基于耦合模型的太陽能與熱能互補特性分析

劉金浦，劉亞平

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

能源是國民經(jīng)濟的命脈，關(guān)系到國計民生和人類的生存， 對一個社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 煤炭是能源結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分。 我國電力結(jié)構(gòu)長期以燃煤為主，燃煤機組發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上［1］。 近年來，政府出臺的一系列能源消費控制政策和環(huán)保要求給燃煤電廠的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，使其面臨著巨大的節(jié)能減排壓力［2］。若在常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)中引入太陽能，使其與熱能構(gòu)成光煤互補發(fā)電系統(tǒng)，一方面可以充分利用機組調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點，降低燃煤機組的煤耗，緩解化石能源短缺問題；另一方面，如果太陽能電力供應(yīng)緊缺，燃煤機組單獨供電，可以有效地解決太陽能應(yīng)用的間歇性問題， 降低太陽能開發(fā)利用的投資成本［3-5］。 同時，與其他可再生資源相比，太陽能熱電系統(tǒng)以熱能為中間能源，與燃煤發(fā)電系統(tǒng)的耦合相對容易。 筆者試對基于耦合模型的太陽能與熱能互補特性進行分析，以期為太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供參考。

1 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

1.1 太陽能集熱系統(tǒng)的工作原理

光學(xué)是太陽能集熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 而基于光學(xué)特性的吸收表面輻射熱流邊界條件是光-熱轉(zhuǎn)換分析的前提［6-7］。 因此，本文基于雙軸跟蹤器導(dǎo)線無反射電容器， 提出了點線耦合聚焦太陽能集熱系統(tǒng)的思路。雙軸跟蹤儀的鈦菲涅耳定日鏡具有抗風(fēng)性良好、結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊、占地少等優(yōu)點。 基于鈦菲涅爾定日鏡的點線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 點線耦合聚焦太陽能集熱器系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of point-line coupling focus solar thermal collector system

由圖1 可知， 基于鈦菲涅爾定日鏡的點線聚焦太陽能集熱系統(tǒng)主要由雙軸跟蹤器導(dǎo)線無反射電容器、BD 反射器和CPC 接收機組成。 BD 反射器上的焦點F1是目標點，入射的太陽光線（IA 和IB）被鈦菲涅爾定日鏡聚焦到塔頂?shù)腂D 反射器上， 焦點分別為C 和D。 然后，太陽光線被重新聚焦到位于近地面焦點F2處的CPC 接收器上， 從而完成光熱能量轉(zhuǎn)換過程。在該系統(tǒng)中，鈦菲涅耳定日鏡是線聚焦聚光鏡，BD 反射鏡和CPC 聚光鏡都是點聚焦聚光鏡。 因此，該系統(tǒng)被稱為點線聚焦集熱系統(tǒng)。

1.2 常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)主要由鍋爐、 汽輪機和蓄熱式加熱器組成。這些部件依次連接在管道上，輸送傳熱和工作液。 鍋爐產(chǎn)生的蒸汽先在汽輪機高壓缸內(nèi)工作，從高壓缸排出的蒸汽進入回?zé)崾郊訜崞?重新加熱。再熱后的蒸汽依次進入中、低壓缸工作，從中、低壓缸排出的蒸汽進入凝汽器，凝結(jié)成蒸汽凝結(jié)水。蒸汽凝結(jié)水由凝結(jié)水泵依次輸送至各低壓回?zé)峒訜崞?，并通過給水泵連續(xù)輸送至各高壓回?zé)峒訜崞?，開始新的循環(huán)。 鍋爐是實現(xiàn)燃料由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的主要裝置，其熱平衡方程如式（1）所示。

式中：mc為燃料質(zhì)量，kg／s；qs為燃料發(fā)熱量，kJ／kg；ηb為鍋爐熱效率；mms為鍋爐出口蒸汽流量，kg／s；hms為鍋爐出口蒸汽比焓，kJ／kg；hiw為鍋爐入口給水比熵，kJ／kg；mrs為再熱蒸汽流量，kg／s；hro為再生熱段蒸汽比熵，kJ／kg；hri為再生冷段蒸汽比熵，kJ／kg。

鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽在汽輪機中膨脹和工作，其在汽輪機中做的功可通過式（2）計算。

式中：W 為蒸汽在汽輪機中做的功，kJ／s；ms為蒸汽流量，kg／s；hsi為蒸汽在汽輪機進口的焓值，kJ／kg；hso為蒸汽在汽輪機出口的焓值，kJ／kg。

2 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)的特性分析

2.1 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)的熱工性能分析

在光煤互補示范電廠的系統(tǒng)流程中， 利用太陽能對回?zé)嵯到y(tǒng)中的蒸汽凝結(jié)水進行加熱， 以替代一定的低壓缸［8-9］。把太陽能加熱后的蒸汽凝結(jié)水再送入除氧器循環(huán)， 替代的蒸汽繼續(xù)留在汽輪機中。 因此，太陽能以電的形式輸出。

