CN108757071A - 一种太阳能-联合循环互补热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能‑联合循环互补热电联产系统，包括发电并产生排气的顶循环系统，顶循环系统的排气进入余热锅炉回收排气中的热量，汽轮机利用余热锅炉回收的热量进一步发电，而供热系统也利用余热锅炉回收的热量供热，还包括太阳能集成系统，该系统利用其内部的蓄热系统对顶循环系统的排气进行稳定地再加热。本发明克服太阳能的间歇性以及不稳定性，延长工厂运行时间，减少系统性能对气象条件的依赖性。

Description

一种太阳能-联合循环互补热电联产系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能-联合循环互补热电联产系统，属于热电联产领域。
背景技术
在冬季供暖期普遍较长的北方地区，由于热电联产机组可以同时产生电、热两种产品，以其高效、环保等优点受到了大力的发展，在电源结构中占有很大比例。供暖热负荷与国民生活至关重要，热电机组作为主要的热源，往往需要优先满足热负荷，存在着“以热定电”工况运行约束，会导致冬季供暖期系统调峰能力下降，甚至无法调峰。
为了解决化石燃料短缺、气候变化和空气污染等问题，太阳能和风能等可再生能源的大量使用提供了有效的解决方案。太阳能与燃气轮机、联合循环以及燃料电池等常规化石燃料燃烧发电系统的集成成为一个新的发展方向。对此，国内外学者纷纷开展了太阳能与常规火电机组互补集成发电技术的研究与开发。结果表明，无论从传统化石能源发电，还是单纯的太阳能热发电来看，太阳能与化石燃料的能源互补与梯级利用可以有效提高系统效率，减少能源消耗与环境污染。同时，由于太阳能的热集成改善了余热锅炉的换热匹配，增加蒸汽循环的蒸汽流量，提高系统发电与供热能力，使得表征机组热负荷与电负荷之间关联耦合关系的热电负荷可行域变大，在一定程度上实现供热机组热电解耦，提高机组的调峰能力与灵活运行能力。
太阳能-联合循环互补系统(ISCC)将聚光太阳能场与燃气-蒸汽联合循环发电系统(NGCC)结合起来，能够实现太阳能高效热功转换，并且与太阳能热电厂相比成本大大降低。以导热油或者熔盐为传热工质(HTF)的抛物面槽式聚光集热系统与联合循环互补组成的ISCC-HTF系统是目前应用最广泛、技术最成熟的系统。传热流体在流经集热系统接收器管内时，吸收太阳能，升高至一定温度，然后通过动力部分中的一系列换热器与蒸汽循环系统的部分工质水进行换热。通过集中式太阳能集热器产生的太阳热能被用于预热以及蒸发水，甚至用于联合循环动力系统中过热驱动蒸汽轮机的部分蒸汽，所需的剩余蒸汽由热回收蒸汽发生器(HRSG)并行产生。在太阳能充足时，ISCC系统以太阳能和燃气-蒸汽联合循环的互补方式运行；在太阳能不足时，ISCC系统以传统燃气-蒸汽联合循环方式运行。
太阳能的一个主要缺点是间歇性，为了克服这个问题，使用热能存储(TES)系统在日照时段储存热量，在太阳辐射弱或者无太阳辐射时释放热量。将TES系统与ISCC系统结合可以延长工厂运行时间，减少系统性能对气象条件的依赖性，提高集成太阳能联合循环的效率以及系统稳定性。同时，在供暖期时也可以利用储存的热量在一定程度上实现热电解耦，提高机组调峰能力。
太阳能与化石燃料的能源互补以及梯级利用可以实现太阳能高效热功转换和系统调峰能力、灵活运行能力的改善，对联合循环电站的太阳能互补改造或者直接建造太阳能-联合循环电站将会成为改变我国能源结构的一种具有可行性的方案。在对原有的NGCC系统进行改造或者设计新建的ISCC系统时需要考虑将太阳能纳入参考NGCC的运行方法。在这种方法中，热电解耦灵活性运行得以实现在于，在机组部分负荷下，太阳能集成系统供有的热量增加了蒸汽循环的蒸汽流量，一方面保证汽轮机纯凝运行时仍在较高负荷，另一方面在汽轮机抽凝与背压运行时提供额外的热源，使得系统的供热能力提升，表征机组热负荷与电负荷之间关联耦合关系的热电负荷可行域变大。由太阳能集热系统产生的蒸汽为供热系统提供热源，保证供相同热量的情况下使得机组的最小出力得以降低，通过太阳能的热集成解耦供热机组的“以热定电”约束实现灵活运行，大幅度提高调峰能力。
