林發(fā)動機內(nèi)工質(zhì)進行工作，發(fā)動機內(nèi)部工質(zhì)通過反復(fù)吸熱膨脹、冷卻收縮推動活塞做功，從而帶動發(fā)電機工作發(fā)電。碟式斯特林熱發(fā)電不具備儲熱特性，因而無法保證電能輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性。為此，筆者所在項目組提出了帶蓄熱的碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)。下面對其工作原理和蓄熱系統(tǒng)進行簡單介紹。

1.1 碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

帶儲熱的碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光鏡場、吸熱器、蓄熱系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)等組成。低溫水工質(zhì)在吸熱器內(nèi)吸收聚焦的太陽能變成高溫高壓蒸汽，推動汽輪機進行發(fā)電，并根據(jù)負荷進行能量的存儲和釋放。吸熱器在白天工作時產(chǎn)生的過熱蒸汽量遠大于系統(tǒng)所需的蒸汽量，多余的過熱蒸汽熱量通過蓄熱系統(tǒng)儲存在蓄熱材料中，當吸熱器無法工作時作為熱源供給整個系統(tǒng)正常運行。

圖1 碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)工作流程

設(shè)計的太陽光碟式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率為25 kW·h，蓄熱時間為8 h。對于單級蓄熱系統(tǒng)，在蓄熱過程中，系統(tǒng)產(chǎn)生10.7 MPa、500 ℃過熱蒸汽。鍋筒內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽分為2路：一路經(jīng)過汽輪機發(fā)電釋放熱量后進入冷凝器冷凝并返回鍋筒；另一路過熱蒸汽加熱蓄熱系統(tǒng)內(nèi)蓄熱材料，釋放熱量后溫度降為235 ℃，而后通過循環(huán)泵泵入吸熱器加熱再次進入鍋筒。當無太陽供熱而利用蓄熱系統(tǒng)放熱來產(chǎn)生蒸汽時，關(guān)閉通往吸熱器的閥門，鍋筒內(nèi)水工質(zhì)流經(jīng)蓄熱系統(tǒng)產(chǎn)生8.1 MPa的過熱蒸汽，從而推動汽輪機做功發(fā)電，其余流程與蓄熱過程相似。而對于多級蓄熱系統(tǒng)，在蓄熱過程中水工質(zhì)的入口溫度選取550 ℃。

1.2 蓄熱系統(tǒng)

根據(jù)裝機容量為25 kW的小型發(fā)電系統(tǒng)，以水/蒸汽為傳熱流體，設(shè)計了雙罐蓄熱、單罐斜溫層蓄熱2種顯熱蓄熱系統(tǒng)以及雙罐-潛熱蓄熱和單罐-潛熱蓄熱2種多級蓄熱系統(tǒng)，其流程如圖2所示。在顯熱蓄熱系統(tǒng)中，雙罐間接顯熱蓄熱系統(tǒng)和單罐斜溫層式顯熱蓄熱系統(tǒng)均采用常見的Solar Salt材料作為蓄熱材料。在潛熱蓄熱系統(tǒng)中，由于硝酸鈉(NaNO3)具有適宜直接蒸汽發(fā)電蓄熱系統(tǒng)的熔點且固態(tài)和液態(tài)下的比熱容相差較小，故選用其作為潛熱蓄熱材料。4種蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)與所用蓄熱材料的物性參數(shù)分別如表1和表2所示，其中為了實際安全考慮，蓄熱罐體積按蓄熱材料體積的1.15倍計算得到。

圖2 4種蓄熱系統(tǒng)流程圖

表1 蓄熱系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

表2 蓄熱材料物性

2 熱力學(xué)模型和成本模型

2.1 熱力學(xué)模型

根據(jù)能量平衡可知，蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量為蓄熱時間內(nèi)供給汽輪機正常運行所需要的熱量，其計算式為：

(1)

式中：Q0為汽輪發(fā)電機所需熱量，kJ；Pe為電站的裝機容量，kW；t為蓄熱時間，h；ηe為汽輪發(fā)電機絕對電效率。

蓄熱系統(tǒng)在蓄熱過程中存儲的熱量在放熱過程中往往不能全部被利用，因此在計算蓄熱材料質(zhì)量時必須考慮這部分的熱量損失。蓄熱系統(tǒng)中蓄熱材料質(zhì)量的計算式為：

