邴旖旎， 王 軍， 劉婷婷

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

新能源

邴旖旎， 王 軍， 劉婷婷

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

以槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)(ISCC)系統(tǒng)為例，通過與單獨(dú)太陽能電站(SEG)及傳統(tǒng)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GTCC)電站作比較，分析說明與太陽能互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明：ISCC電站與GTCC電站相比可以有效地減少燃料氣耗量、降低CO2排放量，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)明顯優(yōu)于SEG電站。

槽式太陽能； ISCC； 經(jīng)濟(jì)性

太陽能熱發(fā)電屬于可再生的清潔能源發(fā)電，但由于成本高、效率低、不穩(wěn)定等因素很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用。太陽能互補(bǔ)發(fā)電是將太陽能和其他能源相結(jié)合的混合發(fā)電系統(tǒng),是解決可再生能源不連續(xù)、促進(jìn)可再生能源發(fā)展應(yīng)用、緩解化石能源緊張，以及減少環(huán)境污染的有效途徑[1]。

國(guó)內(nèi)外在太陽能與風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能及燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等方面做了研究，其中對(duì)槽式太陽能與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)結(jié)合(ISCC)系統(tǒng)研究較多。ISCC系統(tǒng)可以克服太陽能的不穩(wěn)定且無需儲(chǔ)熱裝置, 降低太陽能的發(fā)電成本, 從而成為研究熱點(diǎn)之一。

目前國(guó)外正在運(yùn)行的ISCC電站有很多，主要集中在美國(guó)、意大利、伊朗、埃及、阿爾及利亞、摩洛哥等[2]。埃及的Kuraymat項(xiàng)目，2008年1

月投入建設(shè)，采用太陽能與天然氣的聯(lián)合循環(huán)，太陽能集熱場(chǎng)由2 000個(gè)集熱器件組成，面積為130 800 m2，電站總?cè)萘繛?50 MW，太陽能出力約20 MW[3]。我國(guó)寧夏的ISCC項(xiàng)目機(jī)組容量為100 MW，太陽能場(chǎng)發(fā)電38.5 MW，占電站總出力約40%并具有儲(chǔ)能系統(tǒng)[4]。

1 ISCC系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ISCC電站是利用中高溫太陽能集熱器技術(shù)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)混合的熱發(fā)電技術(shù)。利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱來為太陽能熱作補(bǔ)充，預(yù)熱給水和提高太陽能熱產(chǎn)生的過熱蒸汽的溫度，以提高朗肯循環(huán)的出力，優(yōu)化能源發(fā)電效率。

圖1為典型的槽式太陽能與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)示意圖。

圖1 典型的槽式太陽能與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)示意圖

由圖1可見：傳熱工質(zhì)在槽式太陽能集熱場(chǎng)內(nèi)加熱后，經(jīng)余熱鍋爐再熱進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；做功后的工質(zhì)經(jīng)水處理器重新經(jīng)余熱鍋爐進(jìn)入太陽能集熱器循環(huán)；燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)后的高溫排氣進(jìn)入余熱鍋爐預(yù)熱給水。

ISCC系統(tǒng)與單獨(dú)的槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)和常規(guī)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 系統(tǒng)效率高。ISCC系統(tǒng)利用太陽能的熱量提高了聯(lián)合系統(tǒng)的效率。

(2) 降低成本。ISCC系統(tǒng)可不需要儲(chǔ)熱系統(tǒng)，尤其是當(dāng)與現(xiàn)成的常規(guī)聯(lián)合電站集成時(shí)，增加的蒸汽輪機(jī)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建立一個(gè)單獨(dú)太陽能電站的費(fèi)用。

(3) 回避了太陽能熱發(fā)電的瓶頸。由于太陽能集熱器加熱流體溫度的限制，單獨(dú)太陽能熱發(fā)電效率不高，利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱來為太陽能熱作補(bǔ)充回避了該瓶頸問題。

(4) 減少天然氣和水耗量。采用太陽能代替部分天然氣，減少了天然氣耗量。ISCC電站通常處于干旱、沙漠等太陽能資源豐富的地區(qū)，機(jī)組冷凝系統(tǒng)采用空冷系統(tǒng)，且ISCC機(jī)組中蒸汽循環(huán)部分占總發(fā)電量的50%，使ISCC機(jī)組水耗量比同容量的常規(guī)天然氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組約低40%[5]。

(5) 穩(wěn)定供電負(fù)荷。ISCC系統(tǒng)利用燃?xì)廨啓C(jī)組提供穩(wěn)定的供電負(fù)荷，避免了單獨(dú)太陽能發(fā)電受太陽輻射等外界條件的影響和負(fù)荷變化大對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供電。

