CN103867411B

CN103867411B - 分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置

Info

Publication number: CN103867411B
Application number: CN201410133674.9A
Authority: CN
Inventors: 李元媛; 杨勇平; 袁晶
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN103867411A

Abstract

本发明属于太阳能与燃气轮机联合发电技术领域，特别涉及一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置。本发明利用DSG太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器并加热给水，产生的高压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机高压缸中做功；利用热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器并加热给水，产生的低压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机低压缸中做功。本发明实现了低品位太阳能热转功效率的提高，降低了成本，减少了化石能源消耗及相应的CO₂排放，同时，实现了太阳能与化石能源的互补和综合梯级利用。

Description

分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置

技术领域

本发明属于太阳能与燃气轮机联合发电技术领域，特别涉及一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置。

背景技术

目前与本发明相关的技术主要包括中低温太阳能热利用技术、太阳能直接蒸汽发生技术（DSG技术）和热管式真空管技术，其各自技术的发展状况及特征如下：

1.中低温太阳能热利用技术:

以化石燃料为主的能源利用结构为人类的生存与发展起到了关键性作用，但也伴随着能耗与污染等棘手问题。全世界已探明的石油、天然气、煤炭等化石燃料资源只能使用几百年。为了满足持续发展的需求，必须探索新的能源，不断增加清洁的可再生能源利用，以逐渐减少对化石能源的依赖及其对环境的污染。太阳能以其清洁、可再生等特点而被广泛关注，国内外很多学者认为太阳能热发电是解决未来能源问题的最有前景的技术，有可能成为中长期的主力能源。

槽式太阳能热发电系统是通过槽式聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装管状吸热器吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。从20世纪80年代初各国就开始积极发展槽式太阳能热发电技术，美国、西欧、以色列、日本发展较快。美国加州的SEGS电厂是全球首座商业化运行的槽式太阳热发电厂，并运行至今。目前槽式太阳能热发电技术经历了数十年的应用历史，其技术成熟可靠，能有效降低碳排放和节约化石燃料。

由于太阳能的不稳定性，单纯的槽式太阳能发电站效率低且蓄热设备成本高。无论从传统化石能源发电，还是单纯的太阳能热发电来看，太阳能与化石能源互补综合利用，对缓解他们面临的难题、减少化石能源消耗与环境污染以及降低太阳能应用风险等都是有利的。太阳能辅助燃煤发电系统的研究，最早始于澳大利亚Eric Hu课题组。太阳能辅助燃煤发电系统是将太阳能与常规燃煤火力发电机组相耦合，太阳能集热场起到加热给水的作用，用以替代部分燃煤消耗，在减小燃料消耗的同时不改变或增加机组发电量。通过将太阳能集热场与常规燃煤电厂结合，可以省去太阳能热发电中的蓄热及补燃系统，从而达到大幅度降低发电成本、实现连续稳定发电的目的。

槽式太阳能燃气轮机联合循环热发电系统（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）是将槽式太阳能热发电系统与燃气轮机发电系统相结合，最初由Luz提出。ISCC发电技术利用燃气轮机余热来为太阳能作补充，燃气轮机余热用于预热给水和提高太阳能产生的蒸汽温度，以提高朗肯循环的出力，优化能源发电效率。在太阳能充足的条件下，ISCC系统以太阳能和燃气轮机联合循环互补方式运行；在太阳能不足的条件下（多云或夜间），ISCC系统以传统燃气轮机联合循环系统运行。与传统槽式太阳能电站相比，ISCC系统具有以下优点：（1）ISCC系统的发电热效率高；（2）ISCC系统避免了蓄热装置，大大降低了成本；（3）ISCC系统减少了机组的频繁启停，从而延长机组的使用寿命。

