塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析與關鍵過程研究

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析與關鍵過程研究

太陽能熱發(fā)電技術由于有限制的金石能源使用過程和污染的嚴重程度，可支配能源的開發(fā)是解決能源和環(huán)境協(xié)調(diào)和能源短缺問題的重要手段。特別是太陽能具有儲量大,分布廣泛,開采利用清潔等優(yōu)點引起人們的廣泛關注。1878年在巴黎建立的太陽能熱交互式蒸汽機,揭開太陽能熱發(fā)電的序幕。隨后,美國、西班牙、意大利等國家都將太陽能熱發(fā)電技術作為國家研究開發(fā)的重點。經(jīng)過多年研究和實際運行經(jīng)驗積累,太陽能熱發(fā)電技術已日臻成熟,電站關鍵設備的成本也有較大幅度的下降。從總體上看,整個20世紀太陽能熱發(fā)電技術都處于實驗和示范階段,而從本世紀開始,可再生能源發(fā)展呈現(xiàn)出全球性繁榮局面,具有低成本潛力的太陽能熱發(fā)電技術也進入快速發(fā)展時期。但在相當長的一段時間內(nèi),太陽能大規(guī)模開發(fā)利用成本仍然較高,在經(jīng)濟上無法與常規(guī)化石能源匹敵,而且還存在不連續(xù)與不穩(wěn)定等問題。因此,與其相關的關鍵科技問題就成為能源領域研究的前沿熱點課題。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)因其具有較高的集熱溫度而備受人們關注,它通常由聚光集熱、蓄熱和動力3個子系統(tǒng)組成。目前,吸熱器中的吸熱工質(zhì)有熔鹽、空氣和水蒸氣3種形式,其中以水蒸氣為吸熱工質(zhì)的換熱設備技術比較成熟,得到更多的應用。在太陽能熱發(fā)電技術中,目前普遍應用的是單級蓄熱方式,為提高蓄熱子系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽的溫度,其蓄熱工質(zhì)的最高使用溫度在不斷提升,而且在完成蒸汽的蒸發(fā)與過熱的過程中,相應火用損失大。另外,目前蓄熱子系統(tǒng)投資的比例較大,為延長系統(tǒng)的運行時間和大型化的需要,還需要大量增加高溫蓄熱工質(zhì)的總量,致使單級蓄熱子系統(tǒng)與總系統(tǒng)的投資都急劇增加。本研究概述了以高溫蓄熱材料和中溫相變材料為蓄熱工質(zhì)的雙級蓄熱和耦合、解耦雙運行模式的塔式太陽能熱發(fā)電新系統(tǒng),新系統(tǒng)中的雙級蓄熱流程比較好地解決或緩解了常規(guī)單級蓄熱太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在能量蓄存和釋放過程中火用損失大的問題,而其雙運行模式也為解決或緩解太陽能不連續(xù)的固有缺陷開拓了新手段。1新系統(tǒng)及其集成的概念和特點1.1吸熱器系統(tǒng)耦合新系統(tǒng)由聚光集熱(定日鏡場、塔和吸熱器)、雙級蓄熱(高、低溫蓄熱器)和蒸汽動力3個子系統(tǒng)組成,其流程如圖1所示。太陽能經(jīng)定日鏡反射后聚集到以水為吸熱工質(zhì)的吸熱器中,產(chǎn)生過熱蒸汽。新系統(tǒng)中的聚光集熱與雙級蓄熱子系統(tǒng)完全解耦時,吸熱器產(chǎn)生的過熱蒸汽依次經(jīng)換熱器1、3,將蒸汽顯熱、潛熱按品位的不同分別蓄存在高、低溫蓄熱器中,蒸汽凝水返回到吸熱器,完成聚光集熱和蓄熱過程。