光熱發(fā)電系統(tǒng)蓄熱及汽輪機(jī)運(yùn)行特性研究

徐燦君 張 崗 曾 勇 黃 靜 廖 鍔 蘭春旭 姜鐵騮 張立棟，4

（1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.新華水力發(fā)電有限公司；3.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；4.東北電力大學(xué)油頁巖綜合利用教育部工程研究中心）

太陽能是未來發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮那鍧嵞茉粗唬?］。 太陽能聚光集熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電具有碳排放量趨近于零的特點(diǎn)。 相比于光伏發(fā)電，光熱發(fā)電具有光電轉(zhuǎn)化率高、與燃煤電站和電網(wǎng)匹配性好、外加蓄熱系統(tǒng)可完全解耦發(fā)電、穩(wěn)定性好、調(diào)峰能力強(qiáng)及靈活等優(yōu)點(diǎn)，是未來一種重要的發(fā)電形式，具有良好的發(fā)展前景［2］。太陽能聚光集熱是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，儲(chǔ)存到蓄熱介質(zhì)中用來發(fā)電的技術(shù)，但是各地氣候具有多樣性，四季光照時(shí)間和光照強(qiáng)度都不穩(wěn)定，太陽能集熱器的蓄熱速率與其接收到的輻射強(qiáng)度直接相關(guān)［3］。 因此，地理位置是一個(gè)關(guān)鍵問題，每個(gè)地理區(qū)域都有不同的氣候，此外這種氣候決定的大氣條件會(huì)影響收集器的效率［4］。近年來，蓄熱技術(shù)逐漸成熟，蓄熱裝置可以進(jìn)一步解決光熱的波動(dòng)性對(duì)汽輪機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷的影響，光電項(xiàng)目為了保障供電的連續(xù)和穩(wěn)定， 就需要使汽輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行，保證發(fā)電穩(wěn)定［5］。因此，研究光熱發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和集熱器集熱量對(duì)參與電廠調(diào)峰有重大意義。

光熱發(fā)電技術(shù)近年來得到了應(yīng)用和完善。 光熱發(fā)電技術(shù)增加蓄熱罐可以克服光伏發(fā)電的晝發(fā)夜?，F(xiàn)象，使光熱發(fā)電系統(tǒng)具有變負(fù)荷調(diào)控能力，響應(yīng)頻率可達(dá)每分鐘最大負(fù)荷的1/5，同時(shí)，光熱發(fā)電也具有一定的爬坡能力［6～9］。依據(jù)電廠運(yùn)行策略進(jìn)行靈活性調(diào)節(jié)，可提高新能源接入電網(wǎng)的靈活性。 李慧等總結(jié)了光熱發(fā)電的原理，探究了光熱銜接汽輪機(jī)系統(tǒng)并向發(fā)展的互補(bǔ)關(guān)系［10］。Qin J Y等通過太陽能輔助發(fā)電 （Solar Assisted Power Generation，SAPG） 研究太陽能與火電廠進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電的最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑，它利用太陽能加熱給水并代替汽輪機(jī)抽汽，提高了發(fā)電效率［11］。 Liu G L 等通過DNI、太陽能倍數(shù)（Solar Multiple，SM）、熱能儲(chǔ)存（Thermal Energy Storage，TES）大小和調(diào)度分?jǐn)?shù)（Dispatch Fractional，DF）建立系統(tǒng)模型，調(diào)節(jié)以上幾個(gè)數(shù)據(jù)來提高對(duì)太陽能的利用率和發(fā)電量［12］。 曹瑞峰等利用Fluent對(duì)熔鹽罐內(nèi)的熔鹽流動(dòng)進(jìn)行模擬， 總結(jié)了其動(dòng)態(tài)特性，該結(jié)果對(duì)熔鹽罐的運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義［13］。董海鷹等通過使用光熱電站輔助供熱，根據(jù)火電機(jī)組的特性及其調(diào)峰能力的變化和不同時(shí)間段的負(fù)荷變化，指定其熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行策略，對(duì)光熱電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的［14］。 耿直等通過對(duì)4個(gè)典型節(jié)氣（春分、夏至、秋分、冬至）集熱特性的研究和分析得出春分時(shí)逐時(shí)熱電轉(zhuǎn)化效率和發(fā)電輸出較高，秋分時(shí)全系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)化率較優(yōu)［15］。 還有一些學(xué)者對(duì)光熱電站的發(fā)電量、運(yùn)行特性及參與火電站的調(diào)峰等方面做出優(yōu)化分析，進(jìn)一步提高光熱電站發(fā)電效率［16～18］。