世界范围内，这种槽式太阳能燃气轮机联合循环发电站目前已有埃及的Kuraymat项目、美国的Martin Next Generation Solar Energy Center项目和摩洛哥的AinBeniMather项目等投入运行，并取得了极大的成功。伊朗Yazd投运的467MW太阳能热互补的联合循环电站也是世界上最早运行的ISCC电站之一，其中太阳能净发电功率为17MW。阿尔及利亚北部Hassi地区的500MW ISCC电站，于2009年开始建设，由150MW联合循环机组及其抛物槽式太阳能聚光装置（太阳镜18万m²，25MW）组成，太阳能主要用于汽轮机循环部分。摩洛哥东部的ISCC电站机组总容量250MW，太阳能额定负荷20MW，最大负荷30MW，太阳镜场面积22.6万m²，全年发电量17.8亿kWh。2007年埃及在Kuraymat建设一座150MW ISCC电站，其太阳镜场面积22万m²，燃气轮机容量80MW，汽轮机70MW（带太阳能发电）和38MW（不带太阳能发电），全年发电量9.8亿kWh，实际太阳能利用效率达到28.7%。我国太阳能热发电发展晚于国外，但越来越受到国家的重视。国内首座ISCC电站—宁夏盐池哈纳斯槽式太阳能燃气轮机联合循环发电站于2011年10月开工建设，计划2013年10月建成投产。建成后，年发电量约3.04×108kWh，相当于每年节约标准煤10.4万吨，与相同年发电量的常规火力发电厂相比，每年减少二氧化碳排放量21万吨。

J.Dersch将ISCC系统、槽式太阳能热发电系统、联合循环系统进行了对比，指出在设计工况下，ISCC系统的发电效率可达68.6%，联合循环系统为56.5%，而槽式太阳能热发电系统仅为34.7%。在太阳能调度模式下，ISCC系统的CO₂排放量比传统联合循环电站小，并且ISCC系统的发电成本（Levelized energy cost，LEC）低于单纯槽式太阳能热发电站。M.Horn等为在埃及建造的ISCC电站进行了技术评估和经济可行性研究，文中提出了两种耦合系统，这两种系统均将太阳能收集的热量用于燃气轮机联合循环的底部蒸汽循环，但其太阳能集热器不同，一种采用了抛物面槽式太阳能集热器，另一种采用了PHOEBUS的塔式空气接收器，分析得出这两种系统的成本均低于单纯太阳能热发电站。M.A.H.El-Sayed提出了评估ISCC电站经济性的方法，并利用此方法为在埃及建造的2×l30MW的ISCC电站进行了经济性评估，分析得出当太阳能集热器成本下降至74%、燃气价格涨至166%，CO₂的减排成本达到15$/t-C时，这种ISCC电站是经济的。

2.太阳能直接蒸汽发生技术（DSG技术）：

传统ISCC系统采用HTF（Heat Transfer Fluid）太阳能集热场，太阳能将管内的导热油加热后，流经换热器加热水以产生蒸汽。Zarza在1996年最初提出了DISS（Direct Solar Steam）工程，这是一项先进的太阳能直接蒸汽发生技术（DSG技术）。太阳能直接蒸汽发生系统将预热的给水直接转化为饱和蒸汽，并且产生的蒸汽温度高，同时，减少了油-水换热时的能量损失，所以系统的效率较高。这种装置避免了中间油水换热设备，降低了成本，研究表明集成DSG技术的太阳能电厂的发电成本可以降低10%。

Nezammahalleh研究了三种系统：太阳能直接蒸汽发生系统与燃气轮机联合循环匹配组成的ISCC-DSG系统，单纯槽式太阳能热发电系统，以导热油为传热工质的槽式太阳能集热场与燃气轮机联合循环集成的ISCC-HTF系统。研究表明，ISCC-DSG系统的净效率比ISCC-HTF系统的净效率高；ISCC-DSG的CO₂排放量比ISCC-HTF系统低2.5%；ISCC-DSG的发电成本（Levelized Energy Cost,LEC）最低。Montes研究了由燃气轮机与太阳能直接蒸汽发生系统匹配组成的ISCC-DSG系统的性能，该装置将太阳能直接蒸汽发生系统与高压蒸汽轮机底循环集成，对阿梅利亚和拉斯维加斯两个地方的ISCC电站进行全年性能模拟。经济性分析发现，这是可以降低聚光式太阳能发电成本的有效方法，同时指出系统是否能够降低成本与ISCC系统中太阳能的匹配密切相关。