传统的ISCC系统中，抛物面槽集中式太阳能集热器与蒸汽系统中某一固定的能量转化过程耦合，考虑到太阳能的间歇性以及不稳定性影响，系统性能对气象条件的依赖性较大，变工况时性能有所下降。为克服太阳能的间歇性以及不稳定性，考虑蓄热与ISCC系统结合可以实现全工况下运行策略的调整。在太阳辐射弱或者无太阳辐射时释放热量以减少系统性能对气象条件的依赖性，提高ISCC系统的经济性以及灵活性。
发明内容
发明目的：本发明提出一种太阳能-联合循环互补热电联产系统，充分利用太阳能与化石燃料的能源互补以及梯级利用，同时实现供热机组的热电解耦，提高机组调峰能力与运行灵活性。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种太阳能-联合循环互补热电联产系统，包括发电并产生排气的顶循环系统，顶循环系统的排气进入余热锅炉回收排气中的热量，汽轮机利用余热锅炉回收的热量进一步发电，而供热系统也利用余热锅炉回收的热量供热，还包括太阳能集成系统，该系统利用其内部的蓄热系统对顶循环系统的排气进行稳定地再加热。
所述蓄热系统包括储能换热器以及热罐、冷罐，在太阳热能过剩时将多余热量储存起来；在太阳热能不足时再把储存的热量提取出来。
所述太阳能集成系统包括抛物面槽集中式太阳能集热器、油-水换热器、膨胀罐、循环泵和蓄热系统，
传热流体介质将抛物面槽集中式太阳能集热器收集的热量传送到油-水换热器，交换给余热锅炉中的给水，再经过膨胀罐和循环泵回到抛物面槽集中式太阳能集热器。
所述余热锅炉包括三条给水通路：
一路给水由上至下依次流经低压汽包，、低压蒸发器以及低压过热器后，生成的低压过热蒸汽与中压缸的排汽混合后进入低压缸；其中低压汽包将水与汽分离，低压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被低压过热器加热成低压过热蒸汽；
另一路给水由中压给水泵升压后，依次流过中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器以及中压过热器后生成中压过热蒸汽，再与高压缸的排汽混合后进入再热器再加热，生成的再热蒸汽进入中压缸；其中中压汽包将水与汽分离，中压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被中压过热器加热成中压过热蒸汽；
还有一路给水由高压给水泵升压后，依次流经高压省煤器I、高压省煤器II、高压省煤器III、高压汽包、高压蒸发器以及高压过热器后生成高压过热蒸汽并进入高压缸；其中高压汽包将水与汽分离，高压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被高压过热器加热成中压过热蒸汽。
所述汽轮机包括高压缸、中压缸和低压缸，高压过热器的出口与高压缸入口连接，而高压缸同时又与中压过热器的出口以及再热器入口连接；再热器的出口与中压缸的入口连接，而中压缸出口又与低压过热器的出口连接，低压缸的入口通过第一调节阀也与中压缸出口连接，低压缸的出口依次与凝汽器和低压给水泵串联后接入低压省煤器，中压缸出口以及低压过热器出口一同通过第二调节阀连接至热网换热器，而热网换热器的出口又通过热网升压泵接入低压省煤器。
所述顶循环系统包括压气机、燃烧室、燃气轮机和第一发电机，其中燃气轮机带动第一发电机发电并产生排气。
有益效果：本发明将太阳能集热器按其集热品位与联合循环热力过程相耦合，利用抛物面槽集中式太阳能集热器取代高压蒸发器。太阳能的热集成改善了余热锅炉的换热匹配，有效提高太阳能热输入份额与热电转换效率，减少化石燃料消耗与环境污染，实现了太阳能与燃气-蒸汽联合循环的能源互补与综合梯级利用。
通过太阳能的热集成解耦供热机组的“以热定电”约束实现灵活运行，大幅度提高机组调峰能力。
本发明采用蓄热(TES)系统与ISCC系统结合，克服太阳能的间歇性以及不稳定性，延长工厂运行时间，减少系统性能对气象条件的依赖性，同时，在供暖期时也可以利用储存的热量在一定程度上实现热电解耦，提高机组调峰能力。
附图说明
图1为本发明太阳能-联合循环互补热电联产系统结构示意图；
图2为现有NGCC系统与本发明ISCC系统的热电负荷可行域比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，燃气轮机3带动第一发电机39产生电力。而压气机1、燃烧室2、燃气轮机3和第一发电机39同时也组成了顶循环系统。燃气轮机3排出的气体仍然具有一定的温度，因此燃气轮机3的排气被引入余热锅炉4。燃气轮机3的排气在余热锅炉4的入口烟道中由水平流动转向垂直向上流动，由下而上地进入余热锅炉4，依次冲刷余热锅炉4中各模块的受热面。入口烟道位于余热锅炉4底部。
