鄭開云

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司

0 引言

我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚但發(fā)展很快，2016年國家能源局批準實施首批20座太陽能熱發(fā)電示范項目，總計裝機容量134.9萬kW，包括塔式、槽式、菲涅爾式三種技術(shù)路線，當前，有13個項目正處于建設(shè)階段（總裝機75萬kW）。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，首批示范電站的初始投資成本非常高，約￥21.0/W至￥39.7/W[1]，相當于地面光伏電站投資成本的5倍以上。盡管太陽能熱發(fā)電有諸多技術(shù)優(yōu)勢，但是在經(jīng)濟性方面，未來大規(guī)模批量化建設(shè)電站仍面臨巨大的阻力。

為解決上述矛盾，技術(shù)上的創(chuàng)新路徑是提高太陽能熱發(fā)電的溫度，提高熱力循環(huán)效率，從而提高總的發(fā)電效率。在熱力循環(huán)模塊，新型的超臨界CO2循環(huán)將用于替代汽輪機組。超臨界CO2循環(huán)的提出可追溯到上世紀40年代，在本世紀初MIT的學者重新做了系統(tǒng)的研究，此研究發(fā)現(xiàn)在550℃以上溫度參數(shù)下，分流再壓縮模式的超臨界CO2循環(huán)的效率將超過汽輪機組，并且在700℃以上時效率優(yōu)勢十分顯著[2]。美國能源部的Sunshot計劃提出研發(fā)新一代太陽能熱發(fā)電技術(shù)，擬采用超臨界CO2循環(huán)作為動力島，運行于700℃以上的溫度參數(shù)，空冷條件下，循環(huán)效率超過50%[3]。然而，在當前商業(yè)化電站的技術(shù)水平下，太陽能熱發(fā)電的溫度參數(shù)為550℃等級，采用高溫熔鹽作為傳熱介質(zhì)。在此溫度參數(shù)下，采用超臨界CO2循環(huán)，在發(fā)電效率方面沒有優(yōu)勢[4]。通過對超臨界CO2循環(huán)各種布置模式的研究，發(fā)現(xiàn)簡單回熱循環(huán)的效率較高，并且可以分流部分工質(zhì)用于吸收低品位熱能，以降低熱源成本[5,6]。

本文從熱源為切入點，將太陽能熱源分為高溫（成本較高）和中溫（成本較低）兩部分，兩者耦合到超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)，可減小高溫熱源的容量。同時，為了進一步降低中溫太陽能熱源的容量，引入吸收式熱泵技術(shù)。通過此設(shè)計，可將集成吸收式熱泵的超臨界CO2循環(huán)用于現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)電站投資成本的降低。

1 系統(tǒng)布置

在超臨界CO2循環(huán)與吸收式熱泵的集成系統(tǒng)中，超臨界CO2循環(huán)為簡單回熱循環(huán)的變形，即在低溫段的大比熱區(qū)將一部分工質(zhì)分流至低溫熱源加熱，以減少高溫熱源的加熱量，吸收式熱泵為成熟的單效溴化鋰吸收式熱泵，吸收器和冷凝器作為超臨界CO2循環(huán)的低溫熱源之一，蒸發(fā)器的熱量來自超臨界CO2循環(huán)的預(yù)冷器。超臨界CO2循環(huán)和吸收式熱泵的布置見圖1和圖2。熱源分為高溫熱源和中溫熱源，前者為溫度560℃以上的顯熱（如：高溫熔鹽），用于將超臨界CO2工質(zhì)加熱至550℃，后者為180℃左右的潛熱（如：飽和蒸汽）。

