王惠杰，董學(xué)會(huì)，昝永超，楊 杰，羅天賜，于 佼，何 侖

熔鹽儲(chǔ)熱型塔式太陽能與燃煤機(jī)組耦合方式及熱力性能分析

王惠杰，董學(xué)會(huì)，昝永超，楊 杰，羅天賜，于 佼，何 侖

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

為提高塔式太陽能電站發(fā)電效率，同時(shí)降低火電機(jī)組煤耗，將配置熔鹽儲(chǔ)熱裝置的塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合到常規(guī)燃煤機(jī)組中，并對耦合系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。研究表明：在鍋爐75%THA工況基準(zhǔn)下，太陽能光熱系統(tǒng)可以承擔(dān)5%~15%換熱負(fù)荷，使燃煤機(jī)組在80%THA~90%THA負(fù)荷下運(yùn)行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%；利用熔鹽儲(chǔ)熱裝置的耦合機(jī)組在85%THA負(fù)荷下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間可延長約33%，整個(gè)耦合系統(tǒng)能夠消納更多的太陽能。該結(jié)論對塔式太陽能補(bǔ)償燃煤火電機(jī)組性能研究具有一定參考作用。

熔鹽儲(chǔ)熱；塔式太陽能；火電機(jī)組；耦合方式；熱力性能；仿真

隨著傳統(tǒng)能源日益枯竭以及能源需求量的持續(xù)增加，人類急需尋找化石能源替代品，以解決能源可持續(xù)發(fā)展問題。大力發(fā)展新能源和提升化石能源利用率已成為人類應(yīng)對能源危機(jī)的重要舉措。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)得到極大地提高，而受到材料的制約，運(yùn)行參數(shù)進(jìn)一步提升的空間已經(jīng)變得越來越狹窄且成本巨大[1]。因此，各國都在尋求利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源降低或緩解對傳統(tǒng)煤電的依賴以達(dá)到高效環(huán)保、節(jié)能減排的目的。現(xiàn)階段技術(shù)對太陽能的開發(fā)程度較低，在利用太陽能發(fā)電方面，主要有借助光電效應(yīng)的光伏發(fā)電和通過傳統(tǒng)熱力循環(huán)的光熱發(fā)電，其中太陽能光熱發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性方面擁有更大 的優(yōu)勢[2-3]。

國際能源署指出，太陽能與化石燃料互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)是近期太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)[4-6]。針對太陽能耦合燃煤電站代替部分燃煤發(fā)電，學(xué)者們已進(jìn)行了大量仿真模擬以及實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7]通過建立太陽能與火電機(jī)組耦合優(yōu)化模型，研究該系統(tǒng)的性能特征和規(guī)律；文獻(xiàn)[8]研究不同輻射強(qiáng)度對太陽能補(bǔ)償火電機(jī)組運(yùn)行特性的影響以及優(yōu)化鏡場和儲(chǔ)熱容量；文獻(xiàn)[9]將塔式太陽能與燃煤電站相結(jié)合，利用塔式太陽能加熱鍋爐過熱蒸汽或者過冷水以降低煤耗。

本文在介紹塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站原理的基礎(chǔ)上，對配置熔鹽儲(chǔ)熱裝置的塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站在不同工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行分析與仿真，并討論了在不同太陽能輻射強(qiáng)度下配置熔鹽儲(chǔ)熱裝置前后對太陽能耦合燃煤電站運(yùn)行性能影響。

1 雙罐熔鹽儲(chǔ)熱裝置

熔鹽被廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域，它具有高溫穩(wěn)定性好、蒸氣壓寬范、擴(kuò)散能力和熱容量較高等優(yōu) 點(diǎn)[10]。本文采用應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)熱材料Solar Salt（成分為60%的NaNO3和40%的KNO3）熔融鹽，其適用溫度范圍較廣，可以滿足常規(guī)電站高參數(shù)要求，同時(shí)還具有低腐蝕性、低成本、熱容大以及工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。Solar Salt熔融鹽已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了太陽能光熱發(fā)電的商業(yè)應(yīng)用，例如美國Solar Two以及西班牙Solar tres和Andasol電站已將其作為傳熱介質(zhì)和儲(chǔ)能材料[11]。

