太陽能塔式熱電站的綜合梯級利用

太陽能塔式熱電站的綜合梯級利用

0太陽能熱發(fā)電將成為我國能源戰(zhàn)略領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿課題石化能源的匱乏和環(huán)境的惡化已經(jīng)成為制約全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的長期和重要瓶頸，并將未來影響人類的生活。為了解決該問題,一方面要大力開展節(jié)能與科學(xué)用能和努力發(fā)展化石燃料,另一個(gè)方面必須加速可再生能源的開發(fā)和利用。太陽能以其分布廣泛,儲量豐富受到了廣泛關(guān)注。大力開發(fā)利用太陽能,將會(huì)改變我國能源短缺和不合理的能源結(jié)構(gòu),使能源供應(yīng)多樣化,同時(shí)可以解決環(huán)境污染問題。因此,研究開拓太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)成為當(dāng)今能源動(dòng)力領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與前沿課題。隨著太陽能熱發(fā)電技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的進(jìn)步,以及全球化石燃料的逐漸枯竭和對減排CO2的要求,太陽能熱發(fā)電近5年來在全世界發(fā)展迅猛,國際能源署預(yù)測2003年到2010年7年間全球新增太陽能熱發(fā)電站的裝機(jī)容量總共可達(dá)到2250MW,可大規(guī)?；哪茉蠢梅绞秸谶M(jìn)入商業(yè)化成長期。顯然,利用太陽能熱發(fā)電是開拓新能源資源,保護(hù)地球環(huán)境,實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。基于這一研究背景,結(jié)合中國目前發(fā)展太陽能熱發(fā)電的實(shí)際情況,提出了一種新型的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),并給出了塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法,利用該方法進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析,并對比研究了新系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的特性。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和整合1.1半耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式基于該研究背景,參考國外塔式太陽能電站系統(tǒng)的特點(diǎn),并結(jié)合我國目前發(fā)展太陽能熱發(fā)電的實(shí)際情況,以及建立試驗(yàn)性電站的可行性,提出了一種新型的太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)主要由蒸汽回路和蓄熱油回路組成,系統(tǒng)中的主要設(shè)備見表1所示。塔式太陽能吸熱器中直接通入高壓水,高壓水在吸熱器中依次經(jīng)過預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱3個(gè)階段,產(chǎn)生高溫、高壓的過熱蒸汽。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行模式的不同,高溫、高壓過熱蒸汽的去處有2個(gè)方案:第一,可以經(jīng)過1個(gè)減溫減壓器V3后調(diào)節(jié)蒸汽的參數(shù),直接去動(dòng)力子系統(tǒng)中汽輪機(jī)膨脹做功;第二,可以經(jīng)過閥門V2進(jìn)入蓄熱系統(tǒng),首先和蒸汽-油換熱器D交換過熱蒸汽的高溫顯熱,然后微過熱的蒸汽進(jìn)入低溫蒸汽蓄熱器中存儲起來,這樣經(jīng)過高溫和低溫2級蓄熱,可以高效地將所收集到的太陽能存儲到蓄熱子系統(tǒng)中,同時(shí),也可以方便地將熱量從蓄熱子系統(tǒng)提取出來。其中高溫蓄熱部分使用耐高溫的礦物油(不超過400℃),在高溫罐E和低溫罐G中進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)中太陽能供應(yīng)不足時(shí),可以利用蓄熱子系統(tǒng)中的能量產(chǎn)生蒸汽。首先從低溫蓄熱器H中經(jīng)過減壓閥閃蒸產(chǎn)生低溫蒸汽,然后進(jìn)入油–蒸汽換熱器將低溫蒸汽加熱成過熱蒸汽,再經(jīng)過1個(gè)補(bǔ)燃鍋爐N2,將過熱蒸汽加熱到汽輪機(jī)入口蒸汽參數(shù)要求,再進(jìn)入汽輪機(jī)做功。