塔式太陽能光熱配套系統(tǒng)性能研究

李 巖，石 普，賈亞晴，鄧 煜，李 斌（華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003）

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塔式太陽能光熱配套系統(tǒng)性能研究

李 巖，石 普，賈亞晴，鄧 煜，李 斌
（華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003）

摘要：以某350 MW國產(chǎn)亞臨界燃煤機組為例，與塔式太陽能光熱系統(tǒng)配套，形成太陽能光熱配套電站系統(tǒng)，確定塔式太陽能光熱系統(tǒng)配套電站的設(shè)計方案?；赟TAR－90仿真平臺建立實時動態(tài)仿真模型，通過簡單的仿真試驗對方案進(jìn)行改進(jìn)，模擬了某地春分日一天內(nèi)滿負(fù)荷、降負(fù)荷條件下和四個季節(jié)某一天內(nèi)滿負(fù)荷條件下塔式太陽能系統(tǒng)的工作過程，對太陽能系統(tǒng)和機組的運行特性進(jìn)行分析。模擬結(jié)果表明，該模型能準(zhǔn)確反映太陽能的引入對整個機組運行特性和經(jīng)濟性的影響，為太陽能熱發(fā)電的應(yīng)用提供了試驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：塔式太陽能；光熱配套；仿真；運行特性

0 引言

能源是推動人類和社會進(jìn)步的關(guān)鍵，同時化石燃料的使用產(chǎn)生了過多的污染物，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響［1］。

在當(dāng)前能源匱乏和生態(tài)惡化的雙重壓力下，利用太陽能成為人類發(fā)展的一個新出路［2］。將太陽能與常規(guī)能源聯(lián)合發(fā)電［3］，不僅可以降低發(fā)電成本，同時減緩常規(guī)能源的消耗。由于太陽輻射強度的變化趨勢，電網(wǎng)的調(diào)峰能力也可提高。

太陽能熱利用是使用集熱設(shè)備將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為不同溫度的熱能，直接加熱水、氣、低沸點工質(zhì)，或加熱高溫油、熔鹽等再經(jīng)熱交換，產(chǎn)生合格參數(shù)的動力工質(zhì)，推動不同形式的熱動力發(fā)電設(shè)備，實現(xiàn)能量由低品位到高品位的轉(zhuǎn)換，完成能量轉(zhuǎn)換的全過程［4，5］。

塔式太陽能是利用大量的定日鏡［6］將太陽光匯聚到吸熱塔上，聚光比較高，最高可以達(dá)到1 500，運行溫度可達(dá)到1 000～1 500℃［7］。工質(zhì)在集熱器中吸收熱量達(dá)到合格參數(shù)后，進(jìn)入汽輪機發(fā)電。這種工作原理使得系統(tǒng)的集熱效果更好，可以產(chǎn)生參數(shù)比較高的蒸汽，太陽能熱發(fā)電的利用效率也就相應(yīng)地提高。

本文選定了一個地區(qū)的太陽能輻射強度，對塔式太陽能光熱配套電站系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬研究。

1 塔式光熱配套電站系統(tǒng)方案設(shè)計

本文選取某350 MW亞臨界常規(guī)燃煤機組與塔式太陽能系統(tǒng)耦合連接，形成太陽能光熱配套電站系統(tǒng)，耦合方案為：從機組高加出口引5%的給水進(jìn)入太陽能光熱系統(tǒng)，給水經(jīng)增壓泵進(jìn)入位于塔頂?shù)奶柲苠仩t，在蒸發(fā)、過熱受熱面吸熱達(dá)到額定參數(shù)，與電站鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽混合后一同進(jìn)入汽輪機，最終實現(xiàn)機組的節(jié)煤降耗［8，9］。其系統(tǒng)圖如圖1所示。

下面對光熱配套電站整個系統(tǒng)以及方案設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1. 1 火電機組概況