3.热管式真空管技术：

热管式真空管太阳能集热器被认为是继闷晒式、平板式、全玻璃真空管集热器后的第四代太阳能集热产品，在太阳能领域得到了广泛的应用。热管式真空管太阳能集热器以其优良的结构性能和安全可靠的运行模式，正在替代其它类型的太阳能集热器产品，并逐渐成为太阳能热水器市场的主流。

热管式真空管集热器由热管式真空管组成。热管是一种利用汽化潜热高效传递热能的强化传热原件，热管的蒸发段在下部，冷凝段在上部。当太阳光照射到热管的蒸发段时,热管内部的工质受热沸腾汽化，蒸汽上升至冷凝段，在此放出汽化潜热冷凝为液体，冷凝工质沿管壁回流至蒸发段，完成一个循环。冷凝段把获得的汽化潜热传导给水箱中的水，使水温上升。

国内对热管式真空管及其集热器的研究始于1986年。北京太阳能研究所何梓年等在早期研究了热管式真空管及其集热器的基本结构、工作原理、制造方法、热性能分析、热性能测定方法等内容。中科院王志峰对比研究了热管式真空管集热器和平板型太阳能集热器，研究发现，热管式真空管集热器的最高效率略低于平板型太阳能集热器，但是随着集热温度升高，热管式真空管集热器的集热效率波动较小，并稳定在较高的水平。

与闷晒型、平板型和全玻璃真空管集热器相比，热管式真空管具有启动快、可靠性强、承压性能好、传热性能好等特点。与聚光式集热器相比，这种非聚光式集热器可以聚集全部太阳辐射，包括太阳直射辐射和散射辐射，而聚光式集热器只能接收70%的直射辐射，所以热管式真空管集热器可实现更高效的太阳能转功；且真空管集热器成本低、占地面积小，所以热管式真空管集热器有更好的热力性能和经济性能。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置，以实现太阳能热转功效率的提高，降低成本，减少化石能源消耗及相应的CO₂排放，并实现太阳能与化石能源的互补和综合梯级利用，为太阳能的高效利用提供了新的低成本的选择。

本发明所述的方法采用了以下技术方案：

将不同种类的太阳能集热器按其集热品位的不同分别与动力子系统各个热力过程相耦合，利用DSG太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器并加热给水，产生的高压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机高压缸中做功；利用热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器并加热给水，产生的低压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机低压缸中做功。

本发明还提供了一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置，具体方案为：

空气压气机、燃烧室、燃气透平依次连接后，接入余热锅炉的高温烟气入口；

所述余热锅炉的高温烟气入口与低温烟气出口之间依次设置高压过热器、高压蒸发器、高压省煤器、低压过热器、低压蒸发器、低压省煤器；

所述高压过热器的出口与汽轮机高压缸的入口连接，汽轮机高压缸的出口和汽轮机中压缸的入口连接，汽轮机中压缸的出口与汽轮机低压缸的入口连接；汽轮机低压缸的抽汽口与除氧器连接，汽轮机低压缸的出口依次与冷凝器、第三升压泵串联后接入除氧器；除氧器的出口与第一升压泵连接后再接入低压省煤器的入口；

低压省煤器的一个出口与低压汽包连接，另一个出口通过第二升压泵与高压省煤器的入口连接；

热管式真空管集热器的出口、低压蒸发器的出口分别与低压汽包连接；低压汽包的气体出口与低压过热器的入口连接，低压汽包的水出口分别与热管式真空管集热器的入口、低压蒸发器的入口连接；低压过热器的出口与汽轮机低压缸的入口连接；