上面所述的2種運(yùn)行模式,稱為半耦合模式,也即集熱吸熱子系統(tǒng)與蓄熱子系統(tǒng)以及動(dòng)力子系統(tǒng)相互之間既不是完全獨(dú)立,又不是完全耦合在一起,吸熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽與蓄熱子系統(tǒng)產(chǎn)生的過熱蒸汽既可以單獨(dú)進(jìn)入汽輪機(jī),又可以平行地同時(shí)進(jìn)入汽輪機(jī)。動(dòng)力子系統(tǒng)中的其他部件和常規(guī)電站中的熱力系統(tǒng)一樣,由于該電站設(shè)計(jì)容量為1MW,汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)很低,屬于次中參數(shù)系列,回?zé)嵯到y(tǒng)只有一級,為除氧器。經(jīng)過除氧后的給水,直接進(jìn)入吸熱塔,這樣系統(tǒng)在太陽能供應(yīng)充足的情況下,整個(gè)系統(tǒng)可以不經(jīng)過蓄熱系統(tǒng)直接運(yùn)行。如果當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或者夜間運(yùn)行時(shí),可以將給水直接送入輔助鍋爐N1,利用化石燃料燃燒提供能量,向系統(tǒng)供應(yīng)蒸汽。1.2系統(tǒng)工作原理提出的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)不但滿足系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電要求,而且兼顧了未來大型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)所必需的關(guān)鍵技術(shù)。以下介紹其主要關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)。1)雙運(yùn)行模式的太陽能吸熱器。太陽能吸熱器是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的1個(gè)關(guān)鍵部件。利用太陽能吸熱器產(chǎn)生高溫高壓過熱蒸汽,是國際上先進(jìn)的太陽能熱發(fā)電主流方向之一,本研究緊跟國際技術(shù)發(fā)展趨勢,利用雙運(yùn)行模式的太陽能吸熱器產(chǎn)生高壓過熱蒸汽,既可以直接驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī),又可以存儲于蓄熱罐中用以間接產(chǎn)生過熱蒸汽。這不僅大大提高系統(tǒng)對太陽輻射不穩(wěn)定不連續(xù)的適應(yīng)性,更為今后大規(guī)模熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了寬廣的基礎(chǔ)。2)雙級蓄熱流程結(jié)構(gòu)。蓄熱儲能是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的另一關(guān)鍵技術(shù)。在本方案中采用了不同工質(zhì)的雙級蓄熱流程在國際上還未見報(bào)道。雙級蓄熱就是將太陽能收集到的熱量根據(jù)品位進(jìn)行分級存儲,高溫?zé)崃坑筛邷匦顭崞鞔鎯?中溫部分由低溫蓄熱器存儲;蓄存熱量釋放時(shí),高溫蓄熱器用于蒸汽的過熱過程,而低溫蓄熱器用于蒸汽的發(fā)生過程,相互獨(dú)立。雙級蓄熱的優(yōu)勢主要有:蓄熱工質(zhì)選擇更加合理,高溫蓄熱器可以選擇礦物油、熔鹽、混凝土等作為蓄熱工質(zhì),低溫蓄熱器可以選擇水作為蓄熱工質(zhì),雙級蓄熱方法可以大幅減小熔鹽等價(jià)格昂貴的蓄熱工質(zhì)的使用量,也使高溫蓄熱罐體的體積大幅減小,降低了投資。蓄熱器功能獨(dú)立,2個(gè)蓄熱器工作條件穩(wěn)定,避免了單一蓄熱器中蓄熱和放熱過程的復(fù)雜控制環(huán)節(jié)。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小,高溫蓄熱器的熱容量僅為低溫蓄熱器熱容量的20%左右,在我國高溫蓄熱技術(shù)還不成熟的條件下,可以大幅降低蓄熱技術(shù)給系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)促進(jìn)我國高溫蓄熱技術(shù)的研究與應(yīng)用。3)多冗余的過熱蒸汽供應(yīng)保障體系。本系統(tǒng)方案采用3重過熱蒸汽供應(yīng)保障系統(tǒng):太陽能吸熱器直接產(chǎn)生過熱蒸汽,蓄熱罐產(chǎn)生過熱蒸汽以及輔助鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽等。這不僅為本示范電站的安全運(yùn)行提供了可靠的保證,而且對多能源混合發(fā)電系統(tǒng)(太陽能加其他能源)的技術(shù)途徑進(jìn)行了探索。