本文所研究的太陽能光熱配套電站需用的火電機組為某350 MW亞臨界供熱機組。鍋爐為HG?1165／17. 5?540／540?HM3型亞臨界參數(shù)、一次中間再熱。汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)采用典型的“三高、四低、一除氧”模式。四段抽汽為除氧器、兩臺給水泵汽輪機提供汽源。在額定工況下機組主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1　太陽能光熱配套系統(tǒng)圖

表1　額定工況下機組主要設(shè)計參數(shù)

下面對光熱配套電站整個系統(tǒng)以及方案設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1. 2 塔式太陽能光熱系統(tǒng)

太陽能系統(tǒng)給水引自機組高加出口，經(jīng)加熱產(chǎn)生的合格蒸汽同電站鍋爐產(chǎn)生的蒸汽一同進(jìn)入汽輪機做功。

（1）太陽能光熱系統(tǒng)的最大吸熱量為鍋爐額定工況下總吸熱量的5%。

（2）太陽能光熱系統(tǒng)進(jìn)口為鍋爐給水通過增壓泵增壓后的未飽和水。

（3）太陽能光熱系統(tǒng)出口蒸汽要比高壓缸進(jìn)口蒸汽參數(shù)高［10，11］。

太陽能鍋爐總體設(shè)計參數(shù)詳見表2。

表2　太陽能鍋爐總體設(shè)計參數(shù)

2 塔式太陽能光熱配套系統(tǒng)運行特性

由于太陽能的間歇性，太陽能光熱系統(tǒng)需要每天啟停，掌握其運行特性顯得尤為重要。為此，基于STAR?90仿真平臺，搭建各個模塊的仿真模型，形成塔式太陽能光熱系統(tǒng)，將光熱系統(tǒng)連接到火電機組仿真模型上，形成光熱配套系統(tǒng)［12，13］。在太陽能光熱系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真試驗，通過試驗?zāi)M了太陽能光熱配套系統(tǒng)運行特性。本文選取某地區(qū)的太陽輻射強度對不同季節(jié)以及不同負(fù)荷條件下的太陽能光熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗。下面對不同工況下系統(tǒng)的仿真模擬情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2. 1 春分日不同負(fù)荷下系統(tǒng)運行特性

根據(jù)設(shè)計工況，火電機組在350 MW額定工況下穩(wěn)定運行，太陽能系統(tǒng)從7：40開始進(jìn)行冷態(tài)啟動，在下午17：00之后進(jìn)行停爐。太陽能鍋爐的啟動過程又主要包括鍋爐上水、升溫升壓、至高壓缸并汽三大步驟。

根據(jù)太陽能輻射熱量的變化，將降負(fù)荷時間區(qū)間選為上午10：00至下午14：00，此時太陽能系統(tǒng)可以產(chǎn)生更多的蒸汽來供給主機組側(cè)。其中，降負(fù)荷工況為待滿負(fù)荷條件穩(wěn)定后在上午10：00開始將主機側(cè)負(fù)荷分別降到300 MW和260 MW，待其降負(fù)荷過程完成并穩(wěn)定運行一段時間后在下午14：00開始將主機側(cè)負(fù)荷升回至350 MW穩(wěn)定工況條件。主機側(cè)和太陽能鍋爐側(cè)在不同負(fù)荷條件下的運行情況如圖2所示。

圖2　春分條件不同負(fù)荷條件下機組運行特性

其中，曲線1、曲線2、曲線3分別為滿負(fù)荷、降負(fù)荷至300 MW和降負(fù)荷至260 MW條件。在滿負(fù)荷條件下，機組的運行比較穩(wěn)定，各個參數(shù)的波動也比較小。此時，太陽能系統(tǒng)側(cè)對主機組側(cè)影響最大的是燃煤量和主蒸汽流量，如圖2 （b）、（d）。在12時太陽能系統(tǒng)側(cè)發(fā)揮的作用最大，最多可以節(jié)約燃煤11 t／h，主蒸汽流量最多減少59. 5 t／h，節(jié)能效果比較明顯，長時間的應(yīng)用對整個機組的經(jīng)濟性會有比較顯著的改善［14］。