高压省煤器的出口、DSG太阳能集热器的出口以及高压蒸发器的出口分别与高压汽包连接；高压汽包的气体出口与高压过热器的入口连接，高压汽包的水出口分别与DSG太阳能集热器的入口、高压蒸发器的入口连接。

所述燃气透平与第一发电机连接，汽轮机与第二发电机连接。

所述汽轮机高压缸的出口和汽轮机中压缸的入口之间设置再热器。

在该装置中，给水经除氧后分别被送到余热锅炉的低压省煤器和高压省煤器中加热，经过预热的给水分别进入热管式真空管集热器和DSG太阳能集热器，进一步蒸发生成低压、高压饱和蒸汽，低压、高压饱和蒸汽回到余热锅炉，分别与余热锅炉低压、高压蒸发器产生的饱和蒸汽混合，送到余热锅炉低压、高压过热器中生成过热蒸汽，最后进入汽轮机中做功。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明将不同种类的太阳能集热器按其集热品位的不同分别与动力子系统各个热力过程相耦合，利用DSG太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器，同时，将热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器，产生的蒸汽返回余热锅炉，并最终在汽轮机中实现热功转换。实现了太阳能与化石能源的互补和综合梯级利用。

（2）本发明中，太阳能的热集成改善了余热锅炉的换热匹配，增加了底循环工质的流量，增加了系统的出力，余热锅炉排烟损失可进一步降低，实现了太阳能热转功效率的提高，降低了成本，减少了化石能源消耗及相应的CO₂排放。传统的太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统（ISCC）通常只有一级太阳热能输入，即槽式太阳能热发电系统与动力系统中某一固定的能量转化过程耦合，太阳能发电份额低，过程存在较大的不可逆损失，变工况时，系统性能恶化严重。本发明试图从“分级”的角度出发，寻求不同种类的太阳能集热装置按其工作温度的不同分别与动力系统各个热力过程的品位匹配和梯级互补关系，模拟分析得出：分级式ISCC系统的太阳能热输入份额为27.8%，与相同燃料输入下的传统ISCC系统相比，其太阳能净发电效率和化石燃料节约率分别比传统ISCC系统高7.7%及16.8%；分级式ISCC系统的燃料基发电效率达到74%，比传统ISCC系统及CCGT系统分别高4.5%及31%。基于对热力学第二定律的考虑，分级式ISCC系统效率为60.9%，比传统ISCC系统及CCGT系统分别高4.3%和12.2%。可见，本方法实现了太阳能高效热功转换和系统热力性能的改善。从系统初步经济估算中得出：本发明中系统的发电成本为0.06$/kWh，投资回收期为6.1年，体现出较好的经济性能。

（3）本发明不但实现了太阳能热转功效率的提高，降低了成本，减少了化石能源消耗及相应的CO₂排放，节约能源并有效降低环境污染，还实现了太阳能与化石能源的互补和综合梯级利用。热力性、经济性、环保性俱佳，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的分级式太阳能与燃气轮机联合循环系统互补的装置的示意图。

图中符号：

1-空气压气机；2-燃烧室；3-燃气透平；4-除氧器；5-第一升压泵；6-低压省煤器；7-低压汽包；8-热管式真空管集热器；9-低压蒸发器；10-低压过热器；11-第二升压泵；12-高压省煤器；13-高压汽包；14-DSG太阳能集热器；15-高压蒸发器；16-高压过热器；17-汽轮机高压缸；18-汽轮机中压缸；19-汽轮机低压缸；20-冷凝器；21-第三升压泵；22-余热锅炉；23-第一发电机；24-第二发电机。

具体实施方式

本发明提供了一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供的这种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法及装置，是将不同种类的太阳能集热器按其集热品位的不同分别与动力子系统各个热力过程相耦合，利用太阳能直接蒸汽发生系统（DSG）取代余热锅炉高压蒸发器，同时，将热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器，产生的蒸汽返回余热锅炉，并最终在汽轮机中实现热功转换。