所述余热锅炉4由入口烟道向上依次设有再热器20、高压过热器19、高压蒸发器18、高压省煤器Ⅲ17、中压过热器16、高压省煤器II15、中压蒸发器14、低压过热器13、高压省煤器Ⅰ12、中压省煤器11、低压蒸发器8和低压省煤器7。
所述高压过热器19的出口与汽轮机的高压缸21入口连接，而高压缸21同时又与中压过热器16的出口以及再热器20入口连接。再热器20的出口与汽轮机的中压缸22的入口连接，而中压缸22出口又与低压过热器13的出口连接。汽轮机的低压缸23的入口通过第一调节阀25也与中压缸22出口连接。低压缸23的出口依次与凝汽器5和低压给水泵6串联后接入低压省煤器7。低压省煤器7的一个出口又与低压汽包38相连，而其另外两个出口分别通过中压给水泵9和高压给水泵10连接到中压省煤器11和高压省煤器I12。
汽轮机的中压缸22出口以及低压过热器13出口一同通过第二调节阀26连接至热网换热器27，而热网换热器27的出口又通过热网升压泵28接入低压省煤器7。热网换热器27与第二调节阀26组成供热系统。
抛物面槽集中式太阳能集热器33的出口与油-水换热器37的热流体入口相连，油-水换热器37的热流体出口依次与膨胀罐31和循环泵32串联后接入抛物面槽集中式太阳能集热器33的入口。高压省煤器III17的出口同时与油-水换热器37的冷流体入口以及高压汽包29的入口连接。油-水换热器37的冷流体出口和高压汽包29的出口一同接入高压过热器19的入口。抛物面槽集中式太阳能集热器33还与储能换热器34连接，而储能换热器34同时连接着冷罐35和热罐36。抛物面槽集中式太阳能集热器33、油-水换热器37、膨胀罐31、循环泵32和蓄热系统组成太阳能集热系统，而蓄热系统由储能换热器34、冷罐35和热罐36组成。
本实施例燃气轮机3采用SGT5-4000F(+)型燃气轮机，空气在压气机中压缩后进入燃烧室内与燃料混合燃烧，生成高温高压烟气流入燃机透平做功，接着排入三压、再热、无补燃、自然循环的余热锅炉。在余热锅炉之外还设有汽轮机。
汽轮机的低压缸23排出的蒸汽，经过凝汽器5冷凝以及低压给水泵6初步升压后形成给水从顶端进入余热锅炉4中。给水首先经过余热锅炉4中的低压省煤器7后分为三路。
一路给水由上至下依次流经低压汽包38，、低压蒸发器8以及低压过热器13后，生成的低压过热蒸汽与中压缸22的排汽混合后进入低压缸23。其中低压汽包38将水与汽分离，低压蒸发器38将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被低压过热器13加热成低压过热蒸汽。
另一路给水由中压给水泵9升压后，依次流过中压省煤器11、中压汽包30、中压蒸发器14以及中压过热器16后生成中压过热蒸汽，再与高压缸21的排汽混合后进入再热器再加热，生成的再热蒸汽进入中压缸22。其中中压汽包30将水与汽分离，中压蒸发器14将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被中压过热器16加热成中压过热蒸汽。
还有一路给水由高压给水泵10升压后，依次流经高压省煤器I12、高压省煤器II15、高压省煤器III17、高压汽包29、高压蒸发器18以及高压过热器19后生成高压过热蒸汽并进入高压缸21。其中高压汽包29将水与汽分离，高压蒸发器18将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被高压过热器19加热成中压过热蒸汽。
高压省煤器Ⅲ17排出的给水又分为两股，一股给水如上所述，流经高压汽包29、高压蒸发器18以及高压过热器19后生成高压饱和蒸汽，另一股给水流经油-水换热器37，吸收来自太阳的热量生成高压饱和蒸汽，与高压汽包29产生的高压饱和蒸汽混合后一起流入高压过热器19。传热流体介质在油-水换热器37的热流体回路中循环，并在油-水换热器37中释放热量。释放热量后传热流体介质流经膨胀罐31和循环泵32后进入抛物面槽集中式太阳能集热器33，再次吸收太阳热能形成高温的传热流体介质进行循环。同时，系统配置有蓄热系统，在太阳热能过剩时将传热流体介质中多余热量发送到TES回路并且加热从冷罐通过热罐的热传导流体(HTF)，将热量蓄热在热罐36中，在太阳热能不足时蓄热系统发生相反的过程，提取热罐36中的热量以生产电力。由于本发明中太阳能集成系统产生的蒸汽温度约为393摄氏度，所以将其安排与高压蒸发器18交换热量。
