太阳能与燃煤机组混合发电系统集成方式的研究

吴 静, 王修彦, 杨勇平, 杨志平

(华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室,北京102206)

目前,随着人类对能源需求的不断增长,常规能源日益短缺,石油价格持续上涨,全球气候趋于变暖以及环境压力加大,因此寻找新能源已成为人类面临的迫切问题,世界各国都将战略目光转向可再生能源的开发.太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源,其可利用量巨大,且太阳能是清洁能源,不会污染环境,因此,开发利用太阳能已成为当前实现能源可持续发展的重要内容之一[1].太阳能发电是太阳能最高效利用的方式之一,其主要形式有热发电和光伏发电.目前,这两种发电方式均有商业化应用,但由于其投资和发电成本高,已成为它们发展的主要障碍.据国际能源署预测,在这两种太阳能发电技术中,太阳能热发电技术被认为是未来发电成本有望接近化石燃料发电的技术,有良好的发展前景.

按照热利用模式的不同,太阳能热发电系统可分为单纯的太阳能热发电系统和太阳能与化石能源综合互补的发电系统.单纯的太阳能热发电系统由于太阳能辐射不稳定、投资与发电成本高而发展缓慢;太阳能与化石能源综合互补的发电系统能有效弥补太阳能的不稳定性,在太阳能辐射强度较低或没有太阳能辐射时,可启动备用锅炉维持发电稳定性与连续性.常规电厂可利用太阳能集热场来加热给水,产生变动的蒸汽量;同时,可通过燃煤锅炉的补充来保证稳定的汽轮机进口蒸汽温度,从而达到节省部分化石燃料的目的.

1 太阳能与燃煤机组混合发电系统的集成方式

太阳能与燃煤机组混合发电系统是太阳能热发电和燃煤机组发电相结合的混合发电系统,是解决太阳能发电不连续性、促进太阳能大规模利用、缓解化石能源紧张及减少环境污染的有效途径.

根据所集成的常规化石燃料电站的不同,太阳能集成到燃煤电站可以分为三类：第一类是利用太阳能加热给水或蒸汽,简单地集成到朗肯循环(汽轮机)系统中,可以有效地减少燃料量、节约常规能源和减少污染物排放;第二类是将太阳能集成到布雷顿循环(燃气轮机)系统中,利用太阳能加热压气机出口的高压空气,以减少燃料量;第三类是将太阳能集成到联合循环系统中,即ISCCS[2-3].

在太阳能与燃煤机组混合发电系统中,采用直接蒸汽产生式槽式太阳能集热器来加热给水,产生变动的蒸汽量,通过备用锅炉来保证稳定的汽轮机进口蒸汽温度.太阳能与燃煤机组集成时,由于燃煤机组可调整范围大,循环中工质温度变化范围大,因此与太阳能集成的方式很多：可以加热抽汽或取代部分锅炉等.根据太阳能集热器连接方式不同,本文主要讨论3种集成方式[4].

1.1 太阳能集热场与锅炉并联的集成方式

图1为太阳能集热场与锅炉并联的集成方式示意图.由图1可知：太阳能集热场与传统的燃煤锅炉成平行连接,末级高压加热器输出的水分别进入集热场和锅炉进行加热,集热场入口给水加热到再热冷段饱和蒸汽状态的参数,然后在再热器中进一步被加热成再热蒸汽,达到汽轮机的进口温度.在这种方式下,汽轮机中的做功蒸汽是由太阳能集热器和燃煤锅炉共同加热的,即太阳能集热器代替部分锅炉加热.

图1 太阳能集热场与锅炉并联的集成方式示意图Fig.1 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith boiler

1.2 太阳能集热场与加热器并联的集成方式

图2为太阳能集热场与加热器并联的集成方式示意图.太阳能集热器作为给水加热器运行,连接在凝汽器出口和锅炉入口之间.在此方式中,太阳能集热器可取代单级加热器,也可取代多级加热器或完全取代单级和多级加热器,将凝结水加热到相应加热器出口相同的温度,然后将此凝结水输送给锅炉.由于该方式是利用太阳能热辐射进行给水加热,因此减少了抽气量,使汽轮机做功增加.在图2中,为取代整个回热系统,将凝结水分为两股：一股送入回热系统;另一股送入集热场进行加热,最后在末级高压加热器出口处,两股凝结水汇合在一起输入锅炉.

图2 太阳能集热场与加热器并联的集成方式示意图Fig.2 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith heater

1.3 太阳能集热场与锅炉和加热器并联的集成方式

将1.1节与1.2节的太阳能集热场连接方式相结合,使太阳能集热器与锅炉和给水回热加热器成平行运行.由于回热系统由低压加热器和高压加热器组成,因此其集成方式也不同,本文主要考虑两种：①集热场与锅炉、回热系统并联(图3(a)),凝汽器出口的凝结水进入集热场,加热到再热冷段的饱和蒸汽状态的参数;②集热场与高压加热器、锅炉并联(图3(b)),高压加热器出来的给水进入集热场,加热到再热冷段的饱和蒸汽状态的参数.

