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太阳能互补联合循环系统典型日变工况特性研究

发布时间:2021-12-17 16:57所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:太阳能互补联合循环(ISCC)具有清洁高效等优势,对其运行特性开展深入研究对于推动能源结构调整和增加太阳能发电比例具有重要意义。基于四个典型日的气象数据,通过对ISCC系统变工况的建模,分析了ISCC系统在四个典型日不同负荷下的热力特性,结果表明:SCC系统顶

  摘要:太阳能互补联合循环(ISCC)具有清洁高效等优势,对其运行特性开展深入研究对于推动能源结构调整和增加太阳能发电比例具有重要意义。基于四个典型日的气象数据,通过对ISCC系统变工况的建模,分析了ISCC系统在四个典型日不同负荷下的热力特性,结果表明:SCC系统顶循环任一工况的性能与环境温度相关:环境温度升高,顶循环功率、效率下降;底循环任一工况的性能与太阳辐照强度相关太阳能辐照越强,其替代高压蒸发器所引起的扩容效果越明显,底循环主蒸汽参数越高,排烟温度越低;光电效率方面夏至日最高,冬至日最低,且随着环境温度的降低或DNI的升高而升高;对于整个ISCC系统而言,效率与DNI大小正相关,夏至日系统整体运行效率最优,而冬至日系统整体发电功率最大。

  关键字:太阳能,联合循环,变工况,典型日,热力性能

太阳能论文

  0引言

  燃气轮机联合循环在电网中充当调峰的角色,较燃煤机组来说,调负荷能力强,排放污染极低,对联合循环机组进行集成研究,以进一步提高其性能,对于节约燃料消耗量具有重要的意义。而太阳能作为一种占比最大的可再生能源,其充分应用于发电行业可以有效的降低碳排放、缓解环境污染问题,把太阳能集成到常规联合循环电站的太阳能互补联合循环(ntegratedSolar CombinedCycle,ISCC)一方面可降低应用可再生能源的投资规模,另一方面也有助于减少一次能源投入、降低碳排放1,2。

  近年来,国内外学者针对不同类型的ISCC系统开展多方面的研究。文献通过ISCC系统与太阳能发电(olarenergypowergeneration,SEG)系统和燃气轮机联合循环(asturbinecombinedcycle,GTCC)系统对比分析得出ISCC系统在经济性和节能增效方面更具有优势;文献提出了一种新型的双级替代的ISCC系统,通过对其热力性能和经济性的分析,论证了该新系统的可行性和优势点;文献通过先进㶲分析方法对ISCC系统的㶲损进行分析,得出燃烧室和太阳能场是整个系统㶲损较大的两个部件。

  文献对比分析了三种不同换热工质的槽式太阳能ISCC互补系统,相较于导热油和压缩空气而言,直接蒸汽发生器(Directsteamgeneration,DSG)型互补系统在效率和经济性上表现更优;文献比较分析了五种不同的气象条件下太阳能互补联合循环系统的系统性能,得出榆林市为最佳集成地区,同时给出了热力性能最优的条件下太阳倍数和环境温度分别为1.25和10℃;文献比较了三种不同的集成部位下ISCC系统的系统性能,得出部分替代高压省煤器和高压蒸发器的性能最优,同时给出了ISCC系统相对于GTCC系统在热经济方面上的可行性。

  文献通过三种集成方案下余热锅炉排烟温度在不同太阳能集成热量下的变化趋势得出最优的集成方案;文献10研究了有无储能的ISCC系统的最佳太阳能倍数,并指出无储能型ISCC在投资成本方面更占优势;文献11计算了某个390MW的GTCC系统在不改造现有设备的情况下集成太阳能的输出功率上限为19MW,光电效率最大为24%~29;文献12提出了一种新型双朗肯循环ISCC系统,与现有的五种互补系统相比,该系统利用有机朗肯循环对压缩空气进行中间冷却,提高了输出功率和对进气温度的适应性;文献13基于一个100MW的GTCC系统进行太阳能集成研究,得出以15年回报期为限,镜场面积应该设置为80000,同时为了尽早回本应尽量使用更小的镜场面积来集成。

  文献[14]分析了抛物面槽式集热器(PTC)和线性菲涅尔反射器(LFR)两种不同聚光方式的ISCC系统,对比发现槽式ISCC具有更好的集热效果,而菲涅尔式ISCC具有更高的经济可行性。在ISCC的现有研究中,大多数学者更多的是基于设计工况下ISCC的性能分析,然而燃机电厂大部分时候担任调峰任务,顶循环侧负荷波动很大。本文以槽式太阳能辅助由9F级燃气轮机及其对应的余热锅炉组成的GTCC机组作为研究对象,通过EBSILON软件进行仿真,对不同负荷下ISCC机组四个典型日逐时运行特性进行分析。