本文雙罐熔鹽儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行基本原理為：當(dāng)儲(chǔ)罐工作時(shí)，290 ℃的冷熔鹽從冷罐經(jīng)冷熔鹽泵輸送到太陽能集熱塔中吸熱升溫至585 ℃，然后高溫熔鹽進(jìn)入熱罐儲(chǔ)存起來，當(dāng)有需求或者滿足輸出條件時(shí)，從熱罐經(jīng)熱熔鹽泵輸送至耦合系統(tǒng)各換熱站，經(jīng)換熱后熔鹽溫度降到290 ℃，最終冷熔鹽回到冷罐，循環(huán)使用。雙罐熔鹽儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)如 圖1所示。

圖1 雙罐熔鹽儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)示意

2 塔式太陽能耦合燃煤電站系統(tǒng)

2.1 耦合方式

塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站的耦合系統(tǒng)分別為過熱耦合段和再熱耦合段。過熱耦合段在回?zé)嵯到y(tǒng)1號高壓加熱器出口給水進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)之前被分為兩部分，一部分給水繼續(xù)進(jìn)入鍋爐加熱變?yōu)檫^熱蒸汽，另一部分給水與雙罐熔鹽儲(chǔ)熱裝置（簡稱儲(chǔ)熱裝置）中的高溫熔鹽換熱后產(chǎn)生與鍋爐相同參數(shù)的過熱蒸汽，2股同樣參數(shù)的蒸汽匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)組內(nèi)做功。再熱耦合段在高壓缸排汽進(jìn)入鍋爐前用高溫熔鹽對冷段再熱蒸汽進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)熱，以維持再熱蒸汽在爐內(nèi)換熱量不變，盡量保證進(jìn)入鍋爐的工質(zhì)參數(shù)保持不變，從而減少對鍋爐側(cè)造成的影響。塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站的耦合系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站的耦合系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)仿真

2.2.1 常規(guī)火電機(jī)組及儲(chǔ)熱裝置仿真

利用Aspen plus 軟件對燃煤機(jī)組以及儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行整體建模。高、中、低壓缸采用透平Compr模型[12]，高、低加熱器采用多物流換熱器MHeatX模型，除氧器和凝汽器分別用物流混合器Mixer中Hopper模塊和heater模塊，工質(zhì)的分離和混合分別用分流器SSplit和物流混合器Mixer模型，節(jié)流閥采用Valve模型。搭建好流程模型后，進(jìn)行全局設(shè)定，選用國際標(biāo)準(zhǔn)單位，選擇合適的物性方法，運(yùn)行并查看結(jié)果，常規(guī)火電機(jī)組及儲(chǔ)熱裝置流程模型如圖3、圖4所示。

圖3 Aspen plus軟件建立的常規(guī)火電機(jī)組流程模型

圖4 Aspen plus軟件建立的儲(chǔ)熱裝置流程模型

2.2.2太陽能光熱系統(tǒng)

本文利用EBSILON軟件對太陽能光熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬。太陽能光熱系統(tǒng)主要包括集熱塔和鏡場，鏡場和集熱塔共同作用以加熱熔融鹽。其中，鏡場采用了EBSILON軟件內(nèi)部自帶的模型，模型中包含了鏡場效率，可通過天氣數(shù)據(jù)輸出到太陽能模塊中，完成對整個(gè)太陽能光熱系統(tǒng)的模擬，得到熔融鹽在不同時(shí)間的進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)性能及運(yùn)行策略