(2)

式中：Q1為蓄熱總量，kJ；cp為工質(zhì)的比熱容，kJ/kg·℃；Δt為蓄熱材料的蓄熱溫差，℃；η2為蓄熱系統(tǒng)的熱效率。

由于在計算蓄熱材料質(zhì)量時蓄熱系統(tǒng)的熱效率未知，因此需要進行一定次數(shù)的迭代，直至等式達到平衡即可得到蓄熱材料總質(zhì)量。

T-Q曲線是評價蓄熱系統(tǒng)熱力學(xué)性能的重要參考，通過蒸汽/水工質(zhì)和蓄熱材料的熱物性，計算得到蓄熱系統(tǒng)在蓄放熱過程中的T-Q曲線。Q的計算式為：

Q=m·cp·ΔT

(3)

式中：Q為熱量變化，kJ；m為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；cp為工質(zhì)的比熱容，kJ/kg·℃；ΔT為工質(zhì)在不同位置的溫差，℃。

T-Q曲線的具體計算方法如下：①假定蓄熱系統(tǒng)的水工質(zhì)進出口流量，根據(jù)已知的水工質(zhì)進出口溫度和焓值得到水工質(zhì)的整體T-Q曲線。②根據(jù)熱量平衡和罐體的工作熱損失，求出蓄熱材料的蓄熱量。③根據(jù)窄點5 ℃的約束條件，確定蓄熱材料在蓄熱過程中的窄點溫度，根據(jù)式(3)得到蓄熱材料的質(zhì)量流量及其他參數(shù)。④將蓄熱過程中的部分參數(shù)帶入到放熱過程中，根據(jù)放熱過程中蓄熱材料的進出口溫度計算放熱過程的實際窄點溫度。⑤根據(jù)式(1)和式(2)計算發(fā)電效率。⑥對水工質(zhì)的蓄放熱流量進行迭代，直到滿足放熱過程的窄點約束條件和25 kW的發(fā)電效率。

Ex=ΔH-TeΔS

(4)

熵變的計算式為：

(5)

式中：h和c分別表示熱工質(zhì)和冷工質(zhì)；i和o分別表示進口和出口。

(6)

2.2 成本模型

蓄熱系統(tǒng)的成本是由直接成本和間接成本組成[11]。其中直接成本由蓄熱材料費用、蓄熱罐體費用和雜項費用組成，間接成本包括稅收和工程費用。由于研究以理論分析為主，因此在計算蓄熱系統(tǒng)成本時只考慮直接成本。

蓄熱材料成本的計算式為：

(7)

單個蓄熱罐成本的計算式為：

(8)

蓄熱系統(tǒng)成本計算中不同材料的單價如表3所示。

表3 蓄熱系統(tǒng)成本計算中不同材料的單價

3 結(jié)果與討論

3.1 熱力學(xué)性能分析3.1.1 雙罐間接蓄熱系統(tǒng)的蓄放熱特性分析

雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)在蓄放熱過程中的T-Q曲線如圖3所示。蓄放熱過程中蓄熱材料太陽鹽的流量為3 418.6 kg/h。由圖3(a)中可以看出，在蓄熱過程中，流量為280 kg/h的水工質(zhì)溫度由500 ℃的過熱蒸汽降至為235 ℃的液態(tài)水。由于顯熱蓄熱材料Solar Salt的比熱容隨溫度變化較小，在圖中曲線斜率幾乎不變，水工質(zhì)在液態(tài)情況下的比熱容大于蒸汽狀態(tài)下的比熱容，故水工質(zhì)蒸汽區(qū)域曲線斜率較大。圖中窄點存在于水工質(zhì)為飽和蒸汽處，由于單純的顯熱蓄熱和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，很難對窄點的位置和窄點溫度進行調(diào)控，因此造成了較大影響。由圖3(b)中可以看出，在放熱過程中，太陽鹽由343.3 ℃降至288.8 ℃，同時水工質(zhì)吸收熱量由200 ℃的液態(tài)水汽化為315 ℃的過熱蒸汽進入汽輪機發(fā)電。在此過程中，過熱蒸汽段的水工質(zhì)與蓄熱材料換熱量較少，因此放熱過程的過熱蒸汽溫度遠小于蓄熱過程中的過熱蒸汽溫度。

