槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)熱性能研究

付　立，　樊　雪，　侯宏娟，　王　志

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江諸暨 311800；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

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槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)熱性能研究

付立1，樊雪2，侯宏娟3，王志1

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江諸暨 311800；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，建立了集熱場(chǎng)得熱及熱損失等數(shù)學(xué)模型，并以典型槽式集熱器EUROTROUGH-150(ET-150)組成的集熱系統(tǒng)為例，進(jìn)行了以集熱場(chǎng)熱效率最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上以槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)(即互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng))為研究對(duì)象，采用一定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和集成方式，對(duì)直射輻射強(qiáng)度(DNI)設(shè)計(jì)值的選取進(jìn)行分析研究.結(jié)果表明：不同回路數(shù)、不同緯度分布的集熱場(chǎng)存在不同的最優(yōu)列間距，且存在最佳取值范圍的直射輻射強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，使系統(tǒng)年性能最優(yōu).

槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)； 集熱場(chǎng)效率； 最優(yōu)列間距； 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)； 直射輻射強(qiáng)度

槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電技術(shù)是一種新型發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)采用了目前最為成熟、商業(yè)化運(yùn)行最廣的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)輔助傳統(tǒng)燃煤機(jī)組發(fā)電.在槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng))中，槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱集熱系統(tǒng))作為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性能的好壞.近年來(lái)，針對(duì)集熱系統(tǒng)關(guān)鍵部件——槽式集熱器熱力性能的研究得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，在集熱器的聚光特性、集熱效率、換熱特性以及熱應(yīng)力等方面已有一些相應(yīng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[1-4].對(duì)于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在其集成方式和熱力特性等方面進(jìn)行了大量的研究與探索[5-13]，但上述成果大多將集熱場(chǎng)看成黑箱而未對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析，而且選取直射輻射強(qiáng)度(DNI)設(shè)計(jì)值時(shí)所采用的方法不盡相同.基于此，筆者針對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，建立集熱系統(tǒng)及互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)槽式集熱場(chǎng)的優(yōu)化布置以及互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)直射輻射強(qiáng)度的選取進(jìn)行分析研究.

1　互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將集熱系統(tǒng)與燃煤發(fā)電機(jī)組通過(guò)不同的耦合方式加以集成，利用太陽(yáng)能加熱送入鍋爐的給水，從而減少機(jī)組發(fā)電煤耗.

筆者研究的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成方式如圖1所示.當(dāng)直射輻射強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，對(duì)除氧器出口給水切換路徑，直接全部送入集熱系統(tǒng)，經(jīng)集熱系統(tǒng)加熱升溫后再引至原3級(jí)高壓加熱器進(jìn)口.則集熱系統(tǒng)收集熱量的多少?zèng)Q定了進(jìn)入集熱系統(tǒng)的給水溫度的升高量，從而可相應(yīng)依次減少或切除送入各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯某槠苟嘤嗟恼羝芾^續(xù)膨脹做功.需要注意的是，當(dāng)集熱系統(tǒng)的輸出熱量已滿足使3級(jí)高壓加熱器的抽汽全部切除時(shí)，若集熱系統(tǒng)仍有多余的熱量，為保證進(jìn)入鍋爐的給水的過(guò)冷度，本文中舍棄此過(guò)剩熱量.

圖1　互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成示意圖

集熱系統(tǒng)一般由若干并聯(lián)回路(Loop)組成，每個(gè)Loop包含一定數(shù)量的槽式集熱器(SCA)，SCA主要利用槽型拋物面反射鏡將太陽(yáng)輻射能聚焦到位于其焦線上的真空吸熱管上，加熱流入吸熱管的傳熱流體(HTF).集熱系統(tǒng)的集熱場(chǎng)典型布置方式主要有I型和H型2種[14]，筆者以I型集熱場(chǎng)為例進(jìn)行研究，選用典型的EUROTROUGH-150(ET-150)集熱器，該集熱器參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　ET-150集熱器參數(shù)

2　互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集熱及評(píng)價(jià)模型

2.1集熱系統(tǒng)建模

2.1.1集熱場(chǎng)效率模型

集熱場(chǎng)凈輸出熱量由下式得到：

(1)

式中：Qcol為集熱場(chǎng)凈輸出熱量，W/m2;Qa為集熱場(chǎng)吸收的太陽(yáng)輻射能，W/m2;Qp為集熱場(chǎng)管道損失，W/m2;Qc為集熱場(chǎng)散熱損失，W/m2.

定義集熱場(chǎng)效率為集熱場(chǎng)凈輸出熱量與集熱場(chǎng)接收到的太陽(yáng)輻射能的比值，計(jì)算公式如下:

(2)

式中：η為集熱場(chǎng)效率；Qr為集熱場(chǎng)接收到的太陽(yáng)輻射能，W/m2.