在降負(fù)荷的過程中，對于主機側(cè)而言，機組負(fù)荷、燃煤量、主給水流量和主蒸汽流量的變化大致趨勢是相同的，即燃煤量、主給水流量和主蒸汽流量都是隨著機組的負(fù)荷的變化而相應(yīng)改變。在降負(fù)荷至260 MW時，由于降負(fù)荷幅度比較大，機組的運行非常不穩(wěn)定，各個參數(shù)的波動也比較大。升降負(fù)荷的程度不同，故而選取不同的升降負(fù)荷率。主機側(cè)在升降負(fù)荷時，降負(fù)荷和升負(fù)荷的過程相對來說是比較穩(wěn)定的，但是當(dāng)負(fù)荷分別降到目標(biāo)值或者升到目標(biāo)值的一段時間內(nèi)機組會有短暫的波動，此為機組的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時間。

圖2（e）、（f）分別為太陽能鍋爐給水流量和太陽能鍋爐至電站鍋爐蒸汽流量。對于太陽能鍋爐側(cè)而言，太陽能鍋爐產(chǎn)生的送入高壓缸的合格蒸汽流量的變化趨勢與太陽能輻射熱量的變化也是一致的。太陽能鍋爐的給水流量開始有急劇的增減是早晨太陽能鍋爐的上水過程；至電站鍋爐蒸汽流量從0急劇升高到30 t／h是因為太陽能鍋爐側(cè)開始產(chǎn)生的不合格蒸汽都引至除氧器作為輔助蒸汽，待蒸汽參數(shù)達(dá)到535℃／16. 7 MPa時兩側(cè)閥門協(xié)調(diào)控制［15］，慢慢將蒸汽引至高壓缸做功。由于太陽能鍋爐側(cè)產(chǎn)生的蒸汽量有限，相對于主機側(cè)是比較少的，負(fù)荷的改變對其的影響不如對主機側(cè)的影響明顯。從圖2（e）、（f）可以看出，在10：00～14：00這段時間中太陽能系統(tǒng)對于主機側(cè)的貢獻(xiàn)比較大，在中午12點達(dá)到峰值，此時太陽能系統(tǒng)側(cè)和主機組側(cè)的綜合經(jīng)濟性最好。

2. 2 不同季節(jié)條件下系統(tǒng)運行特性

在不同季節(jié)下，太陽能的光照條件會有所不同，塔式太陽能鍋爐側(cè)的運行情況也會相應(yīng)地有所改變，這勢必要影響到主機組側(cè)。以春分、夏至、秋分和冬至日四個典型日期代表春、夏、秋、冬四個季節(jié)，對塔式太陽能光熱配套電站系統(tǒng)不同季節(jié)下的運行情況進(jìn)行了仿真研究。這里又對不同負(fù)荷條件進(jìn)行了分別討論。圖3為滿負(fù)荷條件下不同季節(jié)塔式太陽能光熱配套電站系統(tǒng)的運行情況。

其中，曲線1、曲線2、曲線3、曲線4分別代表春分日、夏至日、秋分日、冬至日系統(tǒng)的運行曲線?？梢院苊黠@地看到，就太陽能的輻射強度來說，夏至日的輻射強度是最強的，相對的變化也是最平穩(wěn)的，冬至日的輻射強度最弱，而春分日和秋分日冬至日和夏至日的輻射強度在正午時分可以相差300 W／m2，這幾乎是冬至日最高輻射強度的一半，由此輻射強度的變化對太陽能鍋爐側(cè)影響是比較大的，相應(yīng)地也對主機組側(cè)造成一定的影響，這點最直觀地反映在機組的燃煤量上。四個季節(jié)下，塔式太陽能鍋爐側(cè)都是在正午12：00處于最佳工作狀態(tài)，此時由于輻射強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較接近的，由圖3（c）還可以看出在上午10：00到下午14：00的這段時間內(nèi)四季的節(jié)能效果都比較明顯［16］。

