王惠杰，董学会，昝永超，杨 杰，罗天赐，于 佼，何 仑

熔盐储热型塔式太阳能与燃煤机组耦合方式及热力性能分析

王惠杰，董学会，昝永超，杨 杰，罗天赐，于 佼，何 仑

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

为提高塔式太阳能电站发电效率，同时降低火电机组煤耗，将配置熔盐储热装置的塔式太阳能光热系统耦合到常规燃煤机组中，并对耦合系统进行模拟仿真。研究表明：在锅炉75%THA工况基准下，太阳能光热系统可以承担5%~15%换热负荷，使燃煤机组在80%THA~90%THA负荷下运行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%；利用熔盐储热装置的耦合机组在85%THA负荷下，稳定运行时间可延长约33%，整个耦合系统能够消纳更多的太阳能。该结论对塔式太阳能补偿燃煤火电机组性能研究具有一定参考作用。

熔盐储热；塔式太阳能；火电机组；耦合方式；热力性能；仿真

随着传统能源日益枯竭以及能源需求量的持续增加，人类急需寻找化石能源替代品，以解决能源可持续发展问题。大力发展新能源和提升化石能源利用率已成为人类应对能源危机的重要举措。经过近几十年的发展，火电机组运行参数已经得到极大地提高，而受到材料的制约，运行参数进一步提升的空间已经变得越来越狭窄且成本巨大[1]。因此，各国都在寻求利用风能、太阳能等可再生能源降低或缓解对传统煤电的依赖以达到高效环保、节能减排的目的。现阶段技术对太阳能的开发程度较低，在利用太阳能发电方面，主要有借助光电效应的光伏发电和通过传统热力循环的光热发电，其中太阳能光热发电技术在经济性方面拥有更大 的优势[2-3]。

国际能源署指出，太阳能与化石燃料互补发电技术是近期太阳能热发电的关键技术[4-6]。针对太阳能耦合燃煤电站代替部分燃煤发电，学者们已进行了大量仿真模拟以及实验研究。文献[7]通过建立太阳能与火电机组耦合优化模型，研究该系统的性能特征和规律；文献[8]研究不同辐射强度对太阳能补偿火电机组运行特性的影响以及优化镜场和储热容量；文献[9]将塔式太阳能与燃煤电站相结合，利用塔式太阳能加热锅炉过热蒸汽或者过冷水以降低煤耗。

本文在介绍塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站原理的基础上，对配置熔盐储热装置的塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站在不同工况下的运行特性进行分析与仿真，并讨论了在不同太阳能辐射强度下配置熔盐储热装置前后对太阳能耦合燃煤电站运行性能影响。

1 双罐熔盐储热装置

熔盐被广泛应用于能源领域，它具有高温稳定性好、蒸气压宽范、扩散能力和热容量较高等优 点[10]。本文采用应用广泛的储热材料Solar Salt（成分为60%的NaNO3和40%的KNO3）熔融盐，其适用温度范围较广，可以满足常规电站高参数要求，同时还具有低腐蚀性、低成本、热容大以及工作稳定等特点。Solar Salt熔融盐已经实现了太阳能光热发电的商业应用，例如美国Solar Two以及西班牙Solar tres和Andasol电站已将其作为传热介质和储能材料[11]。

本文双罐熔盐储热装置的运行基本原理为：当储罐工作时，290 ℃的冷熔盐从冷罐经冷熔盐泵输送到太阳能集热塔中吸热升温至585 ℃，然后高温熔盐进入热罐储存起来，当有需求或者满足输出条件时，从热罐经热熔盐泵输送至耦合系统各换热站，经换热后熔盐温度降到290 ℃，最终冷熔盐回到冷罐，循环使用。双罐熔盐储热装置结构如 图1所示。

