塔式太阳能光热配套系统性能研究

李 岩，石 普，贾亚晴，邓 煜，李 斌（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）



塔式太阳能光热配套系统性能研究

李 岩，石 普，贾亚晴，邓 煜，李 斌
（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）

摘要：以某350 MW国产亚临界燃煤机组为例，与塔式太阳能光热系统配套，形成太阳能光热配套电站系统，确定塔式太阳能光热系统配套电站的设计方案。基于STAR－90仿真平台建立实时动态仿真模型，通过简单的仿真试验对方案进行改进，模拟了某地春分日一天内满负荷、降负荷条件下和四个季节某一天内满负荷条件下塔式太阳能系统的工作过程，对太阳能系统和机组的运行特性进行分析。模拟结果表明，该模型能准确反映太阳能的引入对整个机组运行特性和经济性的影响，为太阳能热发电的应用提供了试验基础。

关键词：塔式太阳能；光热配套；仿真；运行特性

0 引言

能源是推动人类和社会进步的关键，同时化石燃料的使用产生了过多的污染物，对生态环境造成了严重的影响［1］。

在当前能源匮乏和生态恶化的双重压力下，利用太阳能成为人类发展的一个新出路［2］。将太阳能与常规能源联合发电［3］，不仅可以降低发电成本，同时减缓常规能源的消耗。由于太阳辐射强度的变化趋势，电网的调峰能力也可提高。

太阳能热利用是使用集热设备将太阳辐射能转换为不同温度的热能，直接加热水、气、低沸点工质，或加热高温油、熔盐等再经热交换，产生合格参数的动力工质，推动不同形式的热动力发电设备，实现能量由低品位到高品位的转换，完成能量转换的全过程［4，5］。

塔式太阳能是利用大量的定日镜［6］将太阳光汇聚到吸热塔上，聚光比较高，最高可以达到1 500，运行温度可达到1 000～1 500℃［7］。工质在集热器中吸收热量达到合格参数后，进入汽轮机发电。这种工作原理使得系统的集热效果更好，可以产生参数比较高的蒸汽，太阳能热发电的利用效率也就相应地提高。

本文选定了一个地区的太阳能辐射强度，对塔式太阳能光热配套电站系统进行了仿真模拟研究。

1 塔式光热配套电站系统方案设计

本文选取某350 MW亚临界常规燃煤机组与塔式太阳能系统耦合连接，形成太阳能光热配套电站系统，耦合方案为：从机组高加出口引5%的给水进入太阳能光热系统，给水经增压泵进入位于塔顶的太阳能锅炉，在蒸发、过热受热面吸热达到额定参数，与电站锅炉产生的主蒸汽混合后一同进入汽轮机，最终实现机组的节煤降耗［8，9］。其系统图如图1所示。

下面对光热配套电站整个系统以及方案设计进行详细介绍。

1. 1 火电机组概况

本文所研究的太阳能光热配套电站需用的火电机组为某350 MW亚临界供热机组。锅炉为HG⁃1165／17. 5⁃540／540⁃HM3型亚临界参数、一次中间再热。汽轮机回热系统采用典型的“三高、四低、一除氧”模式。四段抽汽为除氧器、两台给水泵汽轮机提供汽源。在额定工况下机组主要设计参数见表1。

图1　太阳能光热配套系统图

表1　额定工况下机组主要设计参数

下面对光热配套电站整个系统以及方案设计进行详细介绍。

1. 2 塔式太阳能光热系统

太阳能系统给水引自机组高加出口，经加热产生的合格蒸汽同电站锅炉产生的蒸汽一同进入汽轮机做功。

（1）太阳能光热系统的最大吸热量为锅炉额定工况下总吸热量的5%。

（2）太阳能光热系统进口为锅炉给水通过增压泵增压后的未饱和水。

（3）太阳能光热系统出口蒸汽要比高压缸进口蒸汽参数高［10，11］。

太阳能锅炉总体设计参数详见表2。

表2　太阳能锅炉总体设计参数

2 塔式太阳能光热配套系统运行特性

由于太阳能的间歇性，太阳能光热系统需要每天启停，掌握其运行特性显得尤为重要。为此，基于STAR⁃90仿真平台，搭建各个模块的仿真模型，形成塔式太阳能光热系统，将光热系统连接到火电机组仿真模型上，形成光热配套系统［12，13］。在太阳能光热系统仿真模型基础上进行了仿真试验，通过试验模拟了太阳能光热配套系统运行特性。本文选取某地区的太阳辐射强度对不同季节以及不同负荷条件下的太阳能光热系统进行了仿真试验。下面对不同工况下系统的仿真模拟情况进行详细分析。