太阳能直接蒸汽发生系统和热管式真空管集热器的应用，增加了太阳能热输入份额，节约了化石能源，实现了太阳能的低成本高品质利用，大大提高了能源的综合利用效率，具有较好的经济及社会效益。

参见图1，本发明提供的这种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置，其结构为：

空气压气机1、燃烧室2、燃气透平3依次连接后，接入余热锅炉22的高温烟气入口；所述余热锅炉22的高温烟气入口与低温烟气出口之间依次设置高压过热器16、高压蒸发器15、高压省煤器12、低压过热器10、低压蒸发器9、低压省煤器6；

所述高压过热器16的出口与汽轮机高压缸17的入口连接，再热器分别与汽轮机高压缸17的出口和汽轮机中压缸18的入口连接（为保持图形简洁，未画出再热器），汽轮机中压缸18的出口与汽轮机低压缸19的入口连接；汽轮机低压缸19的抽汽口与除氧器4连接，汽轮机低压缸19的出口依次与冷凝器20、第三升压泵21串联后接入除氧器4；除氧器4的出口与第一升压泵5连接后再接入低压省煤器6的入口；

低压省煤器6的一个出口与低压汽包7连接，另一个出口通过第二升压泵11与高压省煤器12的入口连接；热管式真空管集热器8的出口、低压蒸发器9的出口分别与低压汽包7连接；低压汽包7的气体出口与低压过热器10的入口连接，低压汽包7的水出口分别与热管式真空管集热器8的入口、低压蒸发器9的入口连接；低压过热器10的出口与汽轮机低压缸19的入口连接；

高压省煤器12的出口、DSG太阳能集热器14的出口以及高压蒸发器15的出口分别与高压汽包13连接；高压汽包13的气体出口与高压过热器16的入口连接，高压汽包13的水出口分别与DSG太阳能集热器14的入口、高压蒸发器15的入口连接。

所述燃气透平3与第一发电机23连接，汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18和汽轮机低压缸19与第二发电机24串联。

各个部件的功能为：

空气压气机1，用于将空气S1升压至Brayton循环的最高压力，形成压缩空气S2输出给燃烧室2；

燃烧室2，用于合成燃料气S3和压缩空气S2发生燃烧反应，得到高温气体S4；

燃气透平3，用于实现高温气体S4膨胀做功；

除氧器4，用于给水S27、给水S30除氧；

第一升压泵5，用于输送给水S6至余热锅炉低压省煤器6；

低压省煤器6，用于将给水S7加热至低压饱和水S8；

低压汽包7，用于汽水的汇集、分离；

热管式真空管集热器8，用于聚集中低温太阳热能并加热饱和水S11至低压饱和蒸汽S12；

低压蒸发器9，用于加热饱和水S9至低压饱和蒸汽S10；

低压过热器10，用于加热饱和蒸汽S13至低压过热蒸汽S14；

第二升压泵11，用于输送给水S15至高压省煤器12；

高压省煤器12，用于将给水S16加热至高压饱和水S17；

高压汽包13，用于汽水的汇集、分离；

DSG太阳能集热器14，用于聚集中温太阳热能并加热饱和水S20至高压饱和蒸汽S21；

高压蒸发器15，用于加热饱和水S18至高压饱和蒸汽S19；

高压过热器16，用于加热饱和蒸汽S22至高压过热蒸汽S23；

汽轮机高压缸17、汽轮机中压缸18、汽轮机低压缸19，用于余热锅炉产生的低压过热蒸汽S14、高压过热蒸汽S23和再热蒸汽S25膨胀做功；

冷凝器20，用于将低压缸排气S28冷凝，以便循环利用；

第三升压泵21，用于接收来自冷凝器20的凝结水S29，并将凝结水送至除氧器4；

余热锅炉22，用于接收燃气发电机组的高温烟气S5和释放热量后的低温烟气S31，利用所述高温烟气S5加热蒸汽发电机组的给水以产生过热蒸汽S14和S23，还利用所述高温烟气S5加热汽轮机高压缸17的排气S24以产生再热蒸汽S25。

