太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)集成方式的研究

吳 靜, 王修彥, 楊勇平, 楊志平

(華北電力大學(xué)能源的安全與清潔利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102206)

目前,隨著人類對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng),常規(guī)能源日益短缺,石油價(jià)格持續(xù)上漲,全球氣候趨于變暖以及環(huán)境壓力加大,因此尋找新能源已成為人類面臨的迫切問題,世界各國(guó)都將戰(zhàn)略目光轉(zhuǎn)向可再生能源的開發(fā).太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源,其可利用量巨大,且太陽能是清潔能源,不會(huì)污染環(huán)境,因此,開發(fā)利用太陽能已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一[1].太陽能發(fā)電是太陽能最高效利用的方式之一,其主要形式有熱發(fā)電和光伏發(fā)電.目前,這兩種發(fā)電方式均有商業(yè)化應(yīng)用,但由于其投資和發(fā)電成本高,已成為它們發(fā)展的主要障礙.據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè),在這兩種太陽能發(fā)電技術(shù)中,太陽能熱發(fā)電技術(shù)被認(rèn)為是未來發(fā)電成本有望接近化石燃料發(fā)電的技術(shù),有良好的發(fā)展前景.

按照熱利用模式的不同,太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為單純的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和太陽能與化石能源綜合互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng).單純的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由于太陽能輻射不穩(wěn)定、投資與發(fā)電成本高而發(fā)展緩慢;太陽能與化石能源綜合互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)能有效彌補(bǔ)太陽能的不穩(wěn)定性,在太陽能輻射強(qiáng)度較低或沒有太陽能輻射時(shí),可啟動(dòng)備用鍋爐維持發(fā)電穩(wěn)定性與連續(xù)性.常規(guī)電廠可利用太陽能集熱場(chǎng)來加熱給水,產(chǎn)生變動(dòng)的蒸汽量;同時(shí),可通過燃煤鍋爐的補(bǔ)充來保證穩(wěn)定的汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度,從而達(dá)到節(jié)省部分化石燃料的目的.

1 太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的集成方式

太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)是太陽能熱發(fā)電和燃煤機(jī)組發(fā)電相結(jié)合的混合發(fā)電系統(tǒng),是解決太陽能發(fā)電不連續(xù)性、促進(jìn)太陽能大規(guī)模利用、緩解化石能源緊張及減少環(huán)境污染的有效途徑.

根據(jù)所集成的常規(guī)化石燃料電站的不同,太陽能集成到燃煤電站可以分為三類：第一類是利用太陽能加熱給水或蒸汽,簡(jiǎn)單地集成到朗肯循環(huán)(汽輪機(jī))系統(tǒng)中,可以有效地減少燃料量、節(jié)約常規(guī)能源和減少污染物排放;第二類是將太陽能集成到布雷頓循環(huán)(燃?xì)廨啓C(jī))系統(tǒng)中,利用太陽能加熱壓氣機(jī)出口的高壓空氣,以減少燃料量;第三類是將太陽能集成到聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中,即ISCCS[2-3].

在太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)中,采用直接蒸汽產(chǎn)生式槽式太陽能集熱器來加熱給水,產(chǎn)生變動(dòng)的蒸汽量,通過備用鍋爐來保證穩(wěn)定的汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度.太陽能與燃煤機(jī)組集成時(shí),由于燃煤機(jī)組可調(diào)整范圍大,循環(huán)中工質(zhì)溫度變化范圍大,因此與太陽能集成的方式很多：可以加熱抽汽或取代部分鍋爐等.根據(jù)太陽能集熱器連接方式不同,本文主要討論3種集成方式[4].

1.1 太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐并聯(lián)的集成方式

圖1為太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐并聯(lián)的集成方式示意圖.由圖1可知：太陽能集熱場(chǎng)與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐成平行連接,末級(jí)高壓加熱器輸出的水分別進(jìn)入集熱場(chǎng)和鍋爐進(jìn)行加熱,集熱場(chǎng)入口給水加熱到再熱冷段飽和蒸汽狀態(tài)的參數(shù),然后在再熱器中進(jìn)一步被加熱成再熱蒸汽,達(dá)到汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度.在這種方式下,汽輪機(jī)中的做功蒸汽是由太陽能集熱器和燃煤鍋爐共同加熱的,即太陽能集熱器代替部分鍋爐加熱.