图3 太阳能集热场与锅炉和加热器并联的集成方式示意图Fig.3 In tegratedm ode of solar collector field connected in parallelw ith both boiler and heater

2 太阳能集热场与燃煤机组混合发电系统的评价指标

对于太阳能集热场与燃煤机组混合发电系统,采用燃煤节省型方式运行,总的发电量与原燃煤机组相同,只是部分电量由太阳能热发电获得.在分析与计算时,将太阳能与燃煤机组联合循环看作2个独立的循环：太阳能循环(辅助循环)和燃煤机组朗肯循环(主循环).太阳能循环中集热器内流量为燃煤锅炉流量的2%,设计太阳能辐射强度取800W/m2,环境温度取293 K.采用热平衡方法对太阳能混合系统进行热经济性计算,热经济性指标采用传统的绝对电效率和煤耗率;对于太阳能循环,则采用新的评价指标太阳能热发电效率[5],即单位太阳能投入热量所能转化的电量来分析和计算混合发电系统的热经济性.对于单纯的燃煤机组,电量仅仅由燃煤释放的热能转化而来;对于单纯的太阳能热发电机组,电量由集热器收集的太阳能辐射热量转化而来.系统的发电量和集热器投入的热量之比称为太阳能热发电效率,可理解为单位电量所耗费的太阳能辐射热.因此,对于太阳能混合发电系统,其太阳能发电效率为：

式中：η为混合发电系统的太阳能发电效率;P es为循环总发电量,kW◦h;P m为循环中燃煤发电量,kW◦h;Qc为太阳能集热器吸热量,k J/s.

混合系统的绝对电效率为：

式中：Pe为机组发电功率,kW;Q总为混合系统的总放热量,k J/s.

混合系统的标准煤耗量为：

式中：q s为标准煤的发热量 ,取 29 270 k J/kg;ηb为锅炉效率,取0.98;ηp为管道效率,取0.90.

3 实例分析

笔者以某电厂200 MW机组的热力系统为例,对上述太阳能与燃煤机组混合发电系统的3种集成方式进行了热经济性计算与分析,并利用常规热平衡方法计算出混合系统的热经济性指标.

热力系统结构矩阵方程为[6-7]：

式中：A为回热系统的结构矩阵;α为加热器抽汽系数矩阵;A f为各级辅助蒸汽系统的结构矩阵;αf为各级辅助蒸汽流量的系数矩阵;Aτ为各级辅助水流系统的结构矩阵;αw是辅助水流系数矩阵;αfw为给水流量系数矩阵;τ为给水在各级加热器中的吸热焓升的结构矩阵;Δqi为各级加热器的外部吸热量,即太阳能的辅助热量,kJ/kg.

首先根据式(4)计算出各级回热加热器的抽汽系数,然后根据式(1)、式(2)和式(3)计算出各项热经济性指标,计算结果见表1.由表1可知：当太阳能集热场与锅炉并联混合发电时,太阳能热发电效率最高;当其与回热系统并联时,煤耗率最高,即节煤效果最差;其他几种方式的节煤效果相当.

表1 太阳能与燃煤机组混合发电系统的热经济性指标Tab.1 Thermal econom ic indexes of the solar-coa l hybrid power generation systems

由于太阳能辐射强度随时间不断变化,使集热器效率发生改变,太阳能集热场所释放的热量也改变,进而使能够加热的做功工质流量也随之发生改变,最终导致太阳能热发电效率改变.本文以最大辐射强度计算,当太阳能辐射强度改变时,启动备用锅炉来维持机组总发电量不变.以济南地区太阳能辐射资源为例,济南地区的太阳能直射辐射资料通过查找可知,并将其直接进行应用[8].当分析太阳辐射强度变化时,太阳能混合发电系统的各项参数也发生变化[9].图4为不同集成方式下太阳能辐射强度变化时的各项参数变化.图5为太阳能热发电效率随辐射强度变化的曲线.由图5可知：太阳能集热场与燃煤机组混合发电,不管采用哪种集成方式,太阳能热效率都很高;由于在辐射强度小于200W/m2时,太阳能集热器效率很低,可以忽略,因此本文仅考虑辐射强度200W/m2以上的情况.在最低辐射强度下,混合系统的太阳能热发电效率与单纯的太阳能热发电效率相当;当与不同受热面并联时,在太阳能辐射强度较高时,与锅炉并联集成方式下的太阳能热发电效率最高;在太阳能低辐射时,与回热系统并联集成方式下的太阳能热发电效率高于其他几种方式.

4 结 论

(1)分析了太阳能与燃煤机组混合发电系统的集成方式：太阳能集热场分别与锅炉并联、与加热器并联以及与二者同时并联.通过对不同集成方式进行热经济性计算可知：在假定加入太阳能热量时机组主蒸汽流量不变的情况下,太阳能与燃煤机组混合发电时,太阳能热发电效率高于单纯的太阳能热发电,且机组的煤耗率降低;在太阳能集热场与锅炉并联混合集成方式下,太阳能热效率最高,且节煤量最多.

图4 在不同集成方式下,太阳能辐射强度改变所对应的各参数变化Fig.4 Power generation param etersvarying with solar radiation intensity in differen tmodes

图5 太阳能热发电效率随辐射强度变化的曲线Fig.5 Variation cu rves of solar power generation efficiency vs.radiation in tensity

(2)分析了当太阳能辐射资源变化时,燃煤机组各参数的变化.结果表明：随着太阳辐射强度降低,太阳能热发电效率也降低,燃煤消耗量增加,但在最低的太阳辐射强度下,混合发电系统的太阳能热发电效率与单纯的太阳能热发电效率相当.

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