基于品位耦合的太陽能互補聯合循環發電系統集成評價理論

施瑤璐，張振文，孫 杰，魏進家

(西安交通大學 化學工程與技術學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

能源幾個世紀以來一直是人類賴以生存的物質基礎。傳統化石能源的資源局限性和污染問題導致能源利用結構轉型成為重中之重。綠色和可再生能源發展迅速，太陽能因其豐富性和可持續性成為最有前景的未來能源之一[1]。在太陽能利用中，與高成本、低效的獨立太陽能系統相比，綜合太陽能熱互補聯合循環系統(Integrated Solar Combined Cycle，ISCC)將太陽能熱發電系統與傳統燃氣輪機循環發電系統(Combined Cycle Gas Turbine，CCGT)相結合，使整體系統既受益于太陽能集成的高效利用，又受益于聯合循環的能源匹配，可有效利用化石燃料和太陽能[2]。

大多數ISCC系統研究均提出了具體的集成方案，結論僅適用于特定系統，缺乏評價不同ISCC系統性能的統一理論。在整個ISCC系統內，布雷頓循環與朗肯循環相互作用，太陽能熱形式的投入對循環內部與循環之間的作用機理缺乏研究驗證。筆者基于品位耦合思想，從理論上揭示太陽能、布雷頓循環和朗肯循環之間的作用機制，可更好地理解ISCC系統。在筆者課題組前期工作[11]中，已建立了統一理論模型，提出并闡明了“疊加效應”，將其應用于不同太陽能-燃煤互補發電系統的性能評價?；诖耍P者提出了一種基于品位耦合的普適性ISCC系統理論模型，更具體地揭示了引入太陽能對燃料節省量的影響機制，推導得到了燃料節省因子的統一表達式，并分析拓展了“疊加效應”，以及對于布雷頓循環與朗肯循環之間相互影響的“分配效應”，拓展了前期工作中提出的節煤系數，為改造光煤互補電站及其他燃料形式的太陽能發電站提供普適性理論指導，直接或間接減少化石燃料消耗，為未來復雜太陽能互補多循環系統的研究和應用提供借鑒。

1 理論建模與推導

1.1 ISCC系統理論模型

ISCC系統的理論建模示意如圖1所示，該模型是前期工作[11]中已得到驗證的SCPGS模型的發展與完善。ISCC系統利用聚光鏡場將匯聚太陽光轉化為太陽熱，然后引入不同聯合循環中，具體包括系統中的燃燒室或余熱鍋爐，或二者兼有。太陽能耦合在聯合循環系統不同位置時，可分別加熱系統中做功工質、壓縮空氣或加熱即將進入余熱鍋爐的飽和蒸汽等，從而將太陽能轉化為熱能，進而轉化成電能。圖1左側為布雷頓循環，其輸入能量來自燃料化學能及太陽能；右側為朗肯循環，其輸入能量來自布雷頓循環排氣余熱及太陽能。整個系統的輸出功包括燃氣輪機的凈輸出功和蒸汽輪機的輸出功。

圖1 ISCC系統示意Fig.1 Schematic of ISCC system

通常，ISCC系統根據工作模式分為2種方案，即功率增強方案和燃料節省方案[12]。對于功率增強型ISCC系統，燃料總量保持不變，投入額外的太陽能到CCGT系統中，使工質吸熱總量和整個系統的輸出功率增加。對于燃料節省型ISCC系統，工質吸熱總量不變，系統總出功量不變，只將某部分燃料加熱段熱源替換為太陽能加熱以節省燃料。

圖2 ISCC系統加熱段能量分析示意Fig.2 Schematic of heating section modelling for ISCC system

1.2 燃料節省因子的推導

關于ISCC系統的分析主要基于以下假設：添加太陽能僅影響主要部件；僅考慮主要部件的熱損失；朗肯循環冷凝器出口工質的熱力學參數保持恒定。在本研究中，燃料節省因子ξ定義為ISCC系統燃料消耗量與參考CCGT系統燃料消耗量的比值，具體為

(1)

式中，ΔBI定義為ISCC系統燃料消耗量BI與CCGT系統燃料消耗量BC之差。

(2)

圖3 不同系統T-s圖Fig.3 T-s diagram for different systems

(3)

(4)

(5)

(6)

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(8)

(9)

(10)

(11)

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(16)

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(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中，Asol,wf,B、Asol,wf,R分別為布雷頓循環與朗肯循環中工質吸收熱能的品位；Asol,B、Asol,R分別為布雷頓循環與朗肯循環中太陽能品位。

(24)

(25)

(26)

(27)

1.2.3 功率增強型ISCC系統燃料節省因子

(28)