筆者利用EBSILON熱力平衡軟件搭建從集熱到汽輪機(jī)運(yùn)行的熱力計(jì)算仿真模型，對(duì)某地區(qū)實(shí)際案例進(jìn)行模擬，對(duì)春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)節(jié)氣的集熱器集熱量和光熱電站最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量進(jìn)行分析和研究，為火電廠和電網(wǎng)的運(yùn)行策略和調(diào)峰提供參考。

1 系統(tǒng)建模

如圖1所示， 光熱發(fā)電機(jī)組主要由集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)組成。集熱系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)中管道內(nèi)為熔鹽介質(zhì)； 汽輪機(jī)系統(tǒng)主要由主蒸汽系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、高壓加熱疏水及放氣系統(tǒng)、低壓加熱器疏水及放氣系統(tǒng)等組成。 本光熱發(fā)電汽輪機(jī)系統(tǒng)有8級(jí)抽氣，3臺(tái)高壓加熱器，4臺(tái)低壓加熱器， 在三級(jí)抽氣管路上設(shè)置外置式蒸汽冷卻器，以達(dá)到增加回?zé)嵝?，降低熱量消耗的作用?/p>

圖1 菲涅爾式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光熱發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1.1 集熱系統(tǒng)

對(duì)于集熱-吸熱系統(tǒng)， 通過分析熱力平衡可以得出集熱器的運(yùn)行溫度Trun為：

在容積恒定條件下可得：

圖2為光熱電站數(shù)學(xué)模型的函數(shù)傳遞框圖。其中，Q0為蒸汽的熱耗量；FHP、FIP、FLP為高、 中、低壓缸的機(jī)械功率比例系數(shù)，TmH、TmI、TmL為高、 中、低壓缸的輸出轉(zhuǎn)矩；Pm為最終汽輪機(jī)的輸出功率；Tm為最終汽輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；ω為汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速；C為比熱；m為質(zhì)量流量；TCH為汽門到高壓缸的效應(yīng)時(shí)間常數(shù)；TRH為高壓缸到中壓缸的效應(yīng)時(shí)間常數(shù)；TCO為中壓缸到低壓缸的效應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

圖2 光熱電站函數(shù)傳遞框圖

1.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)汽輪機(jī)熱平衡圖在熱耗率驗(yàn)收工況（Turbine Heat Acceptance，THA）的理論數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果列于表1。 由采用EBSILON建立光熱發(fā)電站的模型圖可知其計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基本吻合，在誤差允許范圍內(nèi)，滿足理論分析的要求。

表1 光熱電站THA工況下的模擬驗(yàn)證

2 仿真結(jié)果分析

2.1 蓄熱量及蓄熱特性

圖3所示為4個(gè)典型節(jié)氣日附近8天連續(xù)蓄熱模擬太陽DNI變化與罐內(nèi)熔鹽量的變化情況。 該集熱器在春分節(jié)氣集熔鹽量10 539.6 t，在夏至節(jié)氣集熔鹽量22 909.3 t，在秋分節(jié)氣集熔鹽量10 860.4 t，在冬至節(jié)氣集熔鹽量8 730.8 t。夏至日附近8天集熱量相比春分、秋分、冬至節(jié)氣呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，多集熔鹽量在10 000～14 000 t。

春分8天內(nèi)， 可達(dá)到春季平均DNI的天數(shù)為3天，第3天的DNI接近晴天值，但第4天由于天氣的影響導(dǎo)致DNI比第8天的小， 第7天DNI值較為穩(wěn)定。由于最大的連續(xù)蓄熱時(shí)間為15 h，根據(jù)圖3a所示，判斷第7、8天為春分時(shí)節(jié)的最大集熱量，即第7、8兩天連續(xù)15 h儲(chǔ)存的熔鹽量比其他時(shí)間多。

