基于品位耦合的太阳能互补联合循环发电系统集成评价理论

施瑶璐，张振文，孙 杰，魏进家

(西安交通大学 化学工程与技术学院，陕西 西安 710049)

0 引 言

能源几个世纪以来一直是人类赖以生存的物质基础。传统化石能源的资源局限性和污染问题导致能源利用结构转型成为重中之重。绿色和可再生能源发展迅速，太阳能因其丰富性和可持续性成为最有前景的未来能源之一[1]。在太阳能利用中，与高成本、低效的独立太阳能系统相比，综合太阳能热互补联合循环系统(Integrated Solar Combined Cycle，ISCC)将太阳能热发电系统与传统燃气轮机循环发电系统(Combined Cycle Gas Turbine，CCGT)相结合，使整体系统既受益于太阳能集成的高效利用，又受益于联合循环的能源匹配，可有效利用化石燃料和太阳能[2]。

大多数ISCC系统研究均提出了具体的集成方案，结论仅适用于特定系统，缺乏评价不同ISCC系统性能的统一理论。在整个ISCC系统内，布雷顿循环与朗肯循环相互作用，太阳能热形式的投入对循环内部与循环之间的作用机理缺乏研究验证。笔者基于品位耦合思想，从理论上揭示太阳能、布雷顿循环和朗肯循环之间的作用机制，可更好地理解ISCC系统。在笔者课题组前期工作[11]中，已建立了统一理论模型，提出并阐明了“叠加效应”，将其应用于不同太阳能-燃煤互补发电系统的性能评价。基于此，笔者提出了一种基于品位耦合的普适性ISCC系统理论模型，更具体地揭示了引入太阳能对燃料节省量的影响机制，推导得到了燃料节省因子的统一表达式，并分析拓展了“叠加效应”，以及对于布雷顿循环与朗肯循环之间相互影响的“分配效应”，拓展了前期工作中提出的节煤系数，为改造光煤互补电站及其他燃料形式的太阳能发电站提供普适性理论指导，直接或间接减少化石燃料消耗，为未来复杂太阳能互补多循环系统的研究和应用提供借鉴。

1 理论建模与推导

1.1 ISCC系统理论模型

ISCC系统的理论建模示意如图1所示，该模型是前期工作[11]中已得到验证的SCPGS模型的发展与完善。ISCC系统利用聚光镜场将汇聚太阳光转化为太阳热，然后引入不同联合循环中，具体包括系统中的燃烧室或余热锅炉，或二者兼有。太阳能耦合在联合循环系统不同位置时，可分别加热系统中做功工质、压缩空气或加热即将进入余热锅炉的饱和蒸汽等，从而将太阳能转化为热能，进而转化成电能。图1左侧为布雷顿循环，其输入能量来自燃料化学能及太阳能；右侧为朗肯循环，其输入能量来自布雷顿循环排气余热及太阳能。整个系统的输出功包括燃气轮机的净输出功和蒸汽轮机的输出功。

图1 ISCC系统示意Fig.1 Schematic of ISCC system

通常，ISCC系统根据工作模式分为2种方案，即功率增强方案和燃料节省方案[12]。对于功率增强型ISCC系统，燃料总量保持不变，投入额外的太阳能到CCGT系统中，使工质吸热总量和整个系统的输出功率增加。对于燃料节省型ISCC系统，工质吸热总量不变，系统总出功量不变，只将某部分燃料加热段热源替换为太阳能加热以节省燃料。

图2 ISCC系统加热段能量分析示意Fig.2 Schematic of heating section modelling for ISCC system

1.2 燃料节省因子的推导

关于ISCC系统的分析主要基于以下假设：添加太阳能仅影响主要部件；仅考虑主要部件的热损失；朗肯循环冷凝器出口工质的热力学参数保持恒定。在本研究中，燃料节省因子ξ定义为ISCC系统燃料消耗量与参考CCGT系统燃料消耗量的比值，具体为

(1)

式中，ΔBI定义为ISCC系统燃料消耗量BI与CCGT系统燃料消耗量BC之差。

(2)

图3 不同系统T-s图Fig.3 T-s diagram for different systems

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中，Asol,wf,B、Asol,wf,R分别为布雷顿循环与朗肯循环中工质吸收热能的品位；Asol,B、Asol,R分别为布雷顿循环与朗肯循环中太阳能品位。

(24)

(25)

(26)

(27)

1.2.3 功率增强型ISCC系统燃料节省因子

(28)

将式(28)代入式(1)，可得到功率增强型ISCC系统的燃料节省因子为

(29)