將式(28)代入式(1)，可得到功率增強型ISCC系統的燃料節省因子為

(29)

壓氣機的工作狀態不變，因此布雷頓循環的功率增強量等于燃氣輪機的功率增強量。通過式(5)及式(15)得出：

(30)

式(26)減式(11)，式(25)減式(10)得出：

(31)

通過替換式(29)～(31)，得到功率增強型ISCC系統的燃料節省因子為

(32)

1.2.4 燃料節省型ISCC系統燃料節省因子

使式(4)與式(14)相等，可得：

(33)

將式(33)代入式(1)，得到b類工況下燃料節省型ISCC系統的燃料節省因子為

(34)

(35)

從式(26)中減去式(11)，從式(25)中減去式(10)，可得：

(36)

(37)

將式(35)和式(36)代入式(37)，得到燃料節省型ISCC系統a類和c類工況下的燃料節省因子為

(38)

1.2.5 ISCC系統燃料節省因子的統一表達

由于式(32)和式(38)具有相似的表達式形式，將其通過恒等式轉換，則得到ISCC系統燃料節省因子的統一表達式為

(39)

表1 ISCC系統主要參數表達式

2 結果與討論

2.1 燃料節省因子統一表達式的物理含義

綜上所述，統一表達式的主要參數表示由于太陽能投入而造成的每個組件的性能變化，系數λ用于將每個組件的性能參數變化轉換為燃料可節省性。

2.2 燃料節省因子的分配效應

圖4 分配效應示意Fig.4 Schematic of the "allocation effect" in fuel-savability

2.3 燃料節省因子的疊加效應

本課題組前期工作揭示了太陽能-燃煤互補系統的燃料節省因子中存在疊加效應[24]。本文中該疊加效應概念可進一步推廣到ISCC系統中。燃料節省因子的統一表達式(式(39))可轉換為基本項ξba、浮動項ξfl及橋接項ξbr之和，即

ξ=ξba+ξfl+ξbr，

(40)

(41)

(42)

2.4 統一表達式中各項之間關系

燃料節省因子的統一表達式(式(39))可轉換為以下形式：

ξ=ξB+ξR+ξbr，

(43)

(44)

(45)

各項關系示意如圖5所示。燃料節省因子ξ可視為ξB、ξR和ξbr之和或ξba、ξfl和ξbr總和。前1組(ξ=ξB+ξR+ξbr)將能量轉換過程作為分類標準。燃料節省能力由布雷頓循環的燃料節省能力、朗肯循環的燃料節省能力和循環之間的燃料節省能力決定，在每個循環中，燃料節省因子由基本項和浮動項組成(式(44)、(45))。后1組(ξ=ξba+ξfl+ξbr)以對系統的影響作為分類標準，燃料節省因子由基本項、浮動項及橋接項組成。

圖5 統一表達式各項之間關系示意Fig.5 Schematic of the relationship between terms inthe unified expression of fuel-savability

圖6 疊加效應示意Fig.6 Schematic of the "superposition effect" in fuel-savability

2.5 驗證燃料節省因子統一表達式

ISCC系統案例計算參數見表2。案例1中的功率增強型ISCC系統將太陽能熱能引入朗肯循環中，驗證燃料節省因子統一表達式的正確性。根據式(30)， ISCC的燃料節省因子可計算為

(46)

表2 ISCC系統案例計算參數比較

根據統一公式(式(39))計算ISCC的燃料節省因子，該系統的布雷頓循環不受太陽能加入的影響，因此，統一方程可簡化為

(47)

根據式(47)和表2，計算ISCC系統的燃料節省因子為0.056 4。提出的節油性統一表達式與參考值的相對偏差為2.545%，驗證了本文工作的正確性。

案例2的ISCC系統將太陽能熱能引入布雷頓循環。由于案例2中浮動項ξfl較高導致其燃油節省因子較高。案例1中，太陽能引入朗肯循環，而太陽能對于朗肯循環的影響不能溢出到布雷頓循環，因此案例1的橋接項ξbr為0。與之相反，對于案例2，太陽能引入布雷頓循環，進而影響朗肯循環，因此案例2的橋接項ξbr>0。

3 結 論

3)課題組前期工作提出的疊加效應在本文得到擴展，即系統總燃料節省因子由基本項、浮動項和橋接項疊加后綜合決定?；卷棻砻魈柲芡度霂淼闹苯有б?，浮動項代表太陽能投入對系統中每個主要組件的浮動影響，橋接項代表太陽能投入后隱含的循環間影響。

4)本文工作可為光煤互補電站設計及各類燃煤燃氣電站的優化改造提供理論指導，能直接或間接減少化石燃料使用，優化化石燃料使用結構。

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