(6) 清潔環(huán)保。ISCC電站采用太陽能和天然氣作為燃料，太陽能部分無任何污染物排放，滿足清潔環(huán)保的要求。

2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，可以從不同角度反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，主要有凈現(xiàn)值、投資回收期、內(nèi)部收益率等。

2.1凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值指在項(xiàng)目計(jì)算期內(nèi)，按行業(yè)基準(zhǔn)折現(xiàn)率或其他設(shè)定的折現(xiàn)率計(jì)算各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的代數(shù)和。

(1)

式中：CNPV為凈現(xiàn)值；CCI為現(xiàn)金流入；CCO為現(xiàn)金流出；(CCI-CCO)t為第t年的現(xiàn)金流量；n為項(xiàng)目計(jì)算期；ic為基準(zhǔn)折現(xiàn)率。CNPV>0，方案可行，即項(xiàng)目實(shí)施后，除保證可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的收益率外，尚可獲得更高的收益；CNPV=0，方案可考慮接受，即項(xiàng)目實(shí)施后的投資收益率正好達(dá)到預(yù)期；CNPV<0，方案不可行，即未能達(dá)到預(yù)定的收益率水平。

2.2內(nèi)部收益率

內(nèi)部收益率即資金流入現(xiàn)值總額與資金流出現(xiàn)值總額相等、凈現(xiàn)值等于零時(shí)的折現(xiàn)率。

(2)

式中：iIRR為內(nèi)部收益率。iIRR>ic，CNPV>0，方案可行；iIRR=ic，CNPV=0，方案可行；iIRR

2.3動(dòng)態(tài)投資回收期

動(dòng)態(tài)投資回收期是指在考慮貨幣時(shí)間價(jià)值的條件下，以投資項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)金流量的現(xiàn)值抵償原始投資現(xiàn)值所需要的全部時(shí)間，即動(dòng)態(tài)投資回收期是項(xiàng)目從投資開始起，到累計(jì)折現(xiàn)現(xiàn)金流量等于0時(shí)所需的時(shí)間。

(3)

式中：Pt為動(dòng)態(tài)投資回收期；Pc為基準(zhǔn)投資回收期。Pt≤Pc，CNPV≥0，方案可行，即能在要求的時(shí)間內(nèi)收回投資；Pt>Pc，CNPV<0，方案不可行，應(yīng)當(dāng)舍棄。

2.4能源平均成本

能源平均成本是對(duì)一個(gè)電站的各項(xiàng)成本和裝置效率之間進(jìn)行綜合考慮的指標(biāo)，也是在國(guó)際上經(jīng)常用以比較可再生能源發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的公式。

(4)

式中：C為總初投資；a為年系數(shù)；Com為運(yùn)行維護(hù)成本；Cf為燃料成本；CC為二氧化碳減排受益；E為年發(fā)電量；i為利率；n為系統(tǒng)壽命。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1電站設(shè)計(jì)

以集熱面積為270 320 m2的50 MW槽式太陽能熱發(fā)電站為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的三個(gè)電站分別為：槽式太陽能熱(SEG)電站(帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)，集熱場(chǎng)面積為427 280 m2)、槽式太陽能與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)(ISCC)的電站及常規(guī)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)(GTCC)的電站[6]。具體電站設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)說明：

(1) 太陽能集熱系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油為傳熱流體。

(2) 蒸汽系統(tǒng)采用三級(jí)壓縮、單級(jí)再熱的蒸汽輪機(jī)及回?zé)嵴羝仩t。

(3) SEG電站采用雙罐熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)；ISCC電站及GTCC電站的燃料為天然氣。

筆者將ISCC系統(tǒng)與SEG系統(tǒng)和GTCC電站系統(tǒng)作比較，ISCC系統(tǒng)與GTCC系統(tǒng)的輸出功率相同。表1列出了三個(gè)電站的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 三個(gè)電站的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

ISCC電站可以減少單純太陽能發(fā)電機(jī)組由于頻繁啟停造成的能量損耗，彌補(bǔ)常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)隨大氣溫度升高出力減少的缺點(diǎn)；同時(shí)也比單純的太陽能熱發(fā)電更穩(wěn)定。

3.2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 ISCC系統(tǒng)與GTCC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