2.1.2集熱場(chǎng)得熱模型

集熱場(chǎng)接收到的太陽(yáng)輻射能可由下式得到：

(3)

式中：IDNI為直射輻射強(qiáng)度，W/m2；cosθ為太陽(yáng)光線入射角余弦值；NSCA為集熱場(chǎng)中集熱器的列數(shù)；R為集熱器陰影修正因子.

由文獻(xiàn)[15]可知，集熱場(chǎng)吸收的太陽(yáng)輻射能為

Qa=IDNI·cosθ·α·β·R·ηfield·ηHCE·γ

(4)

式中：α為入射角修正系數(shù)；β為末端損失；ηfield為集熱場(chǎng)效率光學(xué)修正因子；ηHCE為集熱裝置效率光學(xué)修正因子；γ為集熱器運(yùn)行比例，全部運(yùn)行時(shí)取1.

2.1.3集熱場(chǎng)熱損失模型

集熱場(chǎng)熱損失主要包括集熱場(chǎng)散熱損失和集熱場(chǎng)管道損失.集熱場(chǎng)管道損失Qp由以下經(jīng)驗(yàn)公式[15]得到：

式中：Tout為集熱場(chǎng)出口傳熱流體的溫度，℃；Tin為集熱場(chǎng)進(jìn)口傳熱流體的溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；ΔT為傳熱流體進(jìn)、出口平均溫度與環(huán)境溫度的差值，K.

集熱管單位長(zhǎng)度散熱損失Qh由以下經(jīng)驗(yàn)公式[16]得到：

(6)

式中：A0～A6為熱損失相關(guān)系數(shù)；THTF為集熱器傳熱流體的溫度，℃；VW為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，m/s.

由于生產(chǎn)或者使用過(guò)程中常出現(xiàn)以下3種失效狀態(tài)的集熱管：氫氣滲透、失真空和破損，不同狀態(tài)的集熱管對(duì)應(yīng)不同的熱損失相關(guān)系數(shù)[17]，由此可計(jì)算求得集熱場(chǎng)散熱損失Qc[16].

(7)

2.2互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型

對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能及經(jīng)濟(jì)性能建立如下評(píng)價(jià)模型.

(1) 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗bs.

(8)

式中：bs為互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗，kg/(kW·h)；M為經(jīng)折算后互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kg；W為互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h；ηcp為全廠效率.

(2) 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率.

定義互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率為太陽(yáng)能發(fā)電量Ps與集熱場(chǎng)接收的太陽(yáng)輻射能Qr的比值，可由下式表示：

(9)

式中：ηse為互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率；ηref為單位煤發(fā)電量，(kW·h)/kg；b為原燃煤機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)煤耗，kg/(kW·h).

(3) 太陽(yáng)能發(fā)電成本CLEC

(10)

式中：CLEC為太陽(yáng)能發(fā)電成本，元/(kW·h)；f為投資年回收系數(shù)；i為貼現(xiàn)率，取6%；n為電廠經(jīng)濟(jì)使用壽命，本文中取25年；Ct為年投資費(fèi)用，元/年；Cm為年運(yùn)行費(fèi)用，元/年；Cf為年燃料費(fèi)用，元/年；C為節(jié)煤補(bǔ)貼收益，元，節(jié)煤補(bǔ)貼取300元/t；E為年均太陽(yáng)能發(fā)電量，kW·h，發(fā)電量逐年衰減率取5‰.

3　最優(yōu)列間距選取

在集熱場(chǎng)列間距和Loop數(shù)相同的情況下，由集熱系統(tǒng)模型可知，集熱場(chǎng)接收的太陽(yáng)輻射能和熱量損失等與集熱場(chǎng)采光面積成比例變化，因此集熱場(chǎng)效率不受采光面積的影響.而相同的列間距下，集熱場(chǎng)Loop數(shù)以及場(chǎng)地所處緯度對(duì)集熱場(chǎng)實(shí)際接收的太陽(yáng)輻射能、集熱場(chǎng)熱損失及凈輸出熱量有很大影響.不同集熱場(chǎng)Loop數(shù)對(duì)應(yīng)不同的集熱場(chǎng)總占地面積，決定集熱場(chǎng)接收的太陽(yáng)輻射能、遮擋損失和管道損失的多少；不同緯度對(duì)應(yīng)不同的太陽(yáng)入射角，進(jìn)而影響集熱場(chǎng)遮擋損失及集熱場(chǎng)接收的太陽(yáng)輻射能.在同樣的Loop數(shù)和緯度下，相同的輻照條件，列間距越大，遮擋越少，但列間距增大，土地使用量增加，初投資亦會(huì)隨之增加.因此，有必要對(duì)集熱場(chǎng)列間距的選取進(jìn)行研究，尋求不同條件下的最優(yōu)列間距.