2系統(tǒng)模擬和性能分析2.1系統(tǒng)模擬的概念2.1.1太陽能系統(tǒng)與系統(tǒng)的能量平衡分析對于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),主要由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成:太陽能集熱子系統(tǒng)、吸熱與輸送熱量子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。前2部分簡稱為太陽場,是太陽能熱發(fā)電技術(shù)的核心。與常規(guī)的電站相比較,太陽能電站利用太陽能為系統(tǒng)提供能量,而常規(guī)電站是利用化石能源。因此,研究太陽能轉(zhuǎn)化為熱能這一能量轉(zhuǎn)化過程是非常有必要的,不僅對于電站的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)形式起著關(guān)鍵作用,而且影響著電站系統(tǒng)的性能以及運(yùn)行控制方式等。本文重點(diǎn)研究前2個(gè)子系統(tǒng),并進(jìn)行了能量平衡分析,對這一過程中能量轉(zhuǎn)化和利用進(jìn)行全面分析,并建立對應(yīng)的計(jì)算模型,為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指南。圖2為塔式太陽場的能量平衡示意圖,太陽能首先經(jīng)過雙軸跟蹤的定日鏡群反射,將光線匯聚到吸熱塔頂部的吸熱器表面,經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換后,太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,被吸熱器中的工質(zhì)吸熱,并利用管道將工質(zhì)攜帶的能量輸送和傳輸?shù)剿撞?進(jìn)行下一個(gè)子系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化和利用。2.1.2定日鏡場效率1)太陽能集熱子系統(tǒng)。太陽能直射強(qiáng)度εDNI,這部分能量直接投射到太陽場中的定日鏡面上,假定定日鏡的總面積為A,則投射到定日鏡的能量也即太陽場所接收太陽輻射能為經(jīng)定日鏡反射后的能量Pcol,主要與定日鏡的反射率ρref和定日鏡的清潔度ηclc有關(guān),即考慮到太陽能光線傾斜方向投射到定日鏡表面所造成的余弦損失、定日鏡之間由于幾何布置所造成的陰影和遮擋等光學(xué)損失、整個(gè)鏡場中的定日鏡由于檢修和損害等因素產(chǎn)生的可用率、以及反射光線傳輸中由于空氣透射所造成一部分能量損失,于是,定義定日鏡場的場效率為式中:ηcos為余弦因子;ηsb為陰影遮擋因子;eη為空氣透射因子;ηtr為定日鏡的跟蹤精度因子;ηava為定日鏡的可用率。2)太陽能吸熱、輸送熱量子系統(tǒng)。投向吸熱器上的能量Pinc,收集到的太陽能輻射能投射向位于吸熱塔上面的吸熱器。另外太陽能光線為非平行光線,造成一部分光線投射不到吸熱器上面,該影響因素用攔截因子ηint來衡量,于是有進(jìn)入吸熱器的能量Prec,由于被吸熱器表面反射會(huì)損失一部分能量,實(shí)際上進(jìn)入吸熱器的能量將受到吸熱器表面反射率ρrec的影響,考慮到該因素有吸熱器所吸收的能量,也即被吸熱器中的吸熱工質(zhì)所吸收的能量,該能量也即有用能量,由于吸熱器處于高溫下不可避免地會(huì)產(chǎn)生輻射熱損失,同時(shí)由于受到風(fēng)速和支架導(dǎo)熱等影響,存在著一定的對流損失和導(dǎo)熱損失:當(dāng)吸熱工質(zhì)從高塔頂部傳輸下來,較長的管路會(huì)發(fā)生一部分能量損失,于是有2.1.3蓄熱子系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先,根據(jù)給定的塔式電站設(shè)計(jì)容量和參數(shù)計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)中其他參數(shù)。對于1個(gè)設(shè)計(jì)容量為eP的塔式太陽能熱電站,根據(jù)發(fā)電子系統(tǒng)和動(dòng)力子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定該部分熱容量大小;由動(dòng)力系統(tǒng)的熱力參數(shù)來計(jì)算朗肯循環(huán)效率ηRankine,假定發(fā)電機(jī)效率為ηele,可以得到動(dòng)力部分所需要的額定熱負(fù)荷為如果系統(tǒng)中存在著蓄熱子系統(tǒng),需要經(jīng)過多個(gè)換熱器,在蓄熱和放熱過程中存在著能量損失,假定蓄熱系統(tǒng)的熱效率為ηts,蓄熱子系統(tǒng)大小是由系統(tǒng)的蓄熱時(shí)間確定,蓄熱系統(tǒng)的大小反映了系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力,如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)蓄熱時(shí)間為N小時(shí),則蓄熱子系統(tǒng)的熱容量為實(shí)際上,太陽能熱電站中集成了蓄熱子系統(tǒng)后,太陽場所能收集到的太陽熱能往往要大于動(dòng)力子系統(tǒng)所需的熱量,將其中過量的能量存儲到蓄熱子系統(tǒng)中,滿足電站的調(diào)節(jié)負(fù)荷需求。