燃气轮机3透平通过轴连接第一发电机39将机械能转变为电能。汽轮机的低压缸23通过轴连接第二发电机24，也将机械能转换为电能。
抛物面槽集中式太阳能集热器33东西方向布置，采用EuroTrough PTC集热器，燃料选用西气东输天然气，日照参数采用华北某地区数据，太阳能场设计基于850W/m2的直接太阳辐射假设，环境温度为15℃。Therminol VP1型导热油作为抛物面槽式聚光集热系统的传热工质，集热温度为393℃，硝酸钾与硝酸钠配比为4:6的二元盐熔盐作为蓄热介质，熔点在220℃左右，运行温度范围在286℃～550℃。
具体在设计工况下的模拟基本假设见表1。
表1系统模拟基本假设
保持原有NGCC系统中燃气轮机、余热锅炉、蒸汽系统各设计参数不变，添加抛物面槽式聚光集热系统，以20MW为设计容量研究集成方案的性能表现。具体实施例设计工况的热力性能见表2。由表2可得，在燃机最大出力工况下，将太阳能集成到联合循环的ISCC系统太阳能场效率为86.20％，太阳能热电效率与太阳能净热电效率分别为46.22％与40.46％，太阳能辐射电效率与太阳能净辐射电效率分别为39.84％与34.88％，太阳能集热器面积与标准化面积分别为81740m2与82060m2。ISCC系统与NGCC系统相比，由于太阳能的输入，余热锅炉产汽量增加，汽机出力增加，燃机功率不变，综合结果使得系统总出力增加20MW。化石燃料节约率为8.55％，燃料基发电效率从57.60％升高至60.30％，蒸汽循环效率从37.10％升高至38.00％，从分析的角度，效率从55.47％升高至56.26％。从环保角度看，改造后系统的CO2排放量减少4.4％，当考虑太阳能领域的等效CO2排放时，减少量为3.2％。
表2系统设计工况热力性能对比分析
从热力性能对比分析中可以看出，ISCC系统将太阳能集热器取代余热锅炉高压蒸发器，太阳能的热集成改善了余热锅炉的换热匹配，增加蒸汽循环的蒸汽流量，增加系统出力，提高系统发电与供热能力，降低余热锅炉排烟损失，提高能源利用率。
系统热力性能评价指标如下：
太阳能发电量Wsol定义为相同化石燃料输入下ISCC系统比参比系统的总出力增量：
Wsol＝WISCC-WNGCC＝WISCC-GN×LHV×ηcc,ref
式中
WISCC、WNGCC——ISCC系统与参比NGCC系统总出力，MW；
ηcc,ref——参比NGCC系统热效率；
GN——天然气质量流量，t/s；
LHV——天然气低位热值，kJ/kg。
太阳能辐射电效率ηsol_rad_ele为：
式中
Qsol,rad——太阳能辐射热量，MW。
太阳能热电效率ηsol_th_ele为：
式中
Qsol,th——太阳能有效集热量，MW。
太阳能场效率ηsol_field为：
化石能源节约率SRf定义为发电量与参比系统相同时，化石能源相对减少量：
燃料基发电效率ηf定义为系统发电量与系统所消耗的化石燃料的比值：
燃机效率ηgt为：
式中
Pgt——燃机出力，MW。
蒸汽循环效率ηsteam为：
式中
Pst——汽机出力，MW；
Qex——燃机排烟热量，MW。
ISCC系统热效率ηISCC为：
ISCC系统输入包括燃料能量和太阳能，由于两者能量品质不同，所以效率ηex_ISCC更能反映系统能量的利用情况。此处假设天然气的化学能约为其低热值的1.04倍。Exsol,rad是太阳辐射根据Petela方法计算可得。其中，Ts是太阳温度(5762K)，Tamb是环境温度(288K)。
使用以下两个指标计算总体ISCC的CO2排放：仅考虑来自燃气轮机的CO2排放；还考虑了太阳能领域的等效CO2排放。其中是燃气轮机中甲烷燃烧产生的CO2排放量，因子100(gCO2/kWh)代表太阳能领域的等效CO2排放量。