圖3 雙罐間接蓄熱系統(tǒng)與水工質(zhì)的T-Q曲線

3.1.2 單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)的蓄熱特性分析

單罐斜溫層顯熱蓄熱系統(tǒng)在蓄放熱過程中的T-Q曲線如圖4所示。蓄放熱過程中，顯熱蓄熱材料Solar Salt的質(zhì)量流量均為3 845.9 kg/h。由圖4(a)中可以看出，系統(tǒng)在蓄熱過程中，水工質(zhì)進出口溫度等參數(shù)與雙罐顯熱系統(tǒng)一致。不同點在于為了能在放熱階段產(chǎn)生足夠的蒸汽用于發(fā)電，水工質(zhì)的流量增加至350 kg/h，與雙罐系統(tǒng)中相比略有增加，這是由于單罐斜溫層系統(tǒng)中熱量損失較大所造成的。單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)由于冷熱水同時儲存在一個罐體內(nèi)，系統(tǒng)的可調(diào)范圍較雙罐蓄熱系統(tǒng)來說更加狹小，對于窄點位置及窄點溫度的控制更加困難。由圖4(b)中可以看出，系統(tǒng)在放熱過程中水工質(zhì)所達到的最高溫度也略低于雙罐蓄熱系統(tǒng)。因此通過T-Q曲線的對比，雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)的蓄放熱性能要優(yōu)于單罐斜溫層顯熱蓄熱系統(tǒng)。

圖4 單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)與水工質(zhì)的T-Q曲線

3.1.3 雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的蓄熱特性分析

雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)在蓄放熱過程中的T-Q曲線如圖5所示。雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)中，顯熱材料的質(zhì)量流量均為400.4 kg/h，潛熱材料總質(zhì)量為9 318 kg。相比于單級顯熱系統(tǒng)，雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的顯熱材料流量大幅降低，原因在于加入的潛熱蓄熱系統(tǒng)將熱量占比較大的水工質(zhì)汽化潛熱全部吸收，顯熱蓄熱材料只需要吸收水工質(zhì)的顯熱熱量。圖5(a)給出了雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)在蓄熱過程中的T-Q曲線，其中水工質(zhì)的質(zhì)量流量為127 kg/h，入口溫度為550 ℃。顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料的初始溫度分別為227 ℃和306 ℃，其中水工質(zhì)先與顯熱蓄熱材料換熱后進入潛熱蓄熱材料，最后再與顯熱蓄熱材料換熱釋放顯熱。從圖5(a)中可以看出，過熱蒸汽段的一部分熱量被潛熱蓄熱材料所吸收。圖5(b)給出了雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)放熱過程的T-Q曲線，其中顯熱材料放出顯熱熱量，溫度先從362.4 ℃降至347.5 ℃，之后與吸收了潛熱蓄熱材料熱量的水工質(zhì)再次換熱后溫度降至237.1 ℃。與此同時，低溫水工質(zhì)吸收熱量汽化為308 ℃的過熱蒸汽。在整體過程中，潛熱蓄熱材料溫度一直維持在熔點306 ℃，只考慮其潛熱部分的吸收放出熱量，忽略其溫度的微小波動。由于加入了潛熱蓄熱，雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)解決了窄點所帶來的熱量損失，且蓄熱材料的整體T-Q曲線與水工質(zhì)較為匹配，這也是其效率較高的重要原因之一。