一般地,設(shè)計(jì)工況下,吸熱子系統(tǒng)所能收集到太陽能能量與朗肯循環(huán)系統(tǒng)所需要的熱量之比定義為太陽倍數(shù)εSM,太陽能倍數(shù)的大小決定了整個(gè)太陽能電站的容量因子εCF大小和蓄熱子系統(tǒng)大小,通常是通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,優(yōu)化后求得1個(gè)太陽倍數(shù)εSM,于是可得到吸熱子系統(tǒng)的容量:整個(gè)電站的容量因子εCF不僅受到電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的影響,同時(shí)受到電站的運(yùn)行模式和電站所在地氣象參數(shù),以及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷的影響,計(jì)算方法為:電站的年實(shí)際發(fā)電量除以電站以額定工況全年運(yùn)行的發(fā)電量,或是太陽能電站年實(shí)際滿負(fù)荷發(fā)電小時(shí)數(shù)除以8760h。2.2系統(tǒng)性能分析2.2.1發(fā)電效率測試評價(jià)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總體性能的參數(shù)主要有:電站的年發(fā)電量、峰值太陽能發(fā)電效率、年平均太陽能發(fā)電效率、容量因子等。1)電站的年發(fā)電量Pe,a,由于太陽能電站的不穩(wěn)定性和受到太陽能供應(yīng)的間歇性,需要對電站的發(fā)電量在一年內(nèi)進(jìn)行累計(jì),即2)峰值太陽能發(fā)電效率ηmax,也即系統(tǒng)發(fā)電效率的最大值:3)年平均太陽能發(fā)電效率,定義為1年內(nèi)電站的發(fā)電量除以年太陽能收集量:2.2.2系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)計(jì)算對該系統(tǒng)進(jìn)行了熱力計(jì)算,確定了系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的參數(shù),如表2所示。電站的太陽能倍數(shù)εSM設(shè)計(jì)為1.2,吸熱器中蒸汽流量為5770kg/h,出口蒸汽溫度為400℃,吸熱器的熱效率為85%。在設(shè)計(jì)點(diǎn),電站所在地區(qū)的年太陽能輻射量為1509(kW·h)/m2,εDNI取國際上通用設(shè)計(jì)值1000W/m2,根據(jù)這些已知條件,對電站熱力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算了一些關(guān)鍵設(shè)備的容量,并對電站進(jìn)行能量平衡計(jì)算。其他詳細(xì)參數(shù)見表3。2.2.3該電站的發(fā)電效率對所設(shè)計(jì)的電站進(jìn)行了系統(tǒng)性能估算,得出初步的性能結(jié)果,見表4,該電站的峰值太陽能發(fā)電效率為10.6%,而年平均發(fā)電效率僅為5.1%,主要是由于該電站的容量較小,太陽能場和吸熱塔之間不是最優(yōu)匹配,汽輪機(jī)入口參數(shù)較低,對應(yīng)的朗肯循環(huán)效率低等多種原因造成的。2.3蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行分析為了研究太陽能電站在不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)輸出的特性規(guī)律,也即研究電站蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)之間在不同運(yùn)行模式下的輸出特性。這里,假定某一天氣象輸入數(shù)據(jù)(如圖3—4所示),之后研究系統(tǒng)在解耦模式和非解耦模式下的運(yùn)行特性,以及蓄熱子系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式對系統(tǒng)性能的影響。其中,圖3反映了相同太陽能輸入下,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)負(fù)荷特性,系統(tǒng)的運(yùn)行模式為完全解耦模式。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該太陽能電站的蓄熱系統(tǒng)可以保證電站在沒有太陽能輸入時(shí),電站可以滿負(fù)荷發(fā)電1h,同時(shí)考慮到蓄熱子系統(tǒng)可以用來增強(qiáng)電站的調(diào)節(jié)負(fù)荷能力。