图2是传统NGCC系统与本发明提供的ISCC系统的热电负荷可行域比较，以说明ISCC系统运行方法的改进。ISCC系统中，在燃机部分负荷(75％～100％负荷)运行时，太阳能的热集成增加了蒸汽循环的蒸汽流量，使得汽轮机出力基本维持不变，由于低压缸最小蒸汽流量的限制，机组最大供热量也基本保持不变，对应图2中的CC’段；在燃机部分负荷(30％～75％负荷)运行时，由于太阳能集热容量的限制，汽轮机的负荷逐渐也在逐渐下降，机组最大供热量随之下降，对应图2中的C’D’段；当燃机在30％负荷时，随着太阳能集热量的逐渐降低，机组的出力以及供热能力随之减小，直至传统的NGCC系统运行，对应图2中的D’D段。点E、F、G、H分别表示NGCC机组在燃机负荷率为100％、75％、50％与30％时的背压运行情况。点F’、G’、H’分别表示ISCC机组在燃机负荷率为75％、50％与30％时的背压运行情况。NGCC系统抽凝运行时热电负荷可行域为ABDCA所围区间，ISCC系统抽凝运行时热电负荷可行域为ABDD’C’CA所围区间。NGCC系统背压运行时热电负荷满足由点E、F、G、H连成的折线关系，ISCC系统背压运行时热电负荷可行域为EFGHH’G’F’所围区间。可以看出，对于某个供热水平h，NGCC系统中机组发电功率只可在PN～PM之间调节；而ISCC系统中可允许机组发电功率在PO～PM之间调节，可见ISCC系统可明显提高热电联产机组的调峰能力。

Claims (6)

1.一种太阳能-联合循环互补热电联产系统，包括发电并产生排气的顶循环系统，顶循环系统的排气进入余热锅炉回收排气中的热量，汽轮机利用余热锅炉回收的热量进一步发电，而供热系统也利用余热锅炉回收的热量供热，其特征在于：还包括太阳能集成系统，该系统利用其内部的蓄热系统对顶循环系统的排气进行稳定地再加热。
2.根据权利要求1所述的太阳能-联合循环互补热电联产系统，其特征在于：所述蓄热系统包括储能换热器以及热罐、冷罐，在太阳热能过剩时将多余热量储存起来；在太阳热能不足时再把储存的热量提取出来。
3.根据权利要求2所述的太阳能-联合循环互补热电联产系统，其特征在于：所述太阳能集成系统包括抛物面槽集中式太阳能集热器、油-水换热器、膨胀罐、循环泵和蓄热系统，
传热流体介质将抛物面槽集中式太阳能集热器收集的热量传送到油-水换热器，交换给余热锅炉中的给水，再经过膨胀罐和循环泵回到抛物面槽集中式太阳能集热器。
4.根据权利要求1所述的太阳能-联合循环互补热电联产系统，其特征在于：所述余热锅炉包括三条给水通路，
一路给水由上至下依次流经低压汽包，、低压蒸发器以及低压过热器后，生成的低压过热蒸汽与中压缸的排汽混合后进入低压缸；其中低压汽包将水与汽分离，低压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被低压过热器加热成低压过热蒸汽；
另一路给水由中压给水泵升压后，依次流过中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器以及中压过热器后生成中压过热蒸汽，再与高压缸的排汽混合后进入再热器再加热，生成的再热蒸汽进入中压缸；其中中压汽包将水与汽分离，中压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被中压过热器加热成中压过热蒸汽；
还有一路给水由高压给水泵升压后，依次流经高压省煤器I、高压省煤器II、高压省煤器III、高压汽包、高压蒸发器以及高压过热器后生成高压过热蒸汽并进入高压缸；其中高压汽包将水与汽分离，高压蒸发器将分离出来的液体进一步蒸发成蒸汽，再被高压过热器加热成中压过热蒸汽。
5.根据权利要求4所述的太阳能-联合循环互补热电联产系统，其特征在于：所述汽轮机包括高压缸、中压缸和低压缸，高压过热器的出口与高压缸入口连接，而高压缸同时又与中压过热器的出口以及再热器入口连接；再热器的出口与中压缸的入口连接，而中压缸出口又与低压过热器的出口连接，低压缸的入口通过第一调节阀也与中压缸出口连接，低压缸的出口依次与凝汽器和低压给水泵串联后接入低压省煤器，中压缸出口以及低压过热器出口一同通过第二调节阀连接至热网换热器，而热网换热器的出口又通过热网升压泵接入低压省煤器。
6.根据权利要求1所述的太阳能-联合循环互补热电联产系统，其特征在于：所述顶循环系统包括压气机、燃烧室、燃气轮机和第一发电机，其中燃气轮机带动第一发电机发电并产生排气。
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