2. 1 春分日不同负荷下系统运行特性

根据设计工况，火电机组在350 MW额定工况下稳定运行，太阳能系统从7：40开始进行冷态启动，在下午17：00之后进行停炉。太阳能锅炉的启动过程又主要包括锅炉上水、升温升压、至高压缸并汽三大步骤。

根据太阳能辐射热量的变化，将降负荷时间区间选为上午10：00至下午14：00，此时太阳能系统可以产生更多的蒸汽来供给主机组侧。其中，降负荷工况为待满负荷条件稳定后在上午10：00开始将主机侧负荷分别降到300 MW和260 MW，待其降负荷过程完成并稳定运行一段时间后在下午14：00开始将主机侧负荷升回至350 MW稳定工况条件。主机侧和太阳能锅炉侧在不同负荷条件下的运行情况如图2所示。

图2　春分条件不同负荷条件下机组运行特性

其中，曲线1、曲线2、曲线3分别为满负荷、降负荷至300 MW和降负荷至260 MW条件。在满负荷条件下，机组的运行比较稳定，各个参数的波动也比较小。此时，太阳能系统侧对主机组侧影响最大的是燃煤量和主蒸汽流量，如图2 （b）、（d）。在12时太阳能系统侧发挥的作用最大，最多可以节约燃煤11 t／h，主蒸汽流量最多减少59. 5 t／h，节能效果比较明显，长时间的应用对整个机组的经济性会有比较显著的改善［14］。

在降负荷的过程中，对于主机侧而言，机组负荷、燃煤量、主给水流量和主蒸汽流量的变化大致趋势是相同的，即燃煤量、主给水流量和主蒸汽流量都是随着机组的负荷的变化而相应改变。在降负荷至260 MW时，由于降负荷幅度比较大，机组的运行非常不稳定，各个参数的波动也比较大。升降负荷的程度不同，故而选取不同的升降负荷率。主机侧在升降负荷时，降负荷和升负荷的过程相对来说是比较稳定的，但是当负荷分别降到目标值或者升到目标值的一段时间内机组会有短暂的波动，此为机组的稳定调节时间。

图2（e）、（f）分别为太阳能锅炉给水流量和太阳能锅炉至电站锅炉蒸汽流量。对于太阳能锅炉侧而言，太阳能锅炉产生的送入高压缸的合格蒸汽流量的变化趋势与太阳能辐射热量的变化也是一致的。太阳能锅炉的给水流量开始有急剧的增减是早晨太阳能锅炉的上水过程；至电站锅炉蒸汽流量从0急剧升高到30 t／h是因为太阳能锅炉侧开始产生的不合格蒸汽都引至除氧器作为辅助蒸汽，待蒸汽参数达到535℃／16. 7 MPa时两侧阀门协调控制［15］，慢慢将蒸汽引至高压缸做功。由于太阳能锅炉侧产生的蒸汽量有限，相对于主机侧是比较少的，负荷的改变对其的影响不如对主机侧的影响明显。从图2（e）、（f）可以看出，在10：00～14：00这段时间中太阳能系统对于主机侧的贡献比较大，在中午12点达到峰值，此时太阳能系统侧和主机组侧的综合经济性最好。

2. 2 不同季节条件下系统运行特性

在不同季节下，太阳能的光照条件会有所不同，塔式太阳能锅炉侧的运行情况也会相应地有所改变，这势必要影响到主机组侧。以春分、夏至、秋分和冬至日四个典型日期代表春、夏、秋、冬四个季节，对塔式太阳能光热配套电站系统不同季节下的运行情况进行了仿真研究。这里又对不同负荷条件进行了分别讨论。图3为满负荷条件下不同季节塔式太阳能光热配套电站系统的运行情况。

其中，曲线1、曲线2、曲线3、曲线4分别代表春分日、夏至日、秋分日、冬至日系统的运行曲线。可以很明显地看到，就太阳能的辐射强度来说，夏至日的辐射强度是最强的，相对的变化也是最平稳的，冬至日的辐射强度最弱，而春分日和秋分日冬至日和夏至日的辐射强度在正午时分可以相差300 W／m2，这几乎是冬至日最高辐射强度的一半，由此辐射强度的变化对太阳能锅炉侧影响是比较大的，相应地也对主机组侧造成一定的影响，这点最直观地反映在机组的燃煤量上。四个季节下，塔式太阳能锅炉侧都是在正午12：00处于最佳工作状态，此时由于辐射强度的不同冬至日的燃煤量要比夏至日高5 t／h，而春分日和秋分日的燃煤量是比较接近的，由图3（c）还可以看出在上午10：00到下午14：00的这段时间内四季的节能效果都比较明显［16］。

