太阳能燃气联合循环发电与制氢系统研究

作     者：何冬友 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王刚

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：太阳能 燃气-蒸汽联合循环 ?分析 ORC制氢 经济环保性 

摘      要：基于我国目前的能源形式,改变以煤电为主的发电方式成为我国进行能源改革的首要任务,在国家提出的“双碳目标下,发展新型能源成为必然趋势。在进行能源改革的过程中,需要在考虑到实现碳排放目标的同时,能源的稳定性和安全性也应考虑在内。在此最终目标下,对化石能源的清洁利用和非化石能源的大力发展成为解决我国当前能源问题的关键。天然气发电是一种相对清洁的发电方式,但单一的发电形式已不能满足未来能源的发展需求。因此未来能源的发展格局应是多能源互补、多产品产出等方向,而太阳能燃气蒸汽联合循环与太阳能制氢等技术则恰好符合这一发展趋势。 本文提出了一种太阳能燃气蒸汽联合循环发电与制氢（Solar-gas power and Hydrogen-production,SGPH）系统,并对所设计的SGPH系统进行了参数设定、建模、技术可行性分析、经济性和环保性能分析等研究与探索,主要的研究内容如下: 首先,提出了一种新型的SGPH系统,系统的主体部分由燃气蒸汽联合循环系统、线性菲涅尔太阳能集热系统、储能系统和有机朗肯循环（ORC）制氢系统组成,系统能够提供电能、氢气与氧气。利用热力学分析软件EBSILON对设计的系统进行建模,基于所建立模型对系统的额定工况与变工况进行性能分析,来判定SGPH系统是否能够在实际情况下正常运行。研究结果表明,SGPH系统的输出功率为424.8 MW,其中太阳能热发电提供34.0 MW的输出功率,系统的电效率为45.4%,系统单日产氢量为76.2 kg。此外,考虑到环境温度和太阳光照强度变化条件,对SGPH系统进行全年的变工况运行模拟,证明了SGPH系统的长期运行能力。 其次,在额定工况下运用?平衡分析方法对SGPH系统中的部件设备进行能量利用分析,最终结果表明SGPH系统的总?损失和?效率分别为439.95 MW和56.86%,?损失较大的是燃气轮机的燃烧室和线性菲涅尔集热镜场,?损失分别为231.84 MW和87.28MW。 最后,对SGPH系统的经济性能进行分析,分析结果表明SGPH系统发电的平准化电价为0.42元/k Wh,平准化氢价为39.69元/kg。根据国家的太阳能光热发电补贴政策和燃气发电上网电价补贴政策,SGPH系统在经济性上是可行的。在环保性能方面,SGPH系统在同等发电量的情况下,相较于普通燃煤发电机组,CO2、NOX、SO2和粉尘排放分别减少743344.39 t、16792.05 t、18294.38 t和10643.18 t。