圖1 太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐并聯(lián)的集成方式示意圖Fig.1 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith boiler

1.2 太陽能集熱場(chǎng)與加熱器并聯(lián)的集成方式

圖2為太陽能集熱場(chǎng)與加熱器并聯(lián)的集成方式示意圖.太陽能集熱器作為給水加熱器運(yùn)行,連接在凝汽器出口和鍋爐入口之間.在此方式中,太陽能集熱器可取代單級(jí)加熱器,也可取代多級(jí)加熱器或完全取代單級(jí)和多級(jí)加熱器,將凝結(jié)水加熱到相應(yīng)加熱器出口相同的溫度,然后將此凝結(jié)水輸送給鍋爐.由于該方式是利用太陽能熱輻射進(jìn)行給水加熱,因此減少了抽氣量,使汽輪機(jī)做功增加.在圖2中,為取代整個(gè)回?zé)嵯到y(tǒng),將凝結(jié)水分為兩股：一股送入回?zé)嵯到y(tǒng);另一股送入集熱場(chǎng)進(jìn)行加熱,最后在末級(jí)高壓加熱器出口處,兩股凝結(jié)水匯合在一起輸入鍋爐.

圖2 太陽能集熱場(chǎng)與加熱器并聯(lián)的集成方式示意圖Fig.2 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith heater

1.3 太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐和加熱器并聯(lián)的集成方式

將1.1節(jié)與1.2節(jié)的太陽能集熱場(chǎng)連接方式相結(jié)合,使太陽能集熱器與鍋爐和給水回?zé)峒訜崞鞒善叫羞\(yùn)行.由于回?zé)嵯到y(tǒng)由低壓加熱器和高壓加熱器組成,因此其集成方式也不同,本文主要考慮兩種：①集熱場(chǎng)與鍋爐、回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)(圖3(a)),凝汽器出口的凝結(jié)水進(jìn)入集熱場(chǎng),加熱到再熱冷段的飽和蒸汽狀態(tài)的參數(shù);②集熱場(chǎng)與高壓加熱器、鍋爐并聯(lián)(圖3(b)),高壓加熱器出來的給水進(jìn)入集熱場(chǎng),加熱到再熱冷段的飽和蒸汽狀態(tài)的參數(shù).

圖3 太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐和加熱器并聯(lián)的集成方式示意圖Fig.3 In tegratedm ode of solar collector field connected in parallelw ith both boiler and heater

2 太陽能集熱場(chǎng)與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于太陽能集熱場(chǎng)與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng),采用燃煤節(jié)省型方式運(yùn)行,總的發(fā)電量與原燃煤機(jī)組相同,只是部分電量由太陽能熱發(fā)電獲得.在分析與計(jì)算時(shí),將太陽能與燃煤機(jī)組聯(lián)合循環(huán)看作2個(gè)獨(dú)立的循環(huán)：太陽能循環(huán)(輔助循環(huán))和燃煤機(jī)組朗肯循環(huán)(主循環(huán)).太陽能循環(huán)中集熱器內(nèi)流量為燃煤鍋爐流量的2%,設(shè)計(jì)太陽能輻射強(qiáng)度取800W/m2,環(huán)境溫度取293 K.采用熱平衡方法對(duì)太陽能混合系統(tǒng)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算,熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)采用傳統(tǒng)的絕對(duì)電效率和煤耗率;對(duì)于太陽能循環(huán),則采用新的評(píng)價(jià)指標(biāo)太陽能熱發(fā)電效率[5],即單位太陽能投入熱量所能轉(zhuǎn)化的電量來分析和計(jì)算混合發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性.對(duì)于單純的燃煤機(jī)組,電量?jī)H僅由燃煤釋放的熱能轉(zhuǎn)化而來;對(duì)于單純的太陽能熱發(fā)電機(jī)組,電量由集熱器收集的太陽能輻射熱量轉(zhuǎn)化而來.系統(tǒng)的發(fā)電量和集熱器投入的熱量之比稱為太陽能熱發(fā)電效率,可理解為單位電量所耗費(fèi)的太陽能輻射熱.因此,對(duì)于太陽能混合發(fā)電系統(tǒng),其太陽能發(fā)電效率為：

式中：η為混合發(fā)電系統(tǒng)的太陽能發(fā)電效率;P es為循環(huán)總發(fā)電量,kW?h;P m為循環(huán)中燃煤發(fā)電量,kW?h;Qc為太陽能集熱器吸熱量,k J/s.

混合系統(tǒng)的絕對(duì)電效率為：

式中：Pe為機(jī)組發(fā)電功率,kW;Q總為混合系統(tǒng)的總放熱量,k J/s.

混合系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為：

式中：q s為標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量 ,取 29 270 k J/kg;ηb為鍋爐效率,取0.98;ηp為管道效率,取0.90.