圖1 超臨界CO2循環(huán)布置

圖2 溴化鋰吸收式熱泵布置

根據(jù)圖1所示，在臨界CO2循環(huán)中，超冷端的CO2工質(zhì)經(jīng)三級帶中間冷卻的壓縮機增壓后分為兩路，其中一路進入低溫回熱器，另一路依次進入吸收式熱泵的吸收器和冷凝器吸收熱量后兩路工質(zhì)合并，再次分為兩路，一路進入中溫回熱器，另一路進入中溫熱源加熱，兩路工質(zhì)再次合并進入高溫回熱器，再進入高溫加熱器加熱至高溫后進入高壓透平膨脹做功。高壓透平排出的工質(zhì)進入高溫再熱器加熱后進入低壓透平膨脹做功，低壓透平排出的工質(zhì)依次經(jīng)高溫回熱器、中溫回熱器、低溫回熱器回收余熱，最后進入預(yù)冷器冷卻，吸收式熱泵的蒸發(fā)器用于一部分工質(zhì)的冷卻。

在吸收式熱泵中，中溫太陽能熱源加熱發(fā)生器的工質(zhì)（溴化鋰-水）使制冷劑（水）蒸發(fā)，同時，剩下的濃溶液經(jīng)溶液換熱器冷卻后，進入減壓閥再進入吸收器；制冷劑（水蒸氣）進入冷凝器液化并釋放熱量傳給CO2工質(zhì)，制冷劑經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹進入負壓的蒸發(fā)器中，制冷劑（液態(tài)水）吸收CO2工質(zhì)的低品位廢熱后氣化，再進入吸收器被溶液吸收，吸收反應(yīng)釋放熱量傳給CO2工質(zhì)，溶液泵將吸收器中的溶液輸入至溶液換熱器預(yù)熱，最后回到發(fā)生器。

2 系統(tǒng)熱力分析

采用Ebsilon熱力平衡計算軟件，建立圖1和圖2所示的超臨界CO2循環(huán)和吸收式熱泵的熱力學平衡狀態(tài)，對系統(tǒng)的效率進行計算分析。

假設(shè)高溫熱源為565℃的高溫熔鹽，中溫熱源為180℃的飽和蒸汽。

通過調(diào)整工質(zhì)的流量分配，可使超臨界CO2循環(huán)達到滿足給定參數(shù)的熱力學平衡狀態(tài)，獲得熱效率計算所需參數(shù)的值。超臨界CO2循環(huán)參數(shù)和主設(shè)備性能參數(shù)見表1。超臨界CO2循環(huán)的工質(zhì)總流量取400kg/s，循環(huán)的發(fā)電功率約為42.7MWe，高溫熱源的輸入熱量約為77.2MWth，中溫熱源的輸入熱量約為22.1MWth，低溫熱源的輸入熱量為21.8 MWth。

吸收式熱泵的參數(shù)對應(yīng)于超臨界CO2循環(huán)進行匹配，吸收器的放熱溫度約為75℃，放熱量約為12.3MWth，冷凝器的平均放熱溫度約為100℃，放熱量約為9.5MWth。吸收式熱泵發(fā)生器的溫度約為177℃，吸收外部熱源的熱量約為13.4MWth。

超臨界CO2循環(huán)的發(fā)電效率（ηco2）為：

式中，Enet為凈發(fā)電功率，Qh為高溫加熱器熱功率，Qr為再熱器熱功率，Qm為中溫加熱器熱功率，Qab為吸收器熱功率，Qcon為冷凝器熱功率。

吸收式熱泵的制熱系數(shù)（COP）為：

表1 超臨界CO2循環(huán)參數(shù)

式中，Qgen為發(fā)生器熱功率。

集成系統(tǒng)的發(fā)電效率（ηint）為：

系統(tǒng)熱力分析結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)熱力分析結(jié)果

3 經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性分析的思路是將本文的集成吸收式熱泵的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與目前采用汽輪發(fā)電機組的太陽能熱發(fā)電站進行對比，初步判斷兩者投資成本的高低。