图1 双罐熔盐储热装置结构示意

2 塔式太阳能耦合燃煤电站系统

2.1 耦合方式

塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站的耦合系统分别为过热耦合段和再热耦合段。过热耦合段在回热系统1号高压加热器出口给水进入锅炉系统之前被分为两部分，一部分给水继续进入锅炉加热变为过热蒸汽，另一部分给水与双罐熔盐储热装置（简称储热装置）中的高温熔盐换热后产生与锅炉相同参数的过热蒸汽，2股同样参数的蒸汽汇合后进入汽轮机组内做功。再热耦合段在高压缸排汽进入锅炉前用高温熔盐对冷段再热蒸汽进行适当补热，以维持再热蒸汽在炉内换热量不变，尽量保证进入锅炉的工质参数保持不变，从而减少对锅炉侧造成的影响。塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站的耦合系统如图2所示。

图2 塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站的耦合系统

2.2 系统仿真

2.2.1 常规火电机组及储热装置仿真

利用Aspen plus 软件对燃煤机组以及储热装置进行整体建模。高、中、低压缸采用透平Compr模型[12]，高、低加热器采用多物流换热器MHeatX模型，除氧器和凝汽器分别用物流混合器Mixer中Hopper模块和heater模块，工质的分离和混合分别用分流器SSplit和物流混合器Mixer模型，节流阀采用Valve模型。搭建好流程模型后，进行全局设定，选用国际标准单位，选择合适的物性方法，运行并查看结果，常规火电机组及储热装置流程模型如图3、图4所示。

图3 Aspen plus软件建立的常规火电机组流程模型

图4 Aspen plus软件建立的储热装置流程模型

2.2.2太阳能光热系统

本文利用EBSILON软件对太阳能光热系统进行模拟。太阳能光热系统主要包括集热塔和镜场，镜场和集热塔共同作用以加热熔融盐。其中，镜场采用了EBSILON软件内部自带的模型，模型中包含了镜场效率，可通过天气数据输出到太阳能模块中，完成对整个太阳能光热系统的模拟，得到熔融盐在不同时间的进出口温度数据。

2.3 系统性能及运行策略

未耦合前锅炉在75%THA工况下的煤耗率为

式中：msb为进入锅炉的给水流量，kg/h；ms为主蒸汽焓，kJ/kg；fwb为给水焓值，kJ/ kg；rs为再热蒸汽流量，kg/h；rso为再热蒸汽焓，kJ/ kg；rsi为再热蒸汽冷段焓值，kJ/ kg；sc为煤的标准热值，kJ/kg；b为锅炉效率；sc1为煤耗率，g/(kW·h)。

塔式太阳能光热系统耦合燃煤电站后的 煤耗比原来的燃煤电站明显降低，折算成标准煤耗ps为

式中：r为耦合过热段换热量，kJ；z为耦合再热段换热量，kJ；为耦合系统稳定运行时间，h；为每小时的发电量，kW。

耦合后的省煤量与原电厂煤耗之比，可以用省煤率s表示：

耦合系统运行策略如下。

式中：TES为储热装置的储热量，kJ；conv1为太阳能侧持续时间1内输入热罐的热负荷，MW。

热罐释放的热量TES1和储热装置剩余热量TES2可以表示为：

式中：TES1为热罐释放的热量，kJ；TES2为热罐剩余的热量，kJ；conv2为太阳能光热系统持续时间3内输出热罐的换热负荷，MW。

3 仿真结果分析

本文利用Aspen软件对原燃煤电站某抽汽凝气汽轮机和相匹配的超临界锅炉及储热装置进行仿真模拟，表1为耦合系统基本参数。通过数据采集太阳辐射强度变化，利用仿真模拟集热器得到随时间变化的熔盐流量数据，经过数据处理后得到储能和释能过程中热罐热量随时间的变化情况。图5为某日典型太阳辐射强度随时间变化曲线。