以某地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)為例，選取春分日正午太陽(yáng)時(shí)12時(shí)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，直射輻射強(qiáng)度為903 W/m2，風(fēng)速為2.9 m/s，環(huán)境溫度為8.5 ℃，油水換熱溫差設(shè)為10 K.集熱場(chǎng)南北布置，單軸跟蹤，集熱場(chǎng)共由60個(gè)SCA組成.

3.1不同Loop數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)列間距

在相同的采光面積下，集熱場(chǎng)Loop數(shù)與集熱場(chǎng)每個(gè)Loop所包含的SCA數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)的年集熱場(chǎng)效率如圖2所示.

由圖2可以看出，相同列間距下，Loop數(shù)越大，年集熱場(chǎng)效率越低；Loop數(shù)分別為10、15和30時(shí)，最高年集熱場(chǎng)效率分別為44.29%、44.22%和44.03%，對(duì)應(yīng)的最佳列間距分別為15.5 m、16 m和16.5 m.相同列間距下，隨著Loop數(shù)的增加，遮擋損失逐漸增大，集熱場(chǎng)總占地面積亦隨之增大，導(dǎo)致管路損失增大，年集熱場(chǎng)效率降低；相同的Loop數(shù)下，年集熱場(chǎng)效率隨著列間距的增大呈先快速提高后緩慢降低的變化趨勢(shì)，原因?yàn)殡S著列間距的增大，集熱場(chǎng)遮擋損失逐漸減小，而集熱場(chǎng)管道熱損失逐漸增大.

表2相同采光面積下集熱場(chǎng)Loop數(shù)與SCA數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.2　　　　Loop number vs. SCA number under same daylighting area of solar collector fields

圖2　年集熱場(chǎng)效率與Loop數(shù)和列間距的關(guān)系

由此得到在筆者設(shè)定的采光面積下，集熱系統(tǒng)Loop數(shù)分別為30、15和10時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)列間距分別為16.5 m、16 m和15.5 m.

3.2不同緯度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)列間距

圖3給出了年集熱場(chǎng)效率與緯度和列間距的關(guān)系.由圖3可知，在相同的輻射條件下，集熱場(chǎng)布置在不同緯度地區(qū)時(shí)，隨著緯度升高，年集熱場(chǎng)效率呈下降趨勢(shì).因?yàn)榫暥仍降?，太?yáng)高度角越大，對(duì)應(yīng)入射角越小，集熱場(chǎng)遮擋損失越少，單位面積獲得的太陽(yáng)輻射能就越多.緯度分別為北緯42.47°、38.47°和34.47°時(shí)，最佳列間距分別為18 m、16.5 m和16 m，對(duì)應(yīng)的集熱場(chǎng)最高效率分別為42.75%、44.03%和45.08%，由此可知，緯度越高，最佳列間距越大，對(duì)應(yīng)的集熱場(chǎng)效率越低.

圖3　年集熱場(chǎng)效率與緯度和列間距的關(guān)系

4　直射輻射強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的選取

4.1初始條件

在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集熱場(chǎng)設(shè)計(jì)中，不同的DNI設(shè)計(jì)值會(huì)影響集熱場(chǎng)面積的大小.若DNI設(shè)計(jì)值過(guò)高，則對(duì)應(yīng)的集熱場(chǎng)面積會(huì)偏小，當(dāng)大部分時(shí)段的DNI值低于該設(shè)計(jì)值時(shí)，則集熱系統(tǒng)輸出熱量常低于額定工況的輸出要求，從而太陽(yáng)能年發(fā)電量降低；若DNI設(shè)計(jì)值過(guò)低，則對(duì)應(yīng)的集熱場(chǎng)面積偏大，當(dāng)大部分時(shí)段的DNI值高于該設(shè)計(jì)值時(shí)，則存在多數(shù)時(shí)間中集熱系統(tǒng)輸出熱量過(guò)多而造成浪費(fèi)現(xiàn)象[10].

筆者選擇槽式太陽(yáng)能輔助330 MW燃煤發(fā)電機(jī)組互補(bǔ)發(fā)電，保持互補(bǔ)發(fā)電功率為330 MW，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能發(fā)電功率為10 MW.集成方式如圖1所示，每個(gè)Loop由4個(gè)ET-150型集熱器組成，導(dǎo)熱油進(jìn)、出口溫度分別為189 ℃和283 ℃.分別選取拉薩、北京和銀川3個(gè)地區(qū)，按照上文所述計(jì)算得到3地集熱場(chǎng)的最優(yōu)列間距分別為15.7 m、17.2 m和16.5 m，進(jìn)一步對(duì)DNI設(shè)計(jì)值的選取進(jìn)行研究.3地直射輻射時(shí)長(zhǎng)分布如表3所示.