圖5 雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)與水工質(zhì)的T-Q曲線

3.1.4 單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的蓄熱特性分析

單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)在蓄放熱過程中的T-Q曲線如圖6所示。

圖6 單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)與水工質(zhì)的T-Q曲線

系統(tǒng)內(nèi)顯熱蓄熱材料的質(zhì)量流量為454 kg/h；潛熱蓄熱材料的質(zhì)量為10 435 kg。在蓄熱過程中，水工質(zhì)質(zhì)量流量為160 kg/h。蓄熱罐內(nèi)水工質(zhì)經(jīng)過罐內(nèi)管道與蓄熱材料NaNO3交換熱量，其中NaNO3的總質(zhì)量為10 540 kg。在蓄熱過程中，水工質(zhì)溫度由550 ℃的過熱蒸汽降至為235 ℃的液態(tài)水。經(jīng)過加熱的顯熱蓄熱材料溫度先從227 ℃上升到308 ℃，再從飽和液態(tài)水工質(zhì)吸收熱量后最終升至366.6 ℃。與雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)相比，在蓄熱階段顯熱蓄熱材料的出口溫度有少量提升，原因在于單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)作為顯熱蓄熱系統(tǒng)時由于斜紋層的影響有一定的熱量損失，為了在放熱階段產(chǎn)生足夠的蒸汽量需要更大的熱量存儲。圖6(b)為單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)在放熱階段的T-Q曲線。在放熱時，水工質(zhì)的質(zhì)量流量為128 kg/h，其曲線整體趨勢與雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)相似，不同點在于產(chǎn)生的過熱蒸汽溫度較低。綜合比較多級蓄熱系統(tǒng)，雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)具有較優(yōu)的蓄熱性能。

表4 4種蓄熱系統(tǒng)的熱效率及效率

3.2 經(jīng)濟性分析

單純的熱力學(xué)分析并不能科學(xué)地評價4種蓄熱系統(tǒng)的性能，要想科學(xué)評價4種蓄熱系統(tǒng)，需同時考慮熱力學(xué)性能和經(jīng)濟性。根據(jù)上節(jié)所述的成本模型，采用式(7)和式(8)計算得到了雙罐蓄熱系統(tǒng)、單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)、雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)以及單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)所需成本的構(gòu)成，如圖7所示。從圖7中可以看出，單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料費用最高(10.4萬元)，雙罐蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料費用稍低(9.3萬元)，雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)和單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料費用相當，分別為3.5萬元和3.9萬元，約為單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)的三分之一。這是因為單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)和雙罐蓄熱系統(tǒng)所用的蓄熱材料為太陽鹽，其熱容相對較低且單價較高。多級蓄熱系統(tǒng)的成本模型在4種系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，其主要原因在于多級蓄熱系統(tǒng)中添加了潛熱蓄熱，其蓄熱密度較高，可以將熱量占比較大的水工質(zhì)的汽化潛熱完全吸收，大大減少了顯熱蓄熱材料用量。并且，所選取的潛熱蓄熱材料NaNO3本身成本較低且密度適中，從而進一步優(yōu)化了成本。

圖7 4種蓄熱系統(tǒng)的成本構(gòu)成

圖8 4種蓄熱系統(tǒng)的總成本比較

4種蓄熱系統(tǒng)的總體成本對比如圖8所示。由圖8中可以看出，在相同的發(fā)電能力下，雙罐蓄熱系統(tǒng)總成本最多為13.8萬元，其次是單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)(總成本為13.4萬元)。雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)和單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的總成本較低，分別為5.5萬元和5.7萬元。

4種蓄熱系統(tǒng)的單位體積蓄熱量比較如圖9所示。從圖9中可以看出，單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)在單位體積下?lián)碛凶罡叩男顭崃浚瑸?3.3 kW·h/m3。雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)略低于單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)，其單位體積蓄熱量為82.5 kW·h/m3。單級雙罐蓄熱系統(tǒng)和單級單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)擁有相似的單位體積蓄熱量，分別為80 kW·h/m3和80.1 kW·h/m3。

圖9 4種蓄熱系統(tǒng)的單位體積蓄熱量比較

4 結(jié)論

面向碟式直接蒸汽太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計了雙罐間接蓄熱、單罐斜溫層蓄熱2種顯熱蓄熱系統(tǒng)以及雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)和單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)2種多級蓄熱系統(tǒng)，并對其進行了熱力學(xué)和經(jīng)濟性分析，主要結(jié)論如下：

(2)在經(jīng)濟性方面，由于選取了價格低廉、蓄熱密度較高的NaNO3作為潛熱蓄熱材料，多級蓄熱系統(tǒng)的成本最低，雙罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)和單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的成本分別為5.5萬元和5.7萬元。相比之下，單級顯熱蓄熱系統(tǒng)的成本相對較高，單級雙罐蓄熱系統(tǒng)和單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)的成本分別為13.8萬元和13.4萬元。

(3)綜合考慮熱力學(xué)性能和經(jīng)濟性兩方面因素，推薦在碟式直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)中采用雙罐-潛熱多級蓄熱作為蓄熱方式。