3 實(shí)例分析

筆者以某電廠200 MW機(jī)組的熱力系統(tǒng)為例,對(duì)上述太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的3種集成方式進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析,并利用常規(guī)熱平衡方法計(jì)算出混合系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo).

熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣方程為[6-7]：

式中：A為回?zé)嵯到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣;α為加熱器抽汽系數(shù)矩陣;A f為各級(jí)輔助蒸汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣;αf為各級(jí)輔助蒸汽流量的系數(shù)矩陣;Aτ為各級(jí)輔助水流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣;αw是輔助水流系數(shù)矩陣;αfw為給水流量系數(shù)矩陣;τ為給水在各級(jí)加熱器中的吸熱焓升的結(jié)構(gòu)矩陣;Δqi為各級(jí)加熱器的外部吸熱量,即太陽能的輔助熱量,kJ/kg.

首先根據(jù)式(4)計(jì)算出各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯某槠禂?shù),然后根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)計(jì)算出各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),計(jì)算結(jié)果見表1.由表1可知：當(dāng)太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐并聯(lián)混合發(fā)電時(shí),太陽能熱發(fā)電效率最高;當(dāng)其與回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)時(shí),煤耗率最高,即節(jié)煤效果最差;其他幾種方式的節(jié)煤效果相當(dāng).

表1 太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Tab.1 Thermal econom ic indexes of the solar-coa l hybrid power generation systems

由于太陽能輻射強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化,使集熱器效率發(fā)生改變,太陽能集熱場(chǎng)所釋放的熱量也改變,進(jìn)而使能夠加熱的做功工質(zhì)流量也隨之發(fā)生改變,最終導(dǎo)致太陽能熱發(fā)電效率改變.本文以最大輻射強(qiáng)度計(jì)算,當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度改變時(shí),啟動(dòng)備用鍋爐來維持機(jī)組總發(fā)電量不變.以濟(jì)南地區(qū)太陽能輻射資源為例,濟(jì)南地區(qū)的太陽能直射輻射資料通過查找可知,并將其直接進(jìn)行應(yīng)用[8].當(dāng)分析太陽輻射強(qiáng)度變化時(shí),太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)也發(fā)生變化[9].圖4為不同集成方式下太陽能輻射強(qiáng)度變化時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)變化.圖5為太陽能熱發(fā)電效率隨輻射強(qiáng)度變化的曲線.由圖5可知：太陽能集熱場(chǎng)與燃煤機(jī)組混合發(fā)電,不管采用哪種集成方式,太陽能熱效率都很高;由于在輻射強(qiáng)度小于200W/m2時(shí),太陽能集熱器效率很低,可以忽略,因此本文僅考慮輻射強(qiáng)度200W/m2以上的情況.在最低輻射強(qiáng)度下,混合系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電效率與單純的太陽能熱發(fā)電效率相當(dāng);當(dāng)與不同受熱面并聯(lián)時(shí),在太陽能輻射強(qiáng)度較高時(shí),與鍋爐并聯(lián)集成方式下的太陽能熱發(fā)電效率最高;在太陽能低輻射時(shí),與回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)集成方式下的太陽能熱發(fā)電效率高于其他幾種方式.

4 結(jié) 論

(1)分析了太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的集成方式：太陽能集熱場(chǎng)分別與鍋爐并聯(lián)、與加熱器并聯(lián)以及與二者同時(shí)并聯(lián).通過對(duì)不同集成方式進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算可知：在假定加入太陽能熱量時(shí)機(jī)組主蒸汽流量不變的情況下,太陽能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電時(shí),太陽能熱發(fā)電效率高于單純的太陽能熱發(fā)電,且機(jī)組的煤耗率降低;在太陽能集熱場(chǎng)與鍋爐并聯(lián)混合集成方式下,太陽能熱效率最高,且節(jié)煤量最多.

圖4 在不同集成方式下,太陽能輻射強(qiáng)度改變所對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化Fig.4 Power generation param etersvarying with solar radiation intensity in differen tmodes

圖5 太陽能熱發(fā)電效率隨輻射強(qiáng)度變化的曲線Fig.5 Variation cu rves of solar power generation efficiency vs.radiation in tensity

(2)分析了當(dāng)太陽能輻射資源變化時(shí),燃煤機(jī)組各參數(shù)的變化.結(jié)果表明：隨著太陽輻射強(qiáng)度降低,太陽能熱發(fā)電效率也降低,燃煤消耗量增加,但在最低的太陽輻射強(qiáng)度下,混合發(fā)電系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電效率與單純的太陽能熱發(fā)電效率相當(dāng).

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