圖3 4個(gè)典型節(jié)氣連續(xù)蓄熱特性

夏至連續(xù)8天蓄熱， 其天氣較好， 集熱速率高，第1、2天DNI為典型夏季晴朗日，雖然之后天氣情況變化導(dǎo)致DNI值連續(xù)波動(dòng)， 致使蓄熱時(shí)間減少，蓄熱放緩，但整體的蓄熱潛力比春季大一倍，連續(xù)蓄熱量為春分時(shí)的2.17倍，即選擇第1、2兩天連續(xù)15 h為夏至最大連續(xù)集熱。

秋分8天內(nèi)，達(dá)平均DNI值的天數(shù)為4天，其總蓄熱量與春季相差340 t，剔除極端天氣，其天氣情況與春季相似，但DNI波動(dòng)性依然明顯，熔鹽蓄量也放緩，第7天為8天內(nèi)DNI最好的天氣，即選擇第7、8天為連續(xù)15 h秋分最大連續(xù)集熱。

冬至8天的前兩天為雨雪極端天氣， 除去極端天氣外，天氣情況和夏天類似，第3天開始穩(wěn)定集熱， 但由于環(huán)境溫度較低和太陽DNI的降低導(dǎo)致蓄熱量并不理想，甚至比天氣不穩(wěn)定的春季和秋季少2 000 t，熱經(jīng)濟(jì)性全年最低。 根據(jù)圖3d中所示趨勢(shì)選擇第3、4天連續(xù)15 h為冬至最大連續(xù)集熱。

2.2 光熱電站發(fā)電量及運(yùn)行時(shí)間

圖4為春分、夏至、秋分、冬至連續(xù)15 h最大儲(chǔ)存熔鹽量 （由最大蓄熱熔鹽量改成最大儲(chǔ)存熔鹽量），從圖中可以看出春分最大連續(xù)熔鹽量為4 172.150 t， 夏至最大連續(xù)熔鹽量為4 802.497 t，秋分最大連續(xù)熔鹽量為3 654.616 t， 冬至最大連續(xù)熔鹽量為3 474.760 t。 即夏至蓄熱效果最好，冬至蓄熱效果最差，春分蓄熱效果略好于秋分。

圖4 4個(gè)節(jié)氣15 h最大連續(xù)蓄熱熔鹽量

圖5表示春分、夏至、秋分、冬至連續(xù)15 h集熱曲線。 從圖3b中紅色圈中可以看出夏至DNI趨勢(shì)較好沒有明顯波動(dòng)。 圖4中也顯示夏至集熱趨勢(shì)最好，其他3個(gè)節(jié)氣的DNI在圖3中存在明顯波動(dòng)，其集熱曲線也有明顯的波動(dòng)。

圖5 4個(gè)節(jié)氣連續(xù)15 h集熱曲線

計(jì)算春分、夏至、秋分、冬至4節(jié)氣15 h總集熱量公式為：

其中，Q1、Q2、Q3、 …表示為每15 min的集熱量。

根據(jù)上述公式計(jì)算可知春分15 h連續(xù)最大集熱量為5.8×106kJ， 夏至15 h連續(xù)最大集熱量為6.6×106kJ，秋分15 h 連續(xù)最大集熱量為4.7×106kJ，冬至15 h連續(xù)最大集熱量為4.1×106kJ。 即得到4個(gè)典型節(jié)氣15 h最大連續(xù)為汽輪機(jī)提供運(yùn)行的總能量。