假設(shè)這幾套系統(tǒng)建設(shè)均在甘肅蘭州地區(qū)，太陽能年輻射量為F為2 000 (kW·h)/m2，日照時(shí)長(zhǎng)ta為3 200 h。按照集熱損失QHCL=0.027 kW/m2計(jì)算，集熱器的光學(xué)效率ηop=0.75。設(shè)集熱場(chǎng)面積為A，則ISCC電站太陽能部分年吸熱量Qsa可用下式表示：

Qsa=3 600(A·F·ηop-QHCL·A·ta)

(5)

燃料為天然氣，其低位熱值取35 000 kJ/m3，可以得到ISCC電站比GTCC電站年節(jié)約天然氣量為39 300 km3，以天然氣價(jià)格為1.5元/m3計(jì)算，年節(jié)省燃料費(fèi)用為5 893萬元，年減排CO277 155 t，按傳統(tǒng)CO2減排成本80元/t，則年凈增收益為6 510.24萬元。

3.2.2 ISCC系統(tǒng)與SEG系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

太陽能電站主要包括集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可以看出單獨(dú)槽式電站中太陽能集熱場(chǎng)的成本占總投資的主要份額，主要包括聚光器、真空集熱管、就地控制器等。按太陽能集熱場(chǎng)投資2 000元/m2[8]，并參考文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[12]及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)價(jià)格確定ISCC電站中各項(xiàng)成本。SEG電站和ISCC電站基礎(chǔ)投資估算見表2。

表2 兩個(gè)電站基礎(chǔ)投資情況 萬元

從表2還可以看出：太陽能集熱場(chǎng)的成本占總投資成本的比重較大，尤其是對(duì)于單純太陽能發(fā)電系統(tǒng)；ISCC電站由于沒有儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱換熱成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SEG電站；ISCC電站機(jī)組容量大于SEG電站且加入了布雷頓循環(huán)，發(fā)電模塊成本遠(yuǎn)高于SEG電站。

假設(shè)折現(xiàn)率為10%，系統(tǒng)壽命為20 a，利率為6%，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 500 h，電價(jià)按照0.5元/(kW·h)計(jì)算，根據(jù)式(1)～式(4)得出各經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算

SEG電站的CNPV<0，即單純的太陽能電站在電價(jià)較低的情況下是不可取的，更多地依賴于國(guó)家補(bǔ)貼政策才能運(yùn)行；而ISCC電站CNPV=72 832.35萬元，iIRR=15.8%，遠(yuǎn)大于ic，Pi=10 a，CLEC=0.35元/(kW·h)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純太陽能發(fā)電成本。按電價(jià)1.2元/(kW·h)計(jì)算時(shí)，SEG電站CNPV=-0.05萬元，仍然是虧損的。因此，ISCC電站經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于SEG電站。

由上述計(jì)算可知：ISCC電站比GTCC電站年節(jié)約燃?xì)?9 300 km3，減排CO277 155 t，ISCC電站內(nèi)部收益率較高，是較理想的選擇。因此，開發(fā)利用ISCC系統(tǒng)對(duì)減少化石能源消耗、降低污染排放和降低能源成本方面有重要意義。

4 結(jié)語

ISCC電站采用太陽能-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)，減少了對(duì)太陽能的依賴和機(jī)組的頻繁啟停，全面提高了機(jī)組發(fā)電效率。燃?xì)廨啓C(jī)組的引入降低了對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生高溫蒸汽的要求，電站不需要儲(chǔ)熱系統(tǒng)，降低了電站成本，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

通過ISCC電站與SEG電站及GTCC電站的比較，得出：ISCC電站在節(jié)約燃料氣、減排CO2方面比GTCC電站具有優(yōu)勢(shì)；在經(jīng)濟(jì)性方面比SEG電站具有較大優(yōu)勢(shì)。筆者設(shè)計(jì)的槽式太陽能-燃?xì)饴?lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)ISCC電站的建設(shè)具有參考價(jià)值。

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EconomicAnalysisofanIntegratedSolarCombinedCycle

Bing Yini, Wang Jun, Liu Tingting

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The advantages of an integrated solar combined cycle (ISCC) system were analyzed by comparing it with an independent solar energy generation (SEG) power plant and a conventional gas turbine combined cycle (GTCC) unit. Results show that compared with GTCC unit, the ISCC system can effectively reduce the fuel gas consumption and CO2emission, and its economic index is obviously higher than that of a SEG power plant.

solar trough; ISCC; economical performance

2016-12-13；

2017-04-26

邴旖旎(1990—)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘柲軣岚l(fā)電。E-mail: yinibing@126.com

TK519

A

1671-086X(2017)06-0407-04