  1系统介绍

  ISCC系统主要包括燃气蒸汽联合循环(GTCC)系统和太阳能集热器。本文选择F级S109FA的GTCC系统进行互补集成,燃机型号为GE公司的PG9351FA机型,燃机主要由18级轴流式压气机、18个低NOX燃烧器和三级抽气冷却燃机透平组成,燃气轮机为单轴结构,与发电机直联,燃料选择天然气;底循环侧选择三压一次再热无补燃余热锅炉(HRSG)和三压一次再热的D10型蒸汽轮机;太阳能集热器选取槽式DSG集成于GTCC底循环的高压蒸汽发生器部位,槽式集热器方面选取LS2型聚光器和PTR70型集热管,聚光系统南北向水平布置。

  2系统建模及性能评价指标

  2.1ISCC系统的建模

  本文选择甘肃敦煌(40.13°N,94.15°E)某年的气象数据作为太阳能侧的输入量,敦煌太阳能辐照充沛,便于进行太阳能互补系统集成。太阳能以DNI为800W/m2,环境温度15℃的条件为基准集成进入GTCC底循环,此时底循环三压压力不变,以此运行状态为ISCC系统的设计工况点。由于燃气初温较高,为保证燃机叶片不超温,从压气机第9、13、15、18级分别抽气注入燃气轮机各级动叶和静叶处来冷却叶片,冷却空气总量占压气机进气量的18.45%,第一级静叶冷却空气量占比为8%。给出GTCC中主要的设计参数[15]。其中底循环中设计状态下的节点温差与接近点温差分别设置为15℃、8℃。

  计算过程中不考虑大气衰减损失对于集热效率的影响;集热器可用率假定为100%。 基于上述参数,使用EBSILON软件进行ISCC系统变工况的仿真计算:其中燃机变工况下调节方法有多种,本文选择常用的等T3(燃气轮机透平入口温度)等T4(燃气轮机透平排气温度)F(Fuel,燃料)调节,变工况下燃机排气温度T4的极限值设置为656℃,压气机特性曲线参考文献[16]中的图示结果进行计算;压气机等熵效率根据入口导叶IGV角度的改变进行修正[17];变工况下燃气透平效率以及冷却空气总量参考文献[18]、[19]中的公式进行修正。底循环各受热面的压损设置为0.05bar,底循环变工况的运行方式为先滑压后定压,汽轮机变负荷时参数变化基于Flugel公式进行调节[20]。汽轮机效率依据EBSILON内置的效率修正公式进行变工况调节[21]。

  3结果分析

  选取敦煌地区春分、夏至、秋分和冬至四个典型日作为ISCC系统太阳能侧的气象数据,进行逐小时系统变工况特性研究:随着燃机负荷的下降,顶循环首先采取等T3调节模式,调节IGV角度和燃料量来维持燃机入口温度T3恒定,燃机排气温度T4由于膨胀比的降低而逐渐升高;在顶循环降到78%负荷时,T4达到设置的上限温度,顶循环切换调节模式为等T4调节,通过改变入口导叶角度和燃料量来维持T4恒定;在顶循环降至38%负荷时,IGV角度已经调节到最小值,接下来降负荷运行只能依靠调节燃料量的手段来实现。在设计气象条件(DNI=800W/m2,环境温度15℃)下互补系统不同负荷条件下的系统性能参数。

  3.1顶循环运行特性

  四个典型日下逐时的顶循环侧发电效率和功率的变化趋势,顶循环的效率和功率在4个典型日之间逐时的变化趋势表现一致。可以看出当环境温度升高的时候,发电效率和功率都会下降,就四个典型日平均数据来看,冬至日下顶循环在功率和效率上的表现最佳,其原因是压气机入口的环境温度越低,相应的耗功就越小,相应的其出口温度也会下降,燃料消耗量增加,同时燃机透平的比功和效率增加。

  3.2底循环运行特性

  四个典型日下逐时的底循环主汽参数的变化趋势。主汽的压力、流量会随着太阳能DNI的升高而升高,夏至日的增幅最大,而冬至日的增幅最小;同时,对于除了冬至日的另外三个典型日,30%负荷无光照的情况下,主汽的压力和流量会随着环境温度的降低而降低,主要原因是因为此负荷下主汽温度低于限定值(565℃),这时候环境温度降低而引起的顶循环排气温度的下降就会影响到底循环余热锅炉中的换热过程,而主汽温度未达到上限就会受到部件换热系数的影响而下降。