表1 耦合系统基本参数

Tab.1 Basic parameters of the coupling system

图5 某日典型太阳辐射强度随时间变化曲线

根据表1和图5中的数据，仿真得到不同工况下耦合前后电站参数见表2。由表2可知，不同工况下耦合后的系统参数与原燃煤机组基本保持一致，因此，可以认为该模型符合要求。

表2 不同工况下原电站与耦合后电站参数对比

耦合后燃煤机组负荷随时间变化曲线如图6所示。由图6可见：00:00—7:00之间机组负荷处于低谷期，由于太阳辐射强度几乎为零，太阳能光热系统停止工作没有负荷输出；随着太阳辐射强度的增加，太阳能光热系统不断向热罐输送热量，而热罐满足不同工况换热参数要求后开始释能，机组负荷经历短暂的波动后，燃煤电站锅炉维持在75%负荷基准下，可以实现机组在80%THA~90%THA负荷下稳定运行，此时储能和释能同时进行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%，光电转化效率约为26%，明显高于单纯的光热电站；随着时间推移，13:30—14:30太阳辐射强度达到峰值，热罐储热负荷也达到峰值；到19:00左右，太阳辐射强度较弱，进入熔盐罐的热量越来越少，而热罐储存的热量可以维持太阳能光热系统换热负荷稳定输出一段时间，直到其输出热量逐渐无法满足机组高参数运行要求后，太阳能光热系统停止运行，燃煤机组重新回到负荷低谷期，即发电系统恢复到纯燃煤电站工况。

图6 耦合系统燃煤机组负荷随时间变化曲线

耦合系统燃煤机组锅炉负荷维持75%THA工况下，机组85%THA负荷下，有、无储热装置发电负荷输出随时间变化曲线如图7所示。由图7可见：在00:00到7:00之间，无论是否加入储热装置对发电量均无影响，这是由于此时太阳辐射强度为零，太阳能光热系统热负荷输出为零；早上7:00之后，无储热装置先于有储热装置向机组输入负荷，这是因为热罐运行有一段缓冲时间，但影响较小；到19:00后，无储热装置的太阳能光热系统逐渐停止热负荷输出，而有储热装置可以持续稳定释放负荷，使机组稳定运行时间提高约33%。

为保证机组耦合系统在24 h内稳定不间断运行，可增大热罐容量，但这会增加投资。因此，存在一个既能充分发挥储热，又可提高稳定运行的热罐最佳配置参数。

4 结 论

1）本文研究了一个含太阳能集热器、储热装置和燃煤电站的塔式太阳能耦合燃煤电站系统，并基于EBSILON和Aspen plus软件对其热力子系统进行模拟仿真，以燃煤电站设计工况与模拟数据进行比较，验证了本文所搭建的仿真模型的准确性。

2）仿真研究结果表明，引入塔式太阳能与燃煤电站耦合，可以显著降低燃煤机组煤耗，使得燃煤机组在80%THA~90%THA负荷下运行，煤耗降低率由5.76%提高到15.54%。

3）加入储热装置后，机组稳定运行时间明显延长，并且可以使得太阳能光热系统输出热负荷保持稳定，提高了耦合系统运行的安全性和高效性。同时，储热装置能够使得耦合系统消纳更多的太阳能。

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Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit

WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, YANG Jie, LUO Tianci, YU Jiao, HE Lun

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

To improve the power generation efficiency of tower solar power station and reduce the coal consumption of thermal power units, the tower solar thermal system with molten salt heat storage device is coupled into the conventional coal-fired unit. Moreover, simulation on this coupling system is carried out. The research shows that, at the benchmark of 75% THA of the boiler load, the solar photothermal system side can bear 5%~15% of the heat transfer load, so that the coal-fired unit can run at 80%THA~90%THA load, and the coal consumption reduction rate increases from 5.76% to 15.54%. After the molten salt heat storage device is coupled into the coal-fired unit, the stable running time of the coupled unit can be prolonged by about 33% at 85% THA load, so that the entire coupling system can comsume more solar energy. The conclusion can be used as a reference for the study of the performance of tower solar compensated coal-fired thermal power units.

molten salt heat storage, tower solar energy, thermal power unit, coupling method, thermodynamic performance, simulation

TK284.1

A

10.19666/j.rlfd.201812135

王惠杰, 董学会, 昝永超, 等. 熔盐储热型塔式太阳能与燃煤机组耦合方式及热力性能分析[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 47-52. WANG Huijie, DONG Xuehui, ZAN Yongchao, et al. Coupling method and thermal performance analysis for molten salt heat storage tower solar energy power station and thermal power unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 47-52.

2018-12-22

中央高校基本科研业务费专项资金资助(916021209)

Supported by：Fundamental Research Funds for the Central Universities (916021209)

王惠杰(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向为热力发电厂节能与监测，ncepuwhj@163.com。

（责任编辑 杨嘉蕾）