未耦合前鍋爐在75%THA工況下的煤耗率為

式中：msb為進(jìn)入鍋爐的給水流量，kg/h；ms為主蒸汽焓，kJ/kg；fwb為給水焓值，kJ/ kg；rs為再熱蒸汽流量，kg/h；rso為再熱蒸汽焓，kJ/ kg；rsi為再熱蒸汽冷段焓值，kJ/ kg；sc為煤的標(biāo)準(zhǔn)熱值，kJ/kg；b為鍋爐效率；sc1為煤耗率，g/(kW·h)。

塔式太陽能光熱系統(tǒng)耦合燃煤電站后的 煤耗比原來的燃煤電站明顯降低，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗ps為

式中：r為耦合過熱段換熱量，kJ；z為耦合再熱段換熱量，kJ；為耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，h；為每小時(shí)的發(fā)電量，kW。

耦合后的省煤量與原電廠煤耗之比，可以用省煤率s表示：

耦合系統(tǒng)運(yùn)行策略如下。

式中：TES為儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量，kJ；conv1為太陽能側(cè)持續(xù)時(shí)間1內(nèi)輸入熱罐的熱負(fù)荷，MW。

熱罐釋放的熱量TES1和儲(chǔ)熱裝置剩余熱量TES2可以表示為：

式中：TES1為熱罐釋放的熱量，kJ；TES2為熱罐剩余的熱量，kJ；conv2為太陽能光熱系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間3內(nèi)輸出熱罐的換熱負(fù)荷，MW。

3 仿真結(jié)果分析

本文利用Aspen軟件對原燃煤電站某抽汽凝氣汽輪機(jī)和相匹配的超臨界鍋爐及儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行仿真模擬，表1為耦合系統(tǒng)基本參數(shù)。通過數(shù)據(jù)采集太陽輻射強(qiáng)度變化，利用仿真模擬集熱器得到隨時(shí)間變化的熔鹽流量數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到儲(chǔ)能和釋能過程中熱罐熱量隨時(shí)間的變化情況。圖5為某日典型太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線。

表1 耦合系統(tǒng)基本參數(shù)

Tab.1 Basic parameters of the coupling system

圖5 某日典型太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)表1和圖5中的數(shù)據(jù)，仿真得到不同工況下耦合前后電站參數(shù)見表2。由表2可知，不同工況下耦合后的系統(tǒng)參數(shù)與原燃煤機(jī)組基本保持一致，因此，可以認(rèn)為該模型符合要求。

表2 不同工況下原電站與耦合后電站參數(shù)對比

耦合后燃煤機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖6可見：00:00—7:00之間機(jī)組負(fù)荷處于低谷期，由于太陽輻射強(qiáng)度幾乎為零，太陽能光熱系統(tǒng)停止工作沒有負(fù)荷輸出；隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，太陽能光熱系統(tǒng)不斷向熱罐輸送熱量，而熱罐滿足不同工況換熱參數(shù)要求后開始釋能，機(jī)組負(fù)荷經(jīng)歷短暫的波動(dòng)后，燃煤電站鍋爐維持在75%負(fù)荷基準(zhǔn)下，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組在80%THA~90%THA負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)儲(chǔ)能和釋能同時(shí)進(jìn)行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%，光電轉(zhuǎn)化效率約為26%，明顯高于單純的光熱電站；隨著時(shí)間推移，13:30—14:30太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值，熱罐儲(chǔ)熱負(fù)荷也達(dá)到峰值；到19:00左右，太陽輻射強(qiáng)度較弱，進(jìn)入熔鹽罐的熱量越來越少，而熱罐儲(chǔ)存的熱量可以維持太陽能光熱系統(tǒng)換熱負(fù)荷穩(wěn)定輸出一段時(shí)間，直到其輸出熱量逐漸無法滿足機(jī)組高參數(shù)運(yùn)行要求后，太陽能光熱系統(tǒng)停止運(yùn)行，燃煤機(jī)組重新回到負(fù)荷低谷期，即發(fā)電系統(tǒng)恢復(fù)到純?nèi)济弘娬竟r。