压气机的工作状态不变，因此布雷顿循环的功率增强量等于燃气轮机的功率增强量。通过式(5)及式(15)得出：

(30)

式(26)减式(11)，式(25)减式(10)得出：

(31)

通过替换式(29)～(31)，得到功率增强型ISCC系统的燃料节省因子为

(32)

1.2.4 燃料节省型ISCC系统燃料节省因子

使式(4)与式(14)相等，可得：

(33)

将式(33)代入式(1)，得到b类工况下燃料节省型ISCC系统的燃料节省因子为

(34)

(35)

从式(26)中减去式(11)，从式(25)中减去式(10)，可得：

(36)

(37)

将式(35)和式(36)代入式(37)，得到燃料节省型ISCC系统a类和c类工况下的燃料节省因子为

(38)

1.2.5 ISCC系统燃料节省因子的统一表达

由于式(32)和式(38)具有相似的表达式形式，将其通过恒等式转换，则得到ISCC系统燃料节省因子的统一表达式为

(39)

表1 ISCC系统主要参数表达式

2 结果与讨论

2.1 燃料节省因子统一表达式的物理含义

综上所述，统一表达式的主要参数表示由于太阳能投入而造成的每个组件的性能变化，系数λ用于将每个组件的性能参数变化转换为燃料可节省性。

2.2 燃料节省因子的分配效应

图4 分配效应示意Fig.4 Schematic of the "allocation effect" in fuel-savability

2.3 燃料节省因子的叠加效应

本课题组前期工作揭示了太阳能-燃煤互补系统的燃料节省因子中存在叠加效应[24]。本文中该叠加效应概念可进一步推广到ISCC系统中。燃料节省因子的统一表达式(式(39))可转换为基本项ξba、浮动项ξfl及桥接项ξbr之和，即

ξ=ξba+ξfl+ξbr，

(40)

(41)

(42)

2.4 统一表达式中各项之间关系

燃料节省因子的统一表达式(式(39))可转换为以下形式：

ξ=ξB+ξR+ξbr，

(43)

(44)

(45)

各项关系示意如图5所示。燃料节省因子ξ可视为ξB、ξR和ξbr之和或ξba、ξfl和ξbr总和。前1组(ξ=ξB+ξR+ξbr)将能量转换过程作为分类标准。燃料节省能力由布雷顿循环的燃料节省能力、朗肯循环的燃料节省能力和循环之间的燃料节省能力决定，在每个循环中，燃料节省因子由基本项和浮动项组成(式(44)、(45))。后1组(ξ=ξba+ξfl+ξbr)以对系统的影响作为分类标准，燃料节省因子由基本项、浮动项及桥接项组成。

图5 统一表达式各项之间关系示意Fig.5 Schematic of the relationship between terms inthe unified expression of fuel-savability

图6 叠加效应示意Fig.6 Schematic of the "superposition effect" in fuel-savability

2.5 验证燃料节省因子统一表达式

ISCC系统案例计算参数见表2。案例1中的功率增强型ISCC系统将太阳能热能引入朗肯循环中，验证燃料节省因子统一表达式的正确性。根据式(30)， ISCC的燃料节省因子可计算为

(46)

表2 ISCC系统案例计算参数比较

根据统一公式(式(39))计算ISCC的燃料节省因子，该系统的布雷顿循环不受太阳能加入的影响，因此，统一方程可简化为

(47)

根据式(47)和表2，计算ISCC系统的燃料节省因子为0.056 4。提出的节油性统一表达式与参考值的相对偏差为2.545%，验证了本文工作的正确性。

案例2的ISCC系统将太阳能热能引入布雷顿循环。由于案例2中浮动项ξfl较高导致其燃油节省因子较高。案例1中，太阳能引入朗肯循环，而太阳能对于朗肯循环的影响不能溢出到布雷顿循环，因此案例1的桥接项ξbr为0。与之相反，对于案例2，太阳能引入布雷顿循环，进而影响朗肯循环，因此案例2的桥接项ξbr>0。

3 结 论

3)课题组前期工作提出的叠加效应在本文得到扩展，即系统总燃料节省因子由基本项、浮动项和桥接项叠加后综合决定。基本项表明太阳能投入带来的直接效益，浮动项代表太阳能投入对系统中每个主要组件的浮动影响，桥接项代表太阳能投入后隐含的循环间影响。

4)本文工作可为光煤互补电站设计及各类燃煤燃气电站的优化改造提供理论指导，能直接或间接减少化石燃料使用，优化化石燃料使用结构。

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