新系統(tǒng)完全解耦時,汽輪機所需的蒸汽完全由雙級蓄熱子系統(tǒng)提供,汽輪機的排汽經(jīng)冷凝加壓后在低、高溫蓄熱器中分別完成蒸發(fā)、過熱過程,之后進入汽輪機,循環(huán)做功,輸出電能。新系統(tǒng)耦合方式運行時,吸熱器產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機,輸出電能,汽輪機的排汽經(jīng)冷凝加壓后返回到吸熱器中。當吸熱器產(chǎn)生的蒸汽量大于汽輪機所需額定蒸汽量時,富余部分的過熱蒸汽所含的能量分別蓄存在高、低溫蓄熱器中;當吸熱器產(chǎn)生的蒸汽不能滿足汽輪機額定需求時,可由蓄熱子系統(tǒng)供熱產(chǎn)生過熱蒸汽,供給汽輪機使用。1.2系統(tǒng)的概念和特點1.2.1低、高溫蓄熱器新系統(tǒng)采用雙級蓄熱的方式,更好體現(xiàn)出能的綜合梯級利用的系統(tǒng)集成原則,即將吸熱器收集到的能量按品位不同進行分級儲蓄,高品位能量由高溫蓄熱器蓄存,低品位能量由低溫蓄熱器蓄存。蓄存能量在釋放時,低、高溫蓄熱器分別用于蒸汽的發(fā)生、過熱過程,兩者相互獨立、又互相補充。其主要特點有:(1)蓄熱工質(zhì)的選擇更加靈活合理;(2)高、低溫蓄熱器功能獨立,蓄熱子系統(tǒng)工作條件更加穩(wěn)定;(3)蓄熱子系統(tǒng)技術風險小、投資低。高溫蓄熱器的熱容量通常為低溫蓄熱器熱容量的20%左右,采用雙級蓄熱的方式可以大幅減少昂貴的高溫蓄熱工質(zhì)的使用量,并在減少蓄熱子系統(tǒng)投資情況下降低了蓄熱技術帶來的風險?？傊?雙級蓄熱的系統(tǒng)結構不但有效地減小了蒸汽在蓄存和釋放過程中的火用損失,提高了能量轉換利用率,還能大幅減少價格昂貴的高溫蓄熱工質(zhì)的使用量,降低了蓄熱子系統(tǒng)的初投資。1.2.2對過熱蒸汽的發(fā)電新系統(tǒng)中的聚光集熱和蓄熱與動力子系統(tǒng)之間可以靈活采用耦合與解耦兩種運行模式,即吸熱器生產(chǎn)的過熱蒸汽,既可以直接驅(qū)動汽輪機發(fā)電,又可以存儲于蓄熱子系統(tǒng)中用于間接產(chǎn)生過熱蒸汽。雙運行模式克服了傳統(tǒng)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在太陽能發(fā)生突變時汽輪機掉線等問題,提高了系統(tǒng)對太陽能不穩(wěn)定和不連續(xù)的適應性。因而,雙運行模式具有突出的穩(wěn)定性,并最大限度地延長了電站的有效運行時間。2系統(tǒng)的設計和性能特性2.1聚光集熱子系統(tǒng)設計采用AspenPlus流程模擬軟件對10MW級的新系統(tǒng)進行了模擬,模擬過程中忽略系統(tǒng)主要傳熱單元向環(huán)境的散熱損失和管路的壓力損失。聚光集熱子系統(tǒng)中鏡場參數(shù)參考美國SolarOne系統(tǒng)的相關設計數(shù)據(jù);雙級蓄熱子系統(tǒng)中采用熔鹽(60%NaNO3,40%kNO3)作為高溫蓄熱工質(zhì),采用中溫相變材料NaNO3作為低溫蓄熱工質(zhì);動力子系統(tǒng)中的汽輪機采用無再熱、四級抽汽的單缸凝汽式汽輪機組。模擬過程中的初始參數(shù)如表1所示。2.2系統(tǒng)的性能特性2.2.1蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時的發(fā)電增加率評估塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的性能主要取決于3個子系統(tǒng)的性能參數(shù)及其匹配狀況。