  3.3槽式DSG集热器的运行特性

  由于镜场布置方式和气象数据对光学效率的影响,四个典型日的光热效率都会在正午时分左右出现不同程度的下降,总体上来说夏至日的光热效率最大,而冬至日的光热效率最小,同时,由于顶循环的负荷越高,底循环侧对应的主汽压力越高,吸收器对应的集热温度也越高,集热过程的损失就越大。所以同一气象条件下,负荷越高,系统的光热效率就越低。

  3.4互补系统整体评价指标

  可以看出在没有DNI的时段,顶循环各个负荷下总系统效率在不同的典型日是基本保持一致的,总发电效率和环境温度的关联性很小;在日出以后,DNI逐渐升高,夏至日对系统效率的提升最为明显,满负荷下最高系统效率可以达到59%;同时冬至日由于气象数据尤其是DNI的劣势,太阳能对ISCC系统效率的提升非常微弱。

  ISCC系统四个典型日的总系统发电功率的变化趋势,可以看出满负荷状态下,系统总发电量最优的一天是冬至日,其功率在402MW412MW之间随着气象数据波动;夏至日虽然太阳能集成进入底循环的热量更多,但是环境温度对于顶循环的影响,甚至对整个GTCC系统发电功率的影响更大,体现在:无光照的时候,系统总发电量较低,最低只有390MW,即使日出后有太阳能介入,提升了发电功率,总发电功率也没有超过400MW;需要注意的是,对于30%负荷的工况,除了冬至日,其他三个典型日太阳能介入后带来的功率的增加要明显大于其他负荷条件下的波动,这是因为此负荷下,底循环主汽温度已经无法达到标定的565℃,多进入的太阳能可以进一步提高主汽温度,提高底循环的做功能力。

  3.5气象条件的变化对系统效率与光电效率的影响

  为了更直观的比较系统效率和光电效率在气象条件波动的情况下的变化趋势,本节分别进行了俩效率关于环境温度和DNI辐照度变化的情况下的灵敏度分析:在环境温度波动的情况下,DNI保持恒定(800W/m2);而在DNI波动的情况下,环境温度保持恒定(15℃)。

  可以看出ISCC系统效率与DNI强度的相关性更大:随着DNI辐照度的增强,系统效率增高,而与环境温度的相关性不如DNI,仅仅在30%负荷时,ISCC系统效率随着环境温度的升高而升高,这说明30%负荷下环境温度的升高对集热效率的提升效果要大于对顶循环做功能力的影响,最终表现为效率随着环境温度升高环境而升高。

  而对于光电转换效率的变化趋势,可以看出全负荷下都表现为光电转换效率随环境温度的升高而降低,随DNI的升高而升高,但是代表增速的斜率逐渐减小,DNI越高,光电效率变化越趋于平稳。光电效率与DNI的变化关系易于理解,而与环境温度的变化关系表明环境温度的上升带来的集热效率的提升不能弥补其对热电效率的负面影响,最终两者共同作用的结果导致了光电效率的下降。

  4结论

  本文分别选取了四个典型日的气象数据,针对采用了GTCC电厂常用的等T3等T4F调节模式的ISCC系统进行变负荷下的热力特性分析:(1)在不同典型日的气象条件下,ISCC系统顶循环侧功率、效率以及燃料量的变化只与环境温度相关,呈现随环境温度的升高而下降的趋势。

  (2)在不同典型日的气象条件下,ISCC系统底循环侧主汽参数与太阳能辐照强度密切相关,太阳辐照越强,底循环主汽参数的的提升就越明显;而余热锅炉的排烟温度和太阳辐照强度成反比关系:太阳辐照越强,余热锅炉的排烟温度的就越低。(3)在不同典型日的气象条件下,集热器的光热效率受制于地区和布置方式的缘故,在正午时分,DNI最优的时刻下,出现下降的趋势,任一典型日整天的变化,呈现出不同波动幅度的先上升后下降再上升的趋势;受限于光热效率的变化趋势,光电效率也呈现出同样的曲线,其中夏至日波动相对较小,冬至日波动较大。

  (4)对于整个ISCC系统的发电效率,其变化趋势与辐照强度正相关,辐照越强,效率越高;但功率波动相对平缓;而且由于环境温度波动对原GTCC系统发电量影响较大,基于当前ISCC系统集热场的配置,即使夏至日辐照最强的时刻,相较之下冬至日的总发电量也大于夏至日。 (5)光电效率与环境温度和DNI密切相关:随环境温度的升高而降低,随DNI强度的升高而升高,但增速随着DNI的升高而逐渐变缓。

  参考文献

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  作者:张祖贤,段立强,王振,任玉杰

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