四个季节主机侧的机组负荷和主给水流量在除太阳能锅炉产汽并汽过程以外的时间运行都是很平稳的。自太阳能锅炉启动会有短时间的上水过程，而上水来自高加出口，这就对主机锅炉的给水流量造成了一定的影响，主机负荷也会随之变化，负荷变化的同时对主机侧蒸汽需要量也会不同，也就是对主给水的需要量不同，故而造成总给水流量的波动。在冬季，由于太阳能辐射量比较小，太阳能锅炉产汽的过程要比较慢，要完成太阳能锅炉与主机侧的并汽过程的时间要长一些，图3（d）中冬至日出现的明显波动是产汽过程中将不合格蒸汽引至除氧器时对放汽阀的控制造成的［17］。

图3（e）、（f）分别为太阳能锅炉给水流量和太阳能锅炉至电站锅炉蒸汽流量。，在太阳能锅炉稳定产汽的过程中，冬至日的太阳能锅炉给水流量和太阳能锅炉至电站锅炉蒸汽流量大致为夏至日的三分之二。而春分日和秋分日在并汽完成至上午11：00，太阳能锅炉的产汽量相近，之后是春分日太阳能锅炉的产汽量多一些。从太阳能锅炉的给水流量和产汽量看，春分日、夏至日和秋分日的产汽过程相近，时间和蒸汽参数的变化趋势一致，只有冬至日时，由于天气条件和太阳能辐射强度的限制，完成并汽过程的时间要晚一些。

由于太阳能锅炉的引入，在满负荷条件下，除在产汽并汽过程的波动以外，整个光热配套系统的运行是比较稳定的。

仿真模拟结果表明，本文所建立的塔式太阳能光热配套系统模型动态特性变化合理有效，可以较好地反映系统的运行特性，可以为系统的运行分析提供参考并做出预测。

图3　满负荷条件不同季节下系统运行特性

3 结论

（1）太阳能与燃煤机组联合发电系统可免去独立太阳能热发电系统中必须的储热系统，提高机组的调峰能力；塔式太阳能系统可将蒸汽参数提高到燃煤机组运行参数，替代燃煤机组的部分燃料，达到节能减排的目的。

（2）根据塔式太阳能系统的结构特点，确定了光热配套电站方案：从机组高加出口引总给水量的5%进入太阳能光热系统，经加热产生的合格蒸汽与电站锅炉蒸汽混合后一同进入汽轮机高压缸做功。

（3）由于太阳辐射强度的变化趋势与用电峰值相对应，在上午10：00至下午14：00间塔式太阳能系统的集热效率和换热效率都比较高，可以有效得缓解电网的调峰压力。

（4）本文所建立模型能够准确太阳能光热系统以及火电机组的动态响应特性和运行规律，各热力参数的变化趋势符合系统工作机理。太阳能光热系统的运行对火电机组影响不大，火电机组的控制系统不需要做改动即可实现光热配套电站的正常运行。

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Performance Research on a Solar Tower Power System Integration into a Coal⁃fired Power Plant

LI Yan，SHI Pu，JIA Yaqing，DENG Yu，LI Bin
（School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Abstract：A design scheme of a solar thermal power plant is developed by combining the tower solar thermal sys⁃tem with a fire unit，taking a certain 350 MW sub critical coal fired unit as an example．Based on the STAR⁃90 simulation platform，the real⁃time dynamic simulation model is established．Moreover，the scheme is also bettered in accordance with the rather simple simulation results．And the tower solar system working process is simulated in a day in the spring equinox under the condition of full load，downing load and a day within four seasons under the condition of full load．Meanwhile，the operating charateristics of solar system and unit are analyzed．Finally，the simulation results show that the model can accurately reflect the impact brought by the introduced solar energy on the operating characteristics and economics of the whole unit，and it provides the experimental basis for the applica⁃tion of solar thermal power generation．

Keywords：solar tower power；the solar tower power integration into the coal⁃fired power；simulation；operation characteristic

作者简介：李岩（1990－），女，硕士研究生，研究方向为太阳能辅助燃煤系统的仿真及动态特性分析，E⁃mail：ndliyan＠si⁃na. cn。

基金项目：国家科技支撑计划课题（2012BAA07B01）。

收稿日期：2015－11－04。

中图分类号：TK01＋9

文献标识码：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 002