本发明的分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的系统，其流程为：给水经除氧后分别被送到余热锅炉的低压省煤器和高压省煤器中加热，经过预热的给水分别进入热管式真空管集热器和DSG太阳能集热器，进一步蒸发生成低压、高压饱和蒸汽，低压、高压饱和蒸汽回到余热锅炉，分别与余热锅炉低压、高压蒸发器产生的饱和蒸汽混合，送到余热锅炉低压、高压过热器中生成过热蒸汽，最后进入汽轮机中做功。

系统流程具体的可描述为：

第三升压泵21将凝结水S29抽出至除氧器4，经除氧器4除氧后的给水S6被分别送到低压省煤器6和高压省煤器12中预热，生成低压饱和水S8和高压饱和水S17；

低压饱和水S8在低压汽包7中，一部分饱和水S9进入余热锅炉低压蒸发器9内蒸发生成低压饱和蒸汽S10，一部分饱和水S11进入热管式真空管集热器8中生成低压饱和蒸汽S12并回到低压汽包7中；

低压饱和蒸汽S10和低压饱和蒸汽S12混合后，送入低压过热器10加热成低压过热蒸汽S14，然后送至汽轮机低压缸19中做功；

高压饱和水S17在高压汽包13中，一部分饱和水S18进入高压蒸发器15内蒸发生成高压饱和蒸汽S19，一部分饱和水S20进入DSG太阳能集热器14中生成高压饱和蒸汽S21并回到高压汽包13中；

高压饱和蒸汽S19和高压饱和蒸汽S21混合后，送入高压过热器16加热成高压过热蒸汽S23，然后送至汽轮机高压缸17中做功，从高压缸出来的排气S24送回余热锅炉22再热产生再热蒸汽S25后再送到汽轮机中压缸18中继续膨胀做功；

冷凝器20将低压缸排气S28冷凝至凝结水S29状态，以便循环利用；

第一发电机23、第二发电机24分别与燃气及蒸汽透平连接，将透平产生的机械功转化为电能输出。

以ASPEN PLUS软件对系统进行模拟，单元模型基于能量守恒、质量守恒和物料守恒。气体及水的物性分别采用RK-SOAVE、STEAM-TA方程。燃气轮机选用GE公司的7FA系列，燃气透平冷却采用空气掺混冷却模型，燃料选用天然气，采用低NO_X燃烧技术。蒸汽动力单元选用双压再热式的汽轮机和余热锅炉，再热循环是为了提高平均做功温度和降低湿度。为了简化模拟，假设燃气轮机全年在额定工况运行。太阳能子系统分别按照DSG太阳能集热器和热管式真空管集热器设计。日照参数采用陕西榆林地区数据，海拔1058m，环境温度恒为25℃，设计点取夏至日正午12时辐照强度800W/m²。系统运行采用太阳能调控模式，在太阳能条件充足时，系统以互补形式运行；在太阳能条件不充足时，系统以传统联合循环方式运行。

具体实施例在设计工况下的模拟基本假设见表1。主要有关条件为：系统稳定运行状况下，燃烧室压损3%；压气机效率88%；高压蒸汽温度和再热蒸汽温度为560℃；余热锅炉节点温差为15℃，最低排烟温度80℃；DSG太阳能集热器设计点集热温度为300℃；热管式真空管集热器设计点集热温度为150℃。

具体实施例设计工况的热力性能如表2，在相同的假设条件下，同时对常规燃气蒸汽联合循环系统CCGT、传统ISCC系统及本发明分级式ISCC系统进行了模拟对比。可见，在相同燃料输入下，分级式ISCC系统的太阳能热输入份额高于传统ISCC系统，其太阳能净发电效率和化石燃料节约率分别比传统ISCC系统高7.7%及16.8%；由于太阳热能输入的增加，余热锅炉产汽量增加，使得分级式ISCC系统的净输出功高于传统ISCC系统及CCGT系统；由于净输出功的增加，分级式ISCC系统的燃料基发电效率升至74%，而传统ISCC系统的燃料基发电效率为70.8%，CCGT系统仅为56.5%。基于对热力学第二定律的考虑，分级式ISCC系统效率为60.9%，比传统ISCC系统及CCGT系统分别高4.3%和12.2%。

