太陽能輔助燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)的探討

陳永強，毛漢領(lǐng)，黃振峰

（1.廣西大學機械工程學院廣西南寧530004；2.廣西廣播電視大學廣西南寧530004）

能源危機促使我國探索一種經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)，即低碳經(jīng)濟。在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究正是這種經(jīng)濟模式的體現(xiàn)。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)大致分為：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和蝶式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是最成熟的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電需要燃燒煤，而煤的蘊藏量有限，正面臨著枯竭的危險。燃燒煤將排出CO2和硫的氧化物，這些物質(zhì)會導致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。我國太陽能資源豐富，全國2/3的國土面積年日照時間在2300 h以上，年輻射總量為3340～8400 MJ/m2,豐富的太陽能資源為我們改造現(xiàn)有的燃煤熱發(fā)電廠提供了條件。

在常規(guī)燃煤發(fā)電廠中，是利用鍋爐將給水加熱成過熱蒸汽，推動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

而太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)是利用拋物狀的槽型集熱器收集的太陽能熱產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

綜上所述，燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)都是利用熱量作為載體去驅(qū)動汽輪機工作，其工質(zhì)是水。因此，可以利用太陽能集熱器收集的熱量去取代部分燃煤提供的熱量。具體方法是：太陽能集熱器收集的熱量去代替汽輪機部分抽汽加熱鍋爐給水，構(gòu)建太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)，以達到節(jié)約燃煤，減少溫室氣體排放的目的。

1 混合系統(tǒng)集成

圖1是某300 MW機組的熱力循環(huán)流程圖，圖中αj為抽汽段。以此機組為基礎(chǔ)建立太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能集熱器收集的熱量加熱給水取代汽輪機某段抽汽加熱給水。太陽能給水加熱器是由許多太陽能槽式拋物狀集熱器按串并連方式組成。加熱器出口有集箱，以便調(diào)節(jié)給水溫度。太陽能輻射通過反射器、玻璃管、吸收管最后加熱流動的介質(zhì)。

圖1 300 MW機組熱力系統(tǒng)循環(huán)流程示意圖

2 混合系統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析

2.1 熱力系統(tǒng)參數(shù)計算

太陽能輔助燃煤發(fā)電混合系統(tǒng)是在燃煤發(fā)電機組的基礎(chǔ)上，引入太陽能熱量取代某段抽汽熱量。太陽能的引入必然引起鍋爐、汽輪機的熱力參數(shù)的變化。首先利用常規(guī)法進行單純?nèi)济簷C組的原始工況熱力參數(shù)計算。然后，以此參數(shù)為基礎(chǔ)，利用弗留格爾公式[1]進行太陽能引入后的變工況熱力參數(shù)計算。具體步驟如圖2所示。

圖2 變工況熱力參數(shù)計算流程圖

以取代第一段抽汽加熱給水為例，在原始工況參數(shù)基礎(chǔ)上用常規(guī)法計算，計算結(jié)果列于表1和表2。

表1 各加熱器抽汽系數(shù)

利用表1和表2的參數(shù)，按照圖2所示流程進行各加熱器壓力，進口、出口溫度，進水、出水、疏水比焓計算，計算結(jié)果列于表3。

表2 各級組通流量參數(shù)

用同樣的方法可以計算太陽能集熱器收集的熱量去代替其他汽輪機抽汽段時，各加熱器壓力，進口、出口溫度，進水、出水、疏水比焓。

表3 各加熱器參數(shù)

2.2 熱經(jīng)濟性分析

集熱器效率[2]如下

式中，ηopt為集熱器光學效率，取值73.3%;Kτα為入射角修正系數(shù)，取值1;a，b，c為熱平衡系數(shù)，其中a=1.91×10-2WK-1m-2，b=2.02×10-9WK-1m-2，c=6.608×10-3JK-1m-3;Vwind為環(huán)境風速，取值4 m/s;Ta為環(huán)境溫度，取值293 K;Tsky為大氣溫度，取值Tsk=Tay;εab為金屬涂層的吸收體發(fā)射率;取值0.15，Tab為管內(nèi)流體溫度，

標準煤耗[3]如下：

式中，ηi為汽輪機內(nèi)效率;ηm為機械效率;ηg發(fā)電機效率;ηb為鍋爐效率;ηp為管道效率。

燃煤機組額定運行工況下的煤耗率為313.43 g標煤/kW·h,取輻射強度700 W/m2為設(shè)計值。表4為不同方案的熱經(jīng)濟性分析。

表4 不同方案的熱經(jīng)濟性分析

節(jié)煤量如下

圖3 各段節(jié)煤量比較

3 經(jīng)濟性分析

3.1 成本分析

太陽能集熱器場集熱量Q

太陽能集熱場的面積S

太陽能拋物槽式集熱器的成本近似為230[4]歐元/m2，折人民幣約2090元/m2。則太陽能集熱場投資C為

3.2 節(jié)煤效益

按節(jié)煤量8.86/kW·h，太陽能年輻照2300 h計算，每年可節(jié)省標準煤

以標準煤價[5]983元/t來計算，則節(jié)煤效益為

3.3 環(huán)境效益

每燃燒一噸煤會產(chǎn)生4.12 t的CO2氣體，則每年可減少CO2的排放量為

4 結(jié)語

對太陽能集熱器收集的熱量加熱給水取代汽輪機各段抽汽加熱給水的熱經(jīng)濟性進行比較，確定取代第一段抽汽為最佳方案。雖然從成本來看，太陽能熱發(fā)電的成本偏高。但是，采用太陽能輔助燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)可以降低現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的煤耗，從而減少溫室氣體的排放。在我國現(xiàn)有條件下，本文為改造我國現(xiàn)有燃煤機組提供了理論參考。

[1] 黃新元.熱力發(fā)電廠課程設(shè)計[M].1版.北京：中國電力出版社，2004：63-65.

[2] ODEH S D,MORRISON G L,BEHNIA M.Model ling of Parabolic Trough Direct Steam Generation Solar Collectors[J].Solar Energy,1998,62(6):395-406.

[3] 葉濤.熱力發(fā)電廠[M].3版.北京：中國電力出版社，2009:20-21.

[4] MANZOLIN G,BEIIARMINO M,MACCHI E,et at.Solar Thermodynamic Plants for Cogenerative Industrial Applications in Southern Europe [J].Renewable Energy,2011,36(1):235-243.

[5] 煤炭網(wǎng).國內(nèi)煤炭價導報[EB/OL].(2011-2-24)[2011-2-28].http://www.coal.com.cn/Gratis/2011-2-25/Article Display264746.Shtml.