筆者采用熱耗的方法來評(píng)定汽輪機(jī)的性能，熱耗Q0的計(jì)算公式為［20］：

Q0=G0hms+Grhrhrhr-Grhlhrhl+Gmahma+Gffhf-Gfwhfw-Gsshss-Grshrs（9）

式中 G0——主蒸汽流量，kg/h；

Gf——補(bǔ)充水流量，kg/h；

Gfw——最終給水流量，kg/h；

Gma——擴(kuò)容蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的流量，kg/h；

Grhr——再熱蒸汽流量，kg/h；

Grhl——高壓缸排氣流量，kg/h；

Grs——再熱減溫水流量，kg/h；

Gss——過熱減溫水流量，kg/h；

hf——補(bǔ)充水焓，kJ/kg；

hfw——最終給水焓，kJ/kg；

hma——擴(kuò)容蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的焓，kJ/kg；

hms——主蒸汽焓，kJ/kg；

hrhl——高壓缸排氣焓，kJ/kg；

hrhr——再熱蒸汽焓，kJ/kg；

hrs——再熱減溫水焓，kJ/kg；

hss——過熱減溫水焓，kJ/kg。

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)間T的計(jì)算公式為：

由圖5可知春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)節(jié)氣的最大集熱量， 根據(jù)某案例全解耦的運(yùn)行方式，即可得出光熱電站參與調(diào)峰的時(shí)間。 從圖6可以得出在THA工況下，100%THA、75%THA、50%THA、30%THA（對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率為47.0、34.5、23.0、13.8 MW）工況下4個(gè)節(jié)氣參與調(diào)峰的時(shí)間。 結(jié)合圖6，根據(jù)國家電網(wǎng)和火力發(fā)電廠的需求改變工況，進(jìn)行調(diào)峰調(diào)度，增加新能源的上網(wǎng)，減小傳統(tǒng)能源消耗，即能達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。

圖6 不同工況與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

分別如圖7所示，15 h最大連續(xù)集熱量供應(yīng)汽輪機(jī)在100%THA、75%THA、50%THA、30%THA工況下4個(gè)典型節(jié)氣的發(fā)電量， 春分時(shí)平均發(fā)電量為33 kW·h；夏至?xí)r平均發(fā)電量為38 kW·h；秋分時(shí)平均發(fā)電量為27 kW·h； 冬至?xí)r平均發(fā)電量為23 kW·h。 由此可以看出夏至連續(xù)15 h內(nèi)的發(fā)電量最多，冬至最少。 從圖7 中可以看出在30%THA工況下發(fā)電量顯著下降， 充分說明在30%THA工況下的經(jīng)濟(jì)性較低。 所以汽輪機(jī)應(yīng)盡量保持高負(fù)荷運(yùn)行，提高其經(jīng)濟(jì)性。 根據(jù)火力發(fā)電廠的運(yùn)行策略和光熱電站的發(fā)電量，對(duì)光熱發(fā)電進(jìn)行上網(wǎng)，增加新能源的上網(wǎng)總量，減小化石能源消耗，對(duì)國家減小CO2排放的政策做出響應(yīng)，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的效果。

圖7 不同工況與發(fā)電量間的關(guān)系

3 結(jié)論

3.1 依據(jù)4種節(jié)氣的氣象條件， 春分集熱效率更高但氣象條件不穩(wěn)定， 夏至熱效率低于春季，氣象條件穩(wěn)定，可利用蓄熱時(shí)間較長，冬季的氣象條件穩(wěn)定但集熱效率偏小，總體夏季的集熱效果是最好的。

3.2 根據(jù)4個(gè)典型節(jié)氣（春分、夏至、秋分、冬至）和某光熱電站的全解耦運(yùn)行模式，可以得出連續(xù)15 h的最大連續(xù)集熱量和汽輪機(jī)在不同工況下的運(yùn)行時(shí)間（即參與調(diào)峰時(shí)間）。4個(gè)典型節(jié)氣15 h最大連續(xù)集熱量可分別滿足汽輪機(jī)在100%THA、75%THA、50%THA、30%THA工況下的運(yùn)行時(shí)間和發(fā)電量。 在相同的工況下相同時(shí)間內(nèi)夏至汽輪機(jī)的運(yùn)行時(shí)間最長，春分運(yùn)行時(shí)間略大于秋分運(yùn)行時(shí)間，冬至運(yùn)行時(shí)間最短。

3.3 由于4個(gè)典型節(jié)氣運(yùn)行時(shí)間不同， 夏至發(fā)電量最多，冬至發(fā)電量最少，冬至比夏至多發(fā)電約11 kW·h，在春分、夏至、秋分、冬至4個(gè)典型節(jié)氣中汽輪機(jī)負(fù)荷低于50%時(shí)其發(fā)電量明顯降低，經(jīng)濟(jì)性顯著下降。 根據(jù)光熱發(fā)電站運(yùn)行時(shí)間及發(fā)電量充分配合電網(wǎng)調(diào)峰， 增加新能源的利用方式，為火電廠的發(fā)電系統(tǒng)改造提供參考。