若聚光集熱子系統(tǒng)與動力子系統(tǒng)的性能參數(shù)基本相同和運行模式確定時,蓄熱子系統(tǒng)的能量轉換利用狀況就非常重要。SolarOne的蓄熱子系統(tǒng)是以導熱油和砂石為蓄熱工質(zhì)的單級蓄熱方式,以SolarOne為參比系統(tǒng),對新系統(tǒng)的能量利用情況進行了研究,揭示出雙級蓄熱子系統(tǒng)的優(yōu)勢。由于新系統(tǒng)與SolarOne具有類似的聚光集熱和動力子系統(tǒng),因此可方便地采用蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時的發(fā)電增加率來評估新系統(tǒng)的性能,其定義式為:?=Pd?PsPs×100%(1)?=Ρd-ΡsΡs×100%(1)式中:?—發(fā)電增加率;Pd—新系統(tǒng)中蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時的發(fā)電量;Ps—參比系統(tǒng)中蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時的發(fā)電量。2.2.2沒有太陽能輸入時通過系統(tǒng)模擬,得到10MW級的新系統(tǒng)各關鍵點熱力學參數(shù),如表2所示,新系統(tǒng)中吸熱器出口蒸汽溫度為550℃,汽輪機入口的額定蒸汽溫度為510℃,因此,吸熱器產(chǎn)生蒸汽與汽輪機之間需增設調(diào)溫裝置。按表1的相關假設,聚光集熱子系統(tǒng)輸出能量值大于汽輪機所需的最大能量值,系統(tǒng)采用耦合的運行方式,即汽輪機以額定功率輸出電能,雙級蓄熱子系統(tǒng)同時蓄存富余蒸汽的能量;沒有太陽能輸入時,雙級蓄熱子系統(tǒng)依靠所蓄存的能量生產(chǎn)蒸汽,驅(qū)動汽輪機發(fā)電。表3是綜合上述兩種運行情況下得到的系統(tǒng)火用平衡值。由表3可以看出,10MW級的新系統(tǒng)的電能凈輸出量為11.4MW,占輸入火用的17.3%;新系統(tǒng)的各項損失中,吸熱器的火用損失最大,占到輸入火用的38.1%;其次是鏡場火用損失,為30.4%;還可以看出,雙級蓄熱子系統(tǒng)自身的火用損失很小,為系統(tǒng)輸入火用的0.32%。上述各項損失的大小將在EUD分析中給予解釋。為揭示雙級蓄熱子系統(tǒng)的在能量利用方面的優(yōu)勢,在相同輸入的條件下,對雙級蓄熱子系統(tǒng)與SolarOne的單級蓄熱子系統(tǒng)獨立運行輸出電能的情況進行了對比性分析,其結果如表4所示。蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時,雙級蓄熱子系統(tǒng)所產(chǎn)生蒸汽品位高于SolarOne蓄熱子系統(tǒng)所產(chǎn)生的蒸汽品位(277℃,2.76MPa),其原因?qū)⒃贓UD分析中給予解釋。由表4可以看出,雙級蓄熱子系統(tǒng)獨立運行時,輸入火用的大部分以電能的形式輸出,占到輸入火用的58.0%;雙級蓄熱子系統(tǒng)在能量蓄存和釋放過程中的火用損失分別為輸入火用的3.3%和3.9%;在相同輸入的情況下,雙級蓄熱子系統(tǒng)的火用損失是SolarOne的31.8%,其發(fā)電增加率為38.1%。