从热力性能对比分析中可以看出，分级式太阳能与燃气轮机联合循环系统，将DSG太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器，同时，将热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器，进一步增加了太阳能输入，大大提高了太阳能利用率。并且，太阳能的热集成改善了余热锅炉的换热匹配，增加了底循环工质的流量，增加了系统的出力，余热锅炉排烟损失可进一步降低，提高了能源利用效率。

针对本发明提出的这种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的系统，进行初步的经济性能分析，具体实施例的系统投资估算假设如表3。假设电厂寿命为30年；燃气轮机单元、汽轮机单元及太阳能单元设备占总投资的5%，2%及2%；贴现率i取值8%；天然气价格为7.6$/GJ；电价取0.08$/kWh。表3系统投资估算假设均参考自文献“Conceptual Design and Techno-Economic Assessment ofIntegrated Solar Combined Cycle System with DSG Technology”、“PerformanceAnalysis of an Integrated Solar Combined Cycle Using Direct Steam Generation inParabolic Trough Collectors”和“Zero CO₂Emission SOLRGT Power System”。

分级式ISCC系统经济性能分析见表4。计算表明：所提出的新系统总投资为485.7（10⁶$），比投资为760.3$/kW，发电成本为0.06$/kWh，投资回收期为6.1年，经济性能较好。本发明提出的这种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的系统，不仅增加了太阳热能输入，提高了系统的净出功，还选用了低成本的热管式真空管，降低了发电成本，为太阳能的高效利用提供了新的低成本的选择。

本发明作为一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的系统，解决了单纯太阳能热发电系统能量转换效率低、成本高的问题，实现了太阳能与化石能源的互补和综合梯级利用，提高了太阳能的利用率，并实现了节能减排。热力性、经济性、环保性俱佳，具有广阔的工程应用前景。

表1系统模拟基本假设

表2系统设计点热力性能对比分析

表3系统投资估算假设

表4分级ISCC系统经济性能分析

系统热力性能评价指标如下：

系统热效率定义为：

η_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{f} + Q_{sol}} = \frac{W_{net}}{m_{f} \cdot LHV + Q_{sol}}

假定天然气的化学能约等于其低热值的1.04倍，定义系统效率为：

η_{e} = \frac{W_{net}}{E_{f} + Q_{sol} (1 - T_{0} / T_{sol})} = \frac{W_{net}}{1.04 m_{f} \cdot LHV + Q_{sol} (1 - T_{0} / T_{sol})}

系统燃料基热效率定义为系统发电量与系统所消耗的化石燃料的比值:

η_{f} = \frac{W_{net}}{Q_{f}} = \frac{W_{net}}{m_{f} \cdot LHV}

中低温太阳热能对系统的贡献以太阳热能输入份额表示，定义为输入的太阳热能与系统总热能之比：

X_{sol} = \frac{Q_{sol}}{Q_{f} + Q_{sol}} = \frac{Q_{sol}}{m_{f} \cdot LHV + Q_{sol}}

为了衡量互补系统中太阳能转换为功的性能，定义太阳能净发电效率为：

η_{sol} = \frac{W_{net} - W_{ref}}{Q_{rad}} = \frac{W_{net} - Q_{f} η_{th, ref}}{Q_{rad}}

其中，W_ref为相同化石燃料输入下参比系统的输出功W_ref=Q_f·η_th,ref，η_th,ref为参比系统热效率。选取的两个参比系统分别为常规燃气蒸汽联合循环（CCGT）及传统ISCC系统。Q_rad为考虑集热器损失时的太阳能总投射量，Q_rad=Q_sol/η_col，η_col为集热效率。

