劉德利， 王 軍， 徐志成

(東南大學 能源與環(huán)境學院， 南京 210096)

在20世紀90年代，諸多學者對太陽能與布雷頓循環(huán)相結合的發(fā)電系統(tǒng)開展研究[1]。太陽能與布雷頓循環(huán)系統(tǒng)通常采用塔式或者碟式集熱系統(tǒng)，與槽式系統(tǒng)相比，塔式和碟式系統(tǒng)能夠將空氣加熱到更高的溫度。對于70 kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其建設裝置昂貴，尤其是定日鏡場中每塊鏡面所需的跟蹤定位機構。定日鏡圍繞一個高塔按一定規(guī)律排列，具有各自的焦距，為保證聚焦質量，定日鏡表面是具有微弧度的曲面，由于位置不同，定日鏡也不同，因此定日鏡無法實現標準化、規(guī)?；a，增加了成本，定日鏡的投資接近整個系統(tǒng)投資的50%。為降低成本，筆者將70 kW塔式電站改造為碟式電站，選擇三種循環(huán)方案對系統(tǒng)進行熱性能研究[2-4]。

1 循環(huán)方案

1.1 方案一

方案一為簡單循環(huán)，系統(tǒng)不帶有回熱器，不利用太陽能，僅采用燃氣發(fā)電。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 簡單循環(huán)系統(tǒng)原理圖

1.2 方案二

方案二為回熱循環(huán)，系統(tǒng)加入回熱器，不使用太陽能熱量，僅采用燃氣發(fā)電。系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 帶回熱器的系統(tǒng)原理圖

1.3 方案三

方案三為燃氣與太陽能聯合循環(huán)，系統(tǒng)采用回熱器，并使太陽能與燃氣聯合循環(huán)。系統(tǒng)原理圖和T-S圖[5]分別見圖3、圖4，整個循環(huán)過程中空氣的狀態(tài)變化可表示為：進入壓氣機狀態(tài)點為1，從壓力機出來可達到的理想狀態(tài)點為2s，實際狀態(tài)點為2，從回熱器出來狀態(tài)點為2′，由碟式太陽能接收器加熱后為狀態(tài)點2″，從燃燒室出來狀態(tài)點為3，燃燒室中空氣和燃料混合燃燒，變成高溫煙氣，從燃氣輪機內出來理想狀態(tài)點為4s，實際可達到點為4，為充分利用從燃氣輪機內出來的氣體熱量，經由換熱器對壓氣機里出來的空氣進行預熱，換熱后狀態(tài)點為4′，排入大氣后恢復到狀態(tài)點1。

圖3 基于布雷頓循環(huán)的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖4 基于布雷頓循環(huán)的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)T-S圖

2 燃氣輪機選型

對三種方案計算時，需要對燃氣輪機進行選型，其主要參數見表1[6]：ISO基本功率Pgt為70 kW，壓氣比π為3.3，燃氣輪機(理論)排氣溫度t4s*為650 ℃。ISO基本功率是指在國際標準化委員會所規(guī)定的環(huán)境條件[環(huán)境溫度ta(或t1*)為15 ℃，環(huán)境壓力pa(或p1*)為0.101 3 MPa]下，燃氣輪機連續(xù)運行所能達到的功率。由于天然氣具有綠色環(huán)保、經濟實惠、安全可靠等優(yōu)點，該燃氣輪機中燃料選取天然氣，其低位發(fā)熱量為35 990 kJ/kg。

表1 燃氣輪機參數

實際循環(huán)過程中，需考慮一些主要的影響因素[7]，壓氣機的等熵效率ηc取0.88，透平的等熵效率ηT取0.90，燃燒室效率ηB取0.9。工質流過壓氣機進入氣道、燃燒室和透平排氣道時都會產生一定的壓力損失，工程中通常采用壓損率ε來表示各處壓力損失的大小，進氣道的壓損率εC取0.015，燃燒室的壓損率εB取0.04，排氣道的壓損率εT取0.04，空氣的比定壓熱容cpa=1.005 kJ/(kg·K),空氣的等熵過程指數ka取1.4，燃氣比定壓熱容cp=1.15 kJ/(kg·K)，燃氣的等熵過程指數kg取1.33。

3 熱力計算與分析

分別對三種方案進行計算[8]，計算結果見表2。

表2 熱效率計算結果

由方案二和方案一對比分析得到：方案二中回熱器的引入可提高燃氣輪機效率，筆者所用的70 kW微型燃氣輪機自身效率很高，結構緊湊，使得機組體積增加不多且回熱效果好，迎合市場走向[9]，方案二較方案一優(yōu)良。

方案三中，太陽能的引入，使得燃燒室進口空氣溫度升高，系統(tǒng)熱效率提高，燃氣耗量減少。由于t2″為變化量，且燃氣輪機初溫為939 ℃，因此t2″不能大于939 ℃。假設回熱器出口的溫度為327 ℃，以20 K為間隔，t2″可以在600～920 ℃內進行取值，分別對系統(tǒng)熱效率和成本進行計算(見表3)。

表3 成本計算結果

系統(tǒng)效率從22.23%提高到44.06%，燃氣成本由15萬元/a降低到0.86萬元/a，集熱器成本為初投資，由52.79萬元增加到114.67萬元。隨著運行時間的增長，節(jié)約的燃氣成本可在一定時間內回收集熱器投資成本。

4 結語

筆者設計的基于布雷頓的碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用太陽能-燃氣聯合循環(huán)，減少了對太陽能的依賴和機組的頻繁啟停，全面提高了機組發(fā)電效率。燃氣輪機組的引入降低了對太陽能集熱系統(tǒng)產生高溫蒸汽的要求，電站不需要儲熱系統(tǒng)，降低了電站成本，即使初投資中集熱器成本較大，但隨著系統(tǒng)運行時間的增加，所占總成本比例越來越小，在一定時間內將收回成本，具有經濟優(yōu)勢。