3表象火用分析方法塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是以太陽能為輸入,以電能為輸出,涉及到3個子系統(tǒng)的復雜能源動力系統(tǒng)。為揭示系統(tǒng)的能量利用機理,采用了EUD方法分析新系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的能量利用情況。EUD圖象火用分析方法是基于能的品位概念,將系統(tǒng)各個能的轉化過程的能量變化、能的品位變化與能量傳遞過程的火用損失三者關系有機聯(lián)合,共用一個圖象描述出這三者的內(nèi)在聯(lián)系。任何過程都有能量釋放側和接受側,且釋放側的品位Aed應大于等于能量接受側的品位Aea。以能的傳遞量ΔH為橫坐標,Aed和Aea為縱坐標作圖,那么Aed和Aea兩條曲線之間的面積為相應過程的火用損失。另外,為了揭示雙級蓄熱子系統(tǒng)能量利用的特點,采用了系統(tǒng)比較的方法,對SolarOne系統(tǒng)中所采取的單級蓄熱子系統(tǒng)獨立運行過程同時進行火用平衡分析,結果也列于表4中。3.1凝汽器火用分析聚光集熱和動力子系統(tǒng)分別實現(xiàn)太陽能收集、太陽能向熱能和熱能向電能的轉化,在實現(xiàn)能量傳遞和轉化的過程中,鏡場和吸熱器的光學損失及吸熱器中由太陽能向吸熱工質(zhì)轉化過程中的火用損失構成了聚光集熱子系統(tǒng)的火用損失;動力子系統(tǒng)的火用損失主要包括蒸汽透平、凝汽器和給水加熱器損失。根據(jù)表1中聚光集熱子系統(tǒng)的光學特性、吸熱器及汽輪機的熱力學特性得到新系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)的火用分析結果。在聚光集熱子系統(tǒng)中,太陽能經(jīng)鏡場反射后聚集到吸熱器上,其中一部分散失于周圍環(huán)境中,另一部分被吸熱器中的吸熱工質(zhì)帶走,其火用分析如圖2所示。圖中Aed表示太陽直射輻射的釋放曲線,Aea為水蒸氣吸收能量曲線,太陽能的品位式為:A(f)≈1?4Ta3Ts(1?0.28lnf)(2)A(f)≈1-4Τa3Τs(1-0.28lnf)(2)式中:f—稀釋因子,對于太陽能直射輻射,f=1;Ta—環(huán)境溫度298K;Ts—太陽溫度5777K。由圖2可以看出,因鏡場中定日境反射,相互遮擋、阻斷及截取因子等因素,鏡場損失較大,占到輸入火用的30.4%。新系統(tǒng)中吸熱器向環(huán)境的輻射和對流損失較大,同時吸熱器中存在高品位的太陽能與蒸汽發(fā)生之間的能量轉化,因此,吸熱器總的火用損失較大,占輸入火用的38.1%。圖3和圖4為電廠動力子系統(tǒng)的火用分析。圖3中的Aed,st曲線表示了汽輪機主蒸汽膨脹做功的過程,其損失為對應輸入火用的6.9%;新系統(tǒng)中采用大量電機驅(qū)動定日鏡跟蹤太陽位置,因此電廠自用電比例較大,占到輸入火用的3.8%。動力子系統(tǒng)中采用大氣式除氧器,給水加熱器采用帶有蒸汽冷卻和疏水冷卻的面式加熱方式,汽輪機的排汽在凝汽器中的火用損失及凝水在各級加熱器中的換熱火用損失如圖4中各陰影面積所示。結合表3和圖4得到,凝汽器與總的給水加熱器的火用損失相差不大,分別占到輸入火用的1.6%和1.2%。3.2單次蓄熱轉換在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,蓄熱子系統(tǒng)起著對太陽能的移峰填谷和穩(wěn)定系統(tǒng)運行的作用。