本研究利用了CO2工質(zhì)的大比熱區(qū)，將超臨界CO2循環(huán)的外部輸入熱量分為高溫和中溫兩部分。高溫太陽能熱可采用塔式、槽式、菲涅爾式等太陽能集熱系統(tǒng)，其獲取高溫熱量的投資成本高。對于中溫熱量，可降低集熱系統(tǒng)的成本。采用簡化的槽式、菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)，或低聚光比的集熱方式，甚至可以不用聚光，獲得200℃等級的熱量。通過吸收式熱泵的增熱作用可減少中溫集熱系統(tǒng)的規(guī)模，從而進一步減少中溫集熱器的投資成本。

目前采用汽輪發(fā)電機組的太陽能熱發(fā)電站，在溫度參數(shù)為550℃時，汽輪機組的發(fā)電效率約為41%[4]。對于相同的發(fā)電功率，本文所述的超臨界CO2循環(huán)與汽輪發(fā)電機組的對比結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)熱力分析結(jié)果

本文介紹的超臨界CO2循環(huán)和汽輪發(fā)電機組太陽能熱發(fā)電站在硬件組成上的區(qū)別主要有兩個方面：一是動力島，分別采用超臨界CO2循環(huán)機組與汽輪機組，二是聚光集熱系統(tǒng)，前者引入了中溫熱量。由于動力島占電站總造價的比例較小，且超臨界CO2循環(huán)的成本優(yōu)勢相對較小，所以忽略動力島對電站經(jīng)濟性的影響。由此，高溫集熱系統(tǒng)和低溫集熱系統(tǒng)的設(shè)備成本差異決定了本文所述的超臨界CO2循環(huán)和汽輪發(fā)電機組太陽能熱發(fā)電站的經(jīng)濟性的優(yōu)劣。

假設(shè)高溫集熱系統(tǒng)的設(shè)備成本為￥Ch/MWth，中溫熱源系統(tǒng)（含吸收式熱泵）設(shè)備成本為￥Cm/MWth，則本文的超臨界CO2循環(huán)集熱系統(tǒng)的總成本（Ct-co2）為：

汽輪發(fā)電機組集熱系統(tǒng)的總成本（Ct-h2o）為：

根據(jù)我國首批20座太陽能熱發(fā)電示范電站的投資，可估算聚光集熱系統(tǒng)的設(shè)備投資。太陽能聚光集熱系統(tǒng)的成本約占整個電站投資成本的50%，示范電站平均單位造價約為￥30 000 000/MWe[1]，則太陽能聚光集熱系統(tǒng)成本約為￥15 000 000/MWe，扣除軟成本10%，設(shè)備成本約為￥13 500 000/MWe。按照動力循環(huán)的效率40%計算，則Ch≈5 400 000。對于200℃等級的中溫太陽能集熱系統(tǒng)，其設(shè)備成本（C200）有望大幅降低。取吸收式熱泵的成本（Chp）為￥500 000/MWth，可獲得Cm的表達式如下：

中溫熱源系統(tǒng)隨著中溫太陽能集熱系統(tǒng)成本的變化曲線，見圖3。當C200＜￥3 700 000/MW th時，有＜0.74。取C=￥2 000 000/MW th，則200Ct-h2o-Ct-co2=￥60 660 000。電站總的造價約為￥1 281 000 000，則電站的投資可減少5%。如果考慮到中溫儲熱設(shè)施的成本下降，則電站造價還將進一步消減。因此，本文的集成吸收式熱泵的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟性優(yōu)勢，有利于提高系統(tǒng)整體的性價比。

圖3 中溫熱源系統(tǒng)與中溫太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)備成本的關(guān)系

4 結(jié)論

本文提出的集成吸收式熱泵的超臨界CO2循環(huán)聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)將太陽能熱源分為高溫熱源和中溫熱源兩部分，并引入吸收式熱泵以進一步減少中溫熱源的容量。熱力分析表明，上述系統(tǒng)的發(fā)電效率低于現(xiàn)有的汽輪機組太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，但經(jīng)濟性分析表明，上述系統(tǒng)的投資成本顯著降低。因此，集成吸收式熱泵的超臨界CO2循環(huán)聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)整體的性價比較高。