槽式集热场与燃煤机组混合发电系统经济性分析

侯宏娟,高 嵩,杨勇平,崔映红

(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)

0 引 言

经济的快速发展使得对电力的需求越来越大,同时长期以来电力生产以化石燃料为主的能源结构所造成的环境污染及全球气候变暖问题,使得利用风能、太阳能、生物能等可再生能源进行发电越来越受到人们的关注。

太阳能热发电作为未来进行大规模发电的一种方式虽然受到越来越多的关注,但目前其经济性还无法与常规能源发电竞争。为降低成本,将太阳能与化石能源相结合构成的混合发电系统为促进太阳能热发电技术的进一步发展提供了方向。1997年国际能源署IEA和Solarpaces将太阳能和化石能源混合发电 (Solar-Hybrid System)列为二十一世纪近期和中期太阳能热利用的发展目标[1]。

1 混合系统说明

本文以固定面积的槽式集热场为热源替代600 MW各级加热器的抽汽来对系统进行优化[2]。在优化过程中集热器的瞬时效率按文献[3]得到的公式 (1)进行计算:

式中 :k为入射角修正系数;Δt为集热器工作温度与环境温度之差;I为太阳直射辐照强度,W/m2。

优化后的结果列于表1中。

表1 混合发电系统优化结果Tab.1 Optimization results of hybrid power system

由表中可看出用太阳能槽式集热场取代第8级抽汽,多做的功最多,太阳能的光-热-电转化效率也最高。由此在下面的分析中本文以槽式集热场全部取代第8级抽汽为例进行技术经济分析。

2 技术经济分析

2.1 评价模型

技术经济评价的指标是多种多样的[4～8],他们从不同的角度反映了工程技术方案的经济性。这些指标大致分为三类。一是以时间作为计量单位的时间型指标,如投资回收期、借款偿还期等;二是以货币金额表示的价值型指标,如净现值、净年值等;三是反映资源利用率的效率型指标,如投资利用率、内部收益率、投资净现值率等。可再生能源发电通常有较高的初投资和低的运行维护成本。单纯的太阳能热发电成本很高,将槽式太阳能集热场与燃煤机组结合起来一方面降低了太阳能发电的成本,另一方面减少了煤耗和CO2的排放。本文采用了国际上惯用的比较比较可再生能源发电系统技术经济性的能源成本(LEC)进行技术经济分析。它既体现了现金的时间价值,考虑了电站在整个生命周期内的成本,又可以对不同规模的电站进行比较。虽然LEC的定义非常简单,但是其数学描述远不像表面那么简单。不同的学者采用不同的 LEC定义方式。本文采用文献[4]所用的定义式:

式中:CC为总初投资;AF为年系数。

式中:q=1+i,i为利率;D为系统寿命;O&M为年运行维护费用;A为年净发电量,kW◦h;Fuel为燃料费用。

2.2 案例分析

为了便于比较本文所计算的LEC均为太阳能部分的LEC。在本例中用槽式太阳集热场的得热取代全部第 8级抽汽。集热场的设计容量为MWt◦h,若当地的太阳直射辐射资源为2 000 kW◦h/(m2◦a),则年节约标准煤21 445.7 t,相应的减排CO253 614.3 t,CO2减排收益取15＄/t。计算中系统寿命取30年,利率取6%[4],单位面积集热场的投资按200＄/m2计算,集热场的年平均集热效率按50%[9]计算,集热场的管路损失按 2%计算[7],运行维护费用取总投资的3%,集热场的泵功耗按8%计,则太阳能发电部分的 LEC为0.053＄/kW◦h,若不计CO2减排部分则 LEC为0.068＄/kW◦h。

系统的 LEC会随地区的太阳辐射资源,系统寿命,集热场年平均集、热效率集热场的投资成本等的变化而变化,如图1～4所示:

图1 LEC随地区直射辐射资源的变化Fig.1 LEC vs.resources of DNI

由此可见,随着太阳辐射资源,系统寿命,集热场年平均集热效率,单位面积集热场的投资对LEC的影响均很大,目前许多已有的槽式热发电厂设计寿命都达到了25年、30年,甚至40年以上[9]。集热场的年平均及热效率也从SEGSⅥ的37.5%达到了Andasol的50%,集热器每平米的造价也有望降到175＄/m2以下[10]。

图2 LEC随集热器造价的变化Fig.2 LEC vs.capital cost per unit area of the collector

图3 LEC随集热场年平均集热效率的变化Fig.3 LEC vs.the average annual efficiency of the solar collector field

图4 LEC随系统寿命的变化Fig.4 LEC vs.the economic life of the system

3 结 论

本文在用槽式太阳集热场代替600 MW机组加热器抽汽的混合发电系统优化结果:用太阳得热替代第8级抽汽系统的热性能最优的基础上对混合系统进行了技术经济分析,得出在直射辐射资源为2 000 kW◦h/(m2◦a)的地区,其太阳能发电部分的LEC为0.062＄/kW◦h,若不计CO2减排部分则LEC为0.068＄/kW◦h,大大低于相同规模的SEGSⅥ纯太阳能发电0.16＄/kW◦h,与风力发电相当。

此外本文通过对太阳辐射资源,系统寿命,集热场年平均效率,单位集热面积的成本对 LEC影响的分析得到:

将混合电厂建在辐射条件好的地区,采用高技术延长系统的寿命,提高集热场效率,降低集热器的成本均有助于降低LEC成本。

根据我国国情,在我国的现有技术和经济条件下,采用太阳能与燃煤机组混合发电模式既有利于降低太阳能发电的成本,又有利于逐步推进我国太阳能热发电技术的进步。

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