當吸熱器產(chǎn)生的蒸汽量大于汽輪機的所需的額定蒸汽量時,富余的高溫蒸汽首先與蓄熱工質(zhì)進行熱交換,完成能量的蓄存過程;在吸熱器產(chǎn)生的蒸汽量少于汽輪機的額定蒸汽量或沒有太陽能輸入時,汽輪機的凝水與蓄熱工質(zhì)進行熱交換,產(chǎn)生相應品位的蒸汽,驅(qū)動汽輪機繼續(xù)運行,完成蓄存能量的釋放過程。以SolarOne為參比系統(tǒng),對雙級蓄熱子系統(tǒng)的能量蓄存和釋放過程作了對比性分析。3.2.1調(diào)溫過程火用損失SolarOne的單級蓄熱子系統(tǒng)與本文提出的雙級蓄熱子系統(tǒng)在能量蓄存過程中的EUD如圖5和圖6所示。在SolarOne中,為增強導熱油使用的安全性,對吸熱器出口的516℃蒸汽采用了調(diào)溫措施,調(diào)溫后的蒸汽,將218℃的導熱油加熱到304℃。圖5中曲線Aed1與Aea1間的陰影面積表示了調(diào)溫過程的火用損失,Aed2與Aea2間的陰影面積表示調(diào)溫后的蒸汽與導熱油的換熱過程的火用損失。在雙級蓄熱子系統(tǒng)中,首先利用吸熱器出口的550℃蒸汽的大部分顯熱將高溫蓄熱器中熔鹽工質(zhì)由320℃加熱到520℃;低溫蓄熱器中的NaNO3吸收蒸汽的部分顯熱與全部的潛熱后在307℃下熔解,圖6中曲線Aed1與Aea1,Aed2與Aea2間的陰影面積表示了上述雙級蓄熱子系統(tǒng)在能量蓄存過程中的火用損失。比較圖5和圖6可以看出,由于蒸汽放熱特點,雙級蓄熱方式合理利用了高溫熔鹽和中溫相變工質(zhì)的吸熱特性,其蓄存能量的品位高且蓄熱過程中的火用損失大為降低,由表4可以得到,其火用損失為SolarOne單級蓄熱子系統(tǒng)對應過程的26.6%。3.2.2雙級蓄熱子系統(tǒng)的發(fā)電機理SolarOne單級蓄熱子系統(tǒng)與本文提出的雙級蓄熱子系統(tǒng)在能量釋放過程中的EUD如圖7和圖8所示。圖7中Aed1與Aea1之間陰影面積表示SolarOne中導熱油加熱給水到過熱蒸汽過程的火用損失。圖8中Aed2與Aea2之間陰影面積表示在低溫蓄熱器中液態(tài)NaNO3放出熔解熱加熱給水到飽和蒸汽過程的火用損失;Aed1與Aea1之間陰影面積表示在高溫蓄熱器中熔鹽加熱飽和蒸汽到過熱蒸汽過程的火用損失。由圖8可以看出,雙級蓄熱子系統(tǒng)中的高、低溫蓄熱工質(zhì)恰能滿足蒸汽產(chǎn)生過程中的吸熱特性,蓄熱子系統(tǒng)在能量釋放過程中的火用損失大為降低且能產(chǎn)生高品位蒸汽,由表4可以得到,其火用損失為SolarOne中單級蓄熱子系統(tǒng)對應過程的38.1%。雙級蓄熱子系統(tǒng),利用高溫熔鹽和中溫相變工質(zhì),實現(xiàn)了熱能梯級利用,與目前常用的單級蓄熱子系統(tǒng)相比,在能量的蓄存和釋放過程中,火用損失大為降低且能產(chǎn)生高品位蒸汽。本文所提出的雙級蓄熱方式與SolarOne的單級蓄熱方式相比發(fā)電增加率為38.1%;同時,因蒸汽過熱過程所需的能量通常為蒸汽發(fā)生過程所需能量的20%左右,從而采用雙級蓄熱的方式將大幅減少高溫蓄熱工質(zhì)的使用量。由此可見,雙級蓄熱方式的提出為大型化的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進一步降低發(fā)電成本提供了新途徑。4模擬結果與分析(1)概述了雙級蓄熱和雙運行模式的塔式太陽能熱發(fā)電新系統(tǒng),闡