從圖3可知,在該氣象條件下,電站可以滿負(fù)荷發(fā)電6.3h,圖3(a)中蓄熱系統(tǒng)充滿后,電站動(dòng)力部分才啟動(dòng)運(yùn)行,發(fā)電部分一直處于1MW的負(fù)荷下運(yùn)行,而蓄熱系統(tǒng)處于蓄熱與放熱同步進(jìn)行狀態(tài),直到蓄熱量為0,系統(tǒng)停止發(fā)電。而圖3(b)不同于圖3(a)的地方在于當(dāng)蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量達(dá)到某一值時(shí),就開始發(fā)電,這樣可以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的能量分配,也即當(dāng)太陽能供應(yīng)太多或者不足時(shí),有蓄熱系統(tǒng)調(diào)節(jié),然而,這個(gè)最佳點(diǎn)需要經(jīng)過運(yùn)行和計(jì)算確定。在圖3(b)運(yùn)行模式下,當(dāng)下午太陽能供應(yīng)不足時(shí),蓄熱系統(tǒng)僅僅蓄熱,然后將所存儲的熱量用于晚上發(fā)電,以滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需求。從圖3的簡單計(jì)算示意,充分體現(xiàn)了太陽電站在解耦模式下運(yùn)行時(shí),蓄熱子系統(tǒng)的運(yùn)行模式對系統(tǒng)輸出特性的影響,同時(shí),也說明蓄熱系統(tǒng)的加入可以調(diào)節(jié)電站的負(fù)荷輸出。圖4對比了在不同的蓄熱量時(shí)開始發(fā)電,對系統(tǒng)發(fā)電量的影響。由圖4(a)可知,該系統(tǒng)在太陽能供應(yīng)的情況下,蓄熱系統(tǒng)已經(jīng)充滿,浪費(fèi)了多余的能量,而圖4(b)中由于在蓄熱系統(tǒng)沒有充滿的情況下啟動(dòng)系統(tǒng),可以充分利用太陽能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了蓄熱系統(tǒng)對太陽能波動(dòng)的緩沖作用,2者相比較,后者可以多發(fā)電0.4h。從前面的簡單算例可以得知,系統(tǒng)的運(yùn)行模式對系統(tǒng)有重大影響,而本文所設(shè)計(jì)的塔式太陽能電站具有多種運(yùn)行模式,可以靈活地切換,這樣,在不同的氣象條件下,系統(tǒng)能夠在對應(yīng)的模式下運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化。3太陽能發(fā)電發(fā)電在我國一機(jī)會(huì)產(chǎn)受到我國技術(shù)條件和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的限制,對塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí),以保證可靠發(fā)電為優(yōu)先考慮原則,太陽能集熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)完全解耦,它們之間的能量傳遞依靠蓄熱系統(tǒng)。當(dāng)積累一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后,可以將太陽能集熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)耦合在一起(采用系統(tǒng)預(yù)留方案),延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間,提高年平均發(fā)電效率。本文基于1MW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),汽輪機(jī)入口蒸汽參數(shù)較低,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率偏低。如果發(fā)電規(guī)模能夠提高,例如提高到100MW,汽輪機(jī)入口蒸汽從390℃提高到535℃,發(fā)電效率有較大幅度提高(21%左右)。太陽能是一種清潔、豐富的可再生資源,太陽能在我國以及全世界都是最豐富和可廣泛獲取的可再生能源形式。它的大量使用,將改變我國能源短缺,能源結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀,使能源供應(yīng)多樣化,同時(shí)可以解決環(huán)境問題。我國太陽能資源豐富,特別是沙漠戈壁空地資源豐富,有條件發(fā)展大規(guī)模太陽能熱發(fā)電,這對滿足我國的部分電力需求具有極大的潛力,應(yīng)當(dāng)加以發(fā)展。太陽能塔式熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室探索階段,正在向商業(yè)化邁進(jìn)。西班牙、美國、德國、以色列、意大利、澳大利亞、日本、韓國等國家都投入了大量的資金和人力進(jìn)行研究,取得了大量的科研成果,