圖2 太陽能光煤互補發(fā)電系統(tǒng)簡化圖Fig.2 Simplified diagram of solar-coal power generation system

為便于分析， 根據(jù)功能對太陽能光電互補電站的主要設(shè)備和能量傳輸過程進行了簡化。 簡化后的光煤互補電廠發(fā)電系統(tǒng)由4 個主要子系統(tǒng)（鍋爐預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱子系統(tǒng)A；汽輪機動力子系統(tǒng)B；太陽能油水換熱子系統(tǒng)C；換熱子系統(tǒng)D）和8 個焓熵值（H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8）組成，具體如圖2 所示

通過建立太陽能光煤互補發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，分析了系統(tǒng)主要器件在互補供電運行模式下的參數(shù)分布特性。 根據(jù)圖2 所示的簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算了相應(yīng)的系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)。示范電廠各機組的焓流值如圖3 所示。 太陽能在光煤互補發(fā)電中的占比a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分別為0.1%、0.1%、6.3%、0.34%、0、100%、0.1%、0.1%。

分析示范電廠各機組太陽能在光煤互補發(fā)電中的占比和焓流值可知， 在光煤互補示范電廠的運行模式下，太陽能占總發(fā)電量的0.10%。 更準確地說，如果互補示范電站的額定功率為50 MW，太陽能發(fā)電量為0.05 MW，燃煤發(fā)電量為49.95 MW。

2.2 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)集熱器運行特性研究

根據(jù)光煤互補示范電廠多年氣象資料， 計算場地年太陽直接輻射量為1 970 kWh／m2，水平總輻射量為1 699 kWh／m2。 選取典型夏季日的太陽輻射強度，探討互補電站的運行方式和特性。典型夏季日的時變太陽輻射強度如圖4 所示。

由圖4 可知，太陽在早晨5：30 以后升起，太陽輻射強度隨時間逐漸增加， 并在中午12：30～13：30達到最大值。 13：30 以后，太陽輻射強度急劇下降，20：00 太陽下山后，輻射強度為零。

由于太陽輻射固有的波動特性， 當(dāng)太陽能光煤互補發(fā)電廠穩(wěn)定運行時， 燃煤發(fā)電機組所需的太陽能功率是恒定的。 將所需太陽能總輻射強度Gm定義為輻射閾值，根據(jù)總輻射強度Q，將具有集熱器的光煤互補電廠的實際運行方式分為總輻射強度高于閾值、總輻射強度低于閾值、輻射強度為零3 類。 在3 種運行模式下， 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)的運行控制策略如圖5 所示。

2.3 光煤互補復(fù)合電力系統(tǒng)輻射特性分析

本文遵循“適當(dāng)?shù)臏囟群湍芰康奶荻壤谩钡脑瓌t，主要分析在單次輻射強度不同的集成方式下，擴容太陽能蒸汽后， 直接發(fā)電系統(tǒng)和燃煤發(fā)電機組的綜合性能和熱力性能。 凝結(jié)水泵出口收集的蒸汽凝結(jié)水經(jīng)增壓器加壓后， 再經(jīng)集熱器加熱至抽氣參數(shù)的某一段，然后返回燃煤機組熱力系統(tǒng)。在熱力系統(tǒng)中，與抽氣混合，并在加熱器中加熱。此時，膨脹蒸發(fā)器產(chǎn)生的疏水壓力與過熱蒸汽壓力相同， 與換熱加熱器產(chǎn)生的疏水壓力也基本相同。 更換后的抽氣繼續(xù)在汽輪機中工作，增加了系統(tǒng)功率輸出。太陽能蒸汽進入燃煤發(fā)電機組不同截面時，入口蒸汽流量、壓力和溫度與抽氣參數(shù)直接相關(guān)。因此，機組抽氣流量的變化會引起復(fù)合動力系統(tǒng)熱力性能和熱經(jīng)濟性的參數(shù)變化和性能變化。

圖3 示范電廠各機組焓值Fig.3 Enthalpy flow of each unit in a demonstration power plant

圖4 典型夏季日的太陽輻射分布圖Fig.4 Solar radiation distribution on a typical summer day

圖5 光煤互補發(fā)電系統(tǒng)運行策略Fig.5 Operation strategy of solar-coal power generation system

3 結(jié)語

太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用有利于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模、低成本開發(fā)利用，也可以加快傳統(tǒng)燃煤電廠節(jié)能減排政策的實施。 本文通過理論研究、數(shù)值模擬和仿真計算等方法，對光煤互補復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)進行了探索， 并通過建立光煤互補電力系統(tǒng)的額定輻射和輻射變化模型， 探討了太陽能輔助供熱系統(tǒng)的熱力特性、 運行規(guī)律以及對機組性能的影響。