化石能源节约率定义为发电量与参比系统相同时，本系统中化石能源相对减少量：

{SR}_{f} = \frac{W_{net} / η_{th, ref} - Q_{f}}{W_{net} / η_{th, ref}} = 1 - \frac{Q_{f} \cdot η_{th, ref}}{W_{net}}

蒸汽循环热效率定义为汽轮机输出与系统总输入热量之比：

η_{steam} = \frac{W_{steam}}{Q_{sol} + Q_{ex}}

其中Q_ex为燃气轮机排烟热量。

系统经济性能评价指标如下：

发电成本（LEC）计算如下：

其中：fcr·C_TPC代表年平均投资，年平均投资系数fcr表示为：

fcr = \frac{i \cdot {(1 + i)}^{n}}{{(1 + i)}^{n} - 1}

其中C_TPC表示设备总投资，C_O&M代表系统年运行维护费用，C_fuel代表年燃料费用，E_net表示系统年发电量。

投资回收期PBP是指这段时间内恰好实现系统总收入与初投资持平：

R·[(1+i)^PBP-1]/[i·(1+i)^PBP]=C_TPC

其中，R为系统年收入：

R=R_e-C_O&M-C_fuel

式中R_e为系统年发电收入。

符号表

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的方法，其特征在于，利用DSG太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器并加热给水，产生的高压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机高压缸中做功；利用热管式真空管集热器取代余热锅炉低压蒸发器并加热给水，产生的低压饱和蒸汽返回余热锅炉过热后送往汽轮机低压缸中做功；

所述方法基于一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置实现，包括：空气压气机(1)、燃烧室(2)、燃气透平(3)依次连接后，接入余热锅炉(22)的高温烟气入口；

所述余热锅炉(22)的高温烟气入口与低温烟气出口之间依次设置高压过热器(16)、高压蒸发器(15)、高压省煤器(12)、低压过热器(10)、低压蒸发器(9)、低压省煤器(6)；

所述高压过热器(16)的出口与汽轮机高压缸(17)的入口连接，汽轮机高压缸(17)的出口和汽轮机中压缸(18)的入口连接，汽轮机中压缸(18)的出口与汽轮机低压缸(19)的入口连接；汽轮机低压缸(19)的抽汽口与除氧器(4)连接，汽轮机低压缸(19)的出口依次与冷凝器(20)、第三升压泵(21)串联后接入除氧器(4)；除氧器(4)的出口与第一升压泵(5)连接后再接入低压省煤器(6)的入口；

低压省煤器(6)的一个出口与低压汽包(7)连接，另一个出口通过第二升压泵(11)与高压省煤器(12)的入口连接；

热管式真空管集热器(8)的出口、低压蒸发器(9)的出口分别与低压汽包(7)连接；低压汽包(7)的气体出口与低压过热器(10)的入口连接，低压汽包(7)的水出口分别与热管式真空管集热器(8)的入口、低压蒸发器(9)的入口连接；低压过热器(10)的出口与汽轮机低压缸(19)的入口连接；

高压省煤器(12)的出口、DSG太阳能集热器(14)的出口以及高压蒸发器(15)的出口分别与高压汽包(13)连接；高压汽包(13)的气体出口与高压过热器(16)的入口连接，高压汽包(13)的水出口分别与DSG太阳能集热器(14)的入口、高压蒸发器(15)的入口连接。

2.一种分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置，其特征在于，空气压气机(1)、燃烧室(2)、燃气透平(3)依次连接后，接入余热锅炉(22)的高温烟气入口；

3.根据权利要求2所述的分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置，其特征在于，所述燃气透平(3)与第一发电机(23)连接，汽轮机高压缸(17)、汽轮机中压缸(18)和汽轮机低压缸(19)与第二发电机(24)串联。

4.根据权利要求2所述的分级式太阳能与燃气轮机联合循环互补的装置，其特征在于，所述汽轮机高压缸(17)的出口和汽轮机中压缸(18)的入口之间设置再热器。