新型太阳能与燃气轮机联合循环互补系统性能研究

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1、中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文编号：151225新型太阳能与燃气轮机联合循环互补系统性能研究刘仁志，李元媛，杨勇平（华北电力大学，北京102206）(Tel:15210390189,Email:marryliyuanyuan@126.com)摘要太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统(ISCC)，实现了低品位太阳热能的高效热功转换及与化石燃料互补的梯级利用，以及一定的污染物减排。本文提出了一种新型太阳能与燃气轮机联合循环互补系统，将太阳能直接蒸汽发生系统(DSG)、热管式真空管集热器按其集热品位的不同分别

2、与动力子系统各个热力过程相耦合，旨在实现不同品位的太阳热能与燃气轮机联合循环的梯级互补，降低成本，达到高效利用中低温太阳能及节能减排的双重目的。关键词太阳能与燃气轮机联合循环；直接蒸汽发生系统；热管式真空管；系统集成；0前言随着人类社会的高速发展，能源紧缺的问题越来越明显，且燃烧化石能源所带来的环境污染问题已经不能忽视。太阳能相对于传统化石能源具有开发潜力大、清洁环保、可持续利用的优势，能有效解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题，许多国家都将其视为战略性替代能源。由于太阳能的不稳定性，单纯的太阳能发电

3、站因效率低且蓄热设备成本高一直阻碍其进一步的商业化发展。太阳能热与常规化石能源结合的动力系统是一种新型的互补发电模式，可以有效缓解化石能源消耗与环[1]境污染，为此，太阳能与化石能源互补的热发电系统得到了广泛关注。相比于常规的燃煤发电系统，燃气轮机联合循环系统具有建设周期短、运行可靠性[2]高、水资源消耗少、环境污染少、能源转换效率高等优点，成为电力行业发展的主要趋势之一。为了进一步降低化石能源使用，减少污染物排放，并寻求高效利用太阳热能的有效途径，太阳能燃气联合循环系统应运而生。太阳能燃气联合循环系统(Integrated

4、SolarCombinedCycle,ISCC)是在燃气轮机联合循环系统的基础上集成太阳能热利用的系统。根据太阳能集热场的不同主要分两种形式：以导热油(HeatTransferFluid,HTF)为传热介质的太阳能集热场与燃气轮机联合循环的耦合，以及太阳能直接蒸汽发生系统[3](DirectSteamGeneration,DSG)与燃气轮机联合循环的耦合。以导热油(HTF)为传热介[4]质的系统相对复杂，维护费用较高且系统运行安全性较低。集成DSG技术的ISCC-DSG系统中，给水流经太阳能集热器直接被加热生成饱和蒸汽，避免

5、了中间油水换热设备，降低了成本，减少了油-水换热时的能量损失，因此集成DSG技术的ISCC-DSG系统具[5]有热效率高、发电成本低的特点，是槽式发电的新方向。世界范围内，这种槽式太阳能-燃气联合循环发电站目前已有埃及的Kuraymat项目、美国的MartinNextGeneration资助项目：国家自然科学基金(No.51406049)。作者简介：李元媛（女，博士，主要从事系统集成方面的研究）。SolarEnergyCenter项目和摩洛哥的AinBeniMather项目等投入运行，并取得了极大的成功。国内首座ISCC电

6、站—宁夏盐池哈纳斯槽式太阳能-燃气联合循环发电站于2011年[6]10月开工建设，由宁夏哈纳斯集团投资建设，并致力于打造亚洲首个ISCC示范工程。太阳能直接蒸汽发生装置(DSG)与燃气轮机循环组成的DSG型太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统，实现了低品位太阳热能的高效热功转换以及与化石燃料互补的梯级利用，系统中太阳能的引入替代了部分化石燃料，也同时实现了相应的污染物减排，显示出良好的热力性能。为了降低投资成本，进一步实现中低温太阳热能的低成本、高效热功转换，本文提出了一种新型太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统，并对其进行

7、了热力、经济性能分析。该系统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与余热锅炉低压蒸发器耦合，产生的饱和蒸汽返回余热锅炉进一步加热生成过热蒸汽，并最终在汽轮机中实现热功转换。本系统的提出，旨在实现不同品位的太阳热能与燃气轮机联合循环的梯级互补，减少化石能源消耗及相应的CO2排放，同时，实现低品位太阳热能的低成本高效热功转换。1新型ISCC系统流程介绍传统的太阳能与燃气轮机联合循环互补发电系统(ISCC)

8、通常只有一级太阳热能输入，即太阳热能与动力系统中某一与之集热品位匹配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，变工况运行时，系统性能降低。新型ISCC系统根据不同类型的太阳能集热装置特性，实现其与燃气轮机联合循环系统的梯级互补，将太阳能直接蒸汽发生系统(DSG)与高压