表3　3地直射輻射時(shí)長(zhǎng)分布

4.2結(jié)果與分析

保持太陽(yáng)能發(fā)電功率為10 MW，選取不同的DNI設(shè)計(jì)值，得到對(duì)應(yīng)的集熱場(chǎng)面積(即Loop數(shù))，在此基礎(chǔ)上對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示.

表4　計(jì)算結(jié)果

由表3和表4可以看出，輻射條件越好的地區(qū)，年光電轉(zhuǎn)換效率越高，LEC越低.另外，隨著DNI設(shè)計(jì)值的增大，對(duì)應(yīng)Loop數(shù)逐漸減少，年光電轉(zhuǎn)換效率呈先升后降而LEC呈先減后增的趨勢(shì).這是因?yàn)長(zhǎng)oop數(shù)越小，集熱系統(tǒng)輸出的熱量越少，其能夠取代的抽汽量越少且抽汽品位越低，即取代抽汽返回汽輪機(jī)做功的能力越差，所以太陽(yáng)能年發(fā)電量越少，年光電轉(zhuǎn)換效率越低，LEC越高；Loop數(shù)越大，集熱系統(tǒng)的總投資越大，集熱系統(tǒng)取代的抽汽量越多且抽汽品位越高，即取代抽汽返回汽輪機(jī)做功的能力越強(qiáng)，所以太陽(yáng)能年發(fā)電量越多，年光電轉(zhuǎn)換效率越高，但是若Loop數(shù)大于一定值時(shí)繼續(xù)增大，則集熱系統(tǒng)輸出熱量就會(huì)高于所需熱量，多余的熱量則會(huì)被舍棄，年光電轉(zhuǎn)換效率隨之降低，LEC隨之增加.由以上分析可知，對(duì)于不同地區(qū)和不同輻射強(qiáng)度下的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)直射輻射強(qiáng)度必定存在一個(gè)最佳值，拉薩、北京和銀川3個(gè)不同地區(qū)對(duì)應(yīng)的最佳DNI設(shè)計(jì)值分別為400 W/m2、300 W/m2和400 W/m2.所以，在太陽(yáng)能發(fā)電功率為10 MW的條件下，由圖4可知，在不同地區(qū)和不同直射輻射時(shí)長(zhǎng)分布情況下，最佳DNI設(shè)計(jì)值的分布范圍大致在該地區(qū)直射輻射時(shí)長(zhǎng)分布比例的55%～65%范圍內(nèi).

圖4　不同地區(qū)的最佳DNI設(shè)計(jì)值

5　結(jié)　論

(1) 針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，建立集熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)集熱場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，得到了不同回路數(shù)、不同緯度下集熱場(chǎng)的最優(yōu)列間距.

(2) 針對(duì)不同地區(qū)的槽式太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)，在滿足太陽(yáng)能設(shè)計(jì)發(fā)電功率為10 MW的條件下，對(duì)DNI設(shè)計(jì)值的選取進(jìn)行研究，得到了最佳DNI設(shè)計(jì)值分布在當(dāng)?shù)刂鄙漭椛鋾r(shí)長(zhǎng)分布比例的55%～65%范圍內(nèi)的規(guī)律.

(3) 筆者的研究方法可用于其他不同集成方式及不同太陽(yáng)能設(shè)計(jì)發(fā)電功率下相關(guān)參數(shù)的選取，為互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考.

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Thermal Performance Analysis of a Coal-fired Power System Aided by Parabolic Trough Solar Collectors

FULi1,FANXue2,HOUHongjuan3,WANGZhi1

(1. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China; 2. Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd., Zhuji 311800, Zhejiang Province, China;3. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Taking the EUROTROUGH-150(ET-150) parabolic trough solar collector as an example, mathematical models on heat collection and heat loss of the system were built to optimize its thermal efficiency. On above basis, a coal-fired power system aided by parabolic trough solar collectors (complementary power generation system) was researched to analyze the selection of direct normal irradiance (DNI) design values using a certain evaluation criteria in the integration mode. Results show that for collector fields with different number of loops and different latitude distributions, there exists optimal column spacing and optimal range of DNI design values to make the system annual performance optimum.

parabolic trough solar collector system; collector field efficiency; optimal column spacing; complementary power generation system; direct normal irradiance

2015-09-25

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206049)

付立(1988-)，男，河南永城人，工程師，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電方面的研究.電話(Tel.):0571-85246395；

E-mail:flfx2008@163.com．

1674-7607(2016)08-0645-06

TM615

A學(xué)科分類號(hào)：480.60