圖6 耦合系統(tǒng)燃煤機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)間變化曲線

耦合系統(tǒng)燃煤機(jī)組鍋爐負(fù)荷維持75%THA工況下，機(jī)組85%THA負(fù)荷下，有、無儲(chǔ)熱裝置發(fā)電負(fù)荷輸出隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可見：在00:00到7:00之間，無論是否加入儲(chǔ)熱裝置對發(fā)電量均無影響，這是由于此時(shí)太陽輻射強(qiáng)度為零，太陽能光熱系統(tǒng)熱負(fù)荷輸出為零；早上7:00之后，無儲(chǔ)熱裝置先于有儲(chǔ)熱裝置向機(jī)組輸入負(fù)荷，這是因?yàn)闊峁捱\(yùn)行有一段緩沖時(shí)間，但影響較?。坏?9:00后，無儲(chǔ)熱裝置的太陽能光熱系統(tǒng)逐漸停止熱負(fù)荷輸出，而有儲(chǔ)熱裝置可以持續(xù)穩(wěn)定釋放負(fù)荷，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間提高約33%。

為保證機(jī)組耦合系統(tǒng)在24 h內(nèi)穩(wěn)定不間斷運(yùn)行，可增大熱罐容量，但這會(huì)增加投資。因此，存在一個(gè)既能充分發(fā)揮儲(chǔ)熱，又可提高穩(wěn)定運(yùn)行的熱罐最佳配置參數(shù)。

4 結(jié) 論

1）本文研究了一個(gè)含太陽能集熱器、儲(chǔ)熱裝置和燃煤電站的塔式太陽能耦合燃煤電站系統(tǒng)，并基于EBSILON和Aspen plus軟件對其熱力子系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，以燃煤電站設(shè)計(jì)工況與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文所搭建的仿真模型的準(zhǔn)確性。

2）仿真研究結(jié)果表明，引入塔式太陽能與燃煤電站耦合，可以顯著降低燃煤機(jī)組煤耗，使得燃煤機(jī)組在80%THA~90%THA負(fù)荷下運(yùn)行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%。

3）加入儲(chǔ)熱裝置后，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間明顯延長，并且可以使得太陽能光熱系統(tǒng)輸出熱負(fù)荷保持穩(wěn)定，提高了耦合系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和高效性。同時(shí)，儲(chǔ)熱裝置能夠使得耦合系統(tǒng)消納更多的太陽能。

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Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit

WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, YANG Jie, LUO Tianci, YU Jiao, HE Lun

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

To improve the power generation efficiency of tower solar power station and reduce the coal consumption of thermal power units, the tower solar thermal system with molten salt heat storage device is coupled into the conventional coal-fired unit. Moreover, simulation on this coupling system is carried out. The research shows that, at the benchmark of 75% THA of the boiler load, the solar photothermal system side can bear 5%~15% of the heat transfer load, so that the coal-fired unit can run at 80%THA~90%THA load, and the coal consumption reduction rate increases from 5.76% to 15.54%. After the molten salt heat storage device is coupled into the coal-fired unit, the stable running time of the coupled unit can be prolonged by about 33% at 85% THA load, so that the entire coupling system can comsume more solar energy. The conclusion can be used as a reference for the study of the performance of tower solar compensated coal-fired thermal power units.

molten salt heat storage, tower solar energy, thermal power unit, coupling method, thermodynamic performance, simulation

TK284.1

A

10.19666/j.rlfd.201812135

王惠杰, 董學(xué)會(huì), 昝永超, 等. 熔鹽儲(chǔ)熱型塔式太陽能與燃煤機(jī)組耦合方式及熱力性能分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 47-52. WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, et al. Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 47-52.

2018-12-22

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(916021209)

Supported by：Fundamental Research Funds for the Central Universities (916021209)

王惠杰(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊崃Πl(fā)電廠節(jié)能與監(jiān)測，ncepuwhj@163.com。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）