四個季節(jié)主機側(cè)的機組負(fù)荷和主給水流量在除太陽能鍋爐產(chǎn)汽并汽過程以外的時間運行都是很平穩(wěn)的。自太陽能鍋爐啟動會有短時間的上水過程，而上水來自高加出口，這就對主機鍋爐的給水流量造成了一定的影響，主機負(fù)荷也會隨之變化，負(fù)荷變化的同時對主機側(cè)蒸汽需要量也會不同，也就是對主給水的需要量不同，故而造成總給水流量的波動。在冬季，由于太陽能輻射量比較小，太陽能鍋爐產(chǎn)汽的過程要比較慢，要完成太陽能鍋爐與主機側(cè)的并汽過程的時間要長一些，圖3（d）中冬至日出現(xiàn)的明顯波動是產(chǎn)汽過程中將不合格蒸汽引至除氧器時對放汽閥的控制造成的［17］。

圖3（e）、（f）分別為太陽能鍋爐給水流量和太陽能鍋爐至電站鍋爐蒸汽流量。，在太陽能鍋爐穩(wěn)定產(chǎn)汽的過程中，冬至日的太陽能鍋爐給水流量和太陽能鍋爐至電站鍋爐蒸汽流量大致為夏至日的三分之二。而春分日和秋分日在并汽完成至上午11：00，太陽能鍋爐的產(chǎn)汽量相近，之后是春分日太陽能鍋爐的產(chǎn)汽量多一些。從太陽能鍋爐的給水流量和產(chǎn)汽量看，春分日、夏至日和秋分日的產(chǎn)汽過程相近，時間和蒸汽參數(shù)的變化趨勢一致，只有冬至日時，由于天氣條件和太陽能輻射強度的限制，完成并汽過程的時間要晚一些。

由于太陽能鍋爐的引入，在滿負(fù)荷條件下，除在產(chǎn)汽并汽過程的波動以外，整個光熱配套系統(tǒng)的運行是比較穩(wěn)定的。

仿真模擬結(jié)果表明，本文所建立的塔式太陽能光熱配套系統(tǒng)模型動態(tài)特性變化合理有效，可以較好地反映系統(tǒng)的運行特性，可以為系統(tǒng)的運行分析提供參考并做出預(yù)測。

圖3　滿負(fù)荷條件不同季節(jié)下系統(tǒng)運行特性

3 結(jié)論

（1）太陽能與燃煤機組聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可免去獨立太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中必須的儲熱系統(tǒng)，提高機組的調(diào)峰能力；塔式太陽能系統(tǒng)可將蒸汽參數(shù)提高到燃煤機組運行參數(shù)，替代燃煤機組的部分燃料，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

（2）根據(jù)塔式太陽能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，確定了光熱配套電站方案：從機組高加出口引總給水量的5%進(jìn)入太陽能光熱系統(tǒng)，經(jīng)加熱產(chǎn)生的合格蒸汽與電站鍋爐蒸汽混合后一同進(jìn)入汽輪機高壓缸做功。

（3）由于太陽輻射強度的變化趨勢與用電峰值相對應(yīng)，在上午10：00至下午14：00間塔式太陽能系統(tǒng)的集熱效率和換熱效率都比較高，可以有效得緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。

（4）本文所建立模型能夠準(zhǔn)確太陽能光熱系統(tǒng)以及火電機組的動態(tài)響應(yīng)特性和運行規(guī)律，各熱力參數(shù)的變化趨勢符合系統(tǒng)工作機理。太陽能光熱系統(tǒng)的運行對火電機組影響不大，火電機組的控制系統(tǒng)不需要做改動即可實現(xiàn)光熱配套電站的正常運行。

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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

作者簡介：李巖（1990－），女，碩士研究生，研究方向為太陽能輔助燃煤系統(tǒng)的仿真及動態(tài)特性分析，E?mail：ndliyan＠si?na. cn。

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2012BAA07B01）。

收稿日期：2015－11－04。

中圖分類號：TK01＋9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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