兩種運(yùn)行模式下光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)熱性能對比分析

收稿日期：2022-01-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（22068024）

通信作者：余廷芳（1974—），男、博士、教授，主要從事新能源發(fā)電系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化方面的研究。1535910757@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0031 文章編號：0254-0096（2023）05-0121-07

摘 要：以某空冷600 MW光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組為研究對象，對機(jī)組在兩種典型運(yùn)行模式下太陽能發(fā)電量、光電轉(zhuǎn)換效率、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量等熱性能進(jìn)行分析比較。針對已建成光煤互補(bǔ)機(jī)組，提出太陽能利用效益最大化新熱循環(huán)效率評價指標(biāo)，并以新熱循環(huán)效率最大為目標(biāo)的光煤互補(bǔ)機(jī)組背壓優(yōu)化新方法，獲得不同負(fù)荷下背壓優(yōu)化后機(jī)組熱性能的提升效果，最后定量分析環(huán)境溫度對機(jī)組熱性能優(yōu)化的影響。結(jié)果表明：機(jī)組在“功率增大型”模式下的熱性能更優(yōu)；背壓優(yōu)化后機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下的熱性能提升效果受太陽直接輻照度和機(jī)組負(fù)荷影響。光電轉(zhuǎn)換效率、熱循環(huán)效率和節(jié)煤量的提升效果隨環(huán)境溫度的降低而增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：太陽能；燃煤電站；能量轉(zhuǎn)換；運(yùn)行模式；背壓優(yōu)化

中圖分類號：TK512" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

為有效解決化石燃料短缺問題及傳統(tǒng)燃煤電站對環(huán)境的不良影響，擴(kuò)大清潔可再生能源的應(yīng)用勢在必行，其中光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。一方面，可通過共享燃煤發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)設(shè)施降低太陽能熱發(fā)電的投資成本；另一方面，能充分利用太陽能降低電站煤耗從而實現(xiàn)節(jié)能減排。光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式可分為“燃煤節(jié)省型”（FS）模式和“功率增大型”（PB）模式兩種［1］。 基于FS運(yùn)行模式，文獻(xiàn)［2-3］分析了330 MW光煤互補(bǔ)系統(tǒng)的變工況運(yùn)行性能和動態(tài)熱性能。為實現(xiàn)機(jī)組安全運(yùn)行，文獻(xiàn)［4］提出在該運(yùn)行模式下集成系統(tǒng)過熱/再熱蒸汽溫度的控制措施?；赑B運(yùn)行模式，文獻(xiàn)［5］對光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中太陽能3種并聯(lián)方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析；文獻(xiàn)［6］研究了集成模型、取代份額、輻射強(qiáng)度、地區(qū)和容量對光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［7-9］對直接空冷型燃煤發(fā)電機(jī)組的集成系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析以獲得最大凈輸出功率；文獻(xiàn)［10-11］則在兩種運(yùn)行模式下對光煤互補(bǔ)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了對比分析。

然而，上述研究鮮有涉及兩種運(yùn)行模式對太陽能耦合直接空冷發(fā)電機(jī)組熱性能的影響。因此，本文以某空冷600 MW光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，基于上述兩種運(yùn)行模式，在不同負(fù)荷工況下對該集成系統(tǒng)展開熱力學(xué)性能對比分析，并以此為基礎(chǔ)分析背壓優(yōu)化對集成系統(tǒng)性能提升的影響。

1 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)流程描述

光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。在此系統(tǒng)中，油水換熱器與#1高壓加熱器（后文簡稱“高加”）采取并聯(lián)集成方式，故#2高加出口的給水流量可分為兩部分：一部分流入#1高加被抽汽加熱，另一部分流入油水換熱器，由槽式太陽能集熱場獲得的太陽能熱加熱，而被替代的抽汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中做功。在夜間或陰天太陽光照不足時，給水全部流入#1高壓加熱器以保證正常的功率輸出。

基于此系統(tǒng)，本文采用兩種典型運(yùn)行模式“功率增大型”和“燃煤節(jié)省型”展開分析研究。“功率增大型”表現(xiàn)為主蒸汽流量維持不變，耦合太陽能后互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率增大；“燃煤節(jié)省型”表現(xiàn)為輸出功率維持不變，耦合太陽能后互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)煤耗降低。

2 系統(tǒng)建模及性能評價

2.1 集熱場模型

太陽能集熱場獲得的有效熱量［12］為：

[Qsolar=Qabs-Qcol-Qpipe] （1）

式中：[Qabs]——集熱場接收的有效太陽輻射能，W/m2；[Qcol]——集熱場管路熱損失，W/m2；[Qpipe]——集熱器熱損失，W/m2。

太陽能集熱場接收的有效太陽輻射能［13］為：

[Qabs=As?EDNI?cosθ?kθ?ηrow?ηend?ηopt] （2）

式中：[As]——太陽能集熱場總面積，m2；[EDNI]——太陽法向直接輻照度，W/m2；[θ]——太陽能輻射入射角，（ °）；[kθ]——入射角修正系數(shù)；[ηrow]——集熱器遮蔭系數(shù)；[ηend]——集熱器末端損失因子；[ηopt]——集熱器光學(xué)效率。

集熱器熱損失和管路熱損失［12］為：

[Qpipe=0.01693ΔT-1.683×10-4ΔT2+6.78×10-7ΔT3] （3）

[Qcol=b1?EDNI?cosθ?kθ?ηrow?ηend+b2+b3ΔTΔT] （4）

式中：[ΔT]——集熱管工質(zhì)與周圍環(huán)境的平均溫差，℃；[b1]、[b2]、[b3]——LS-2集熱器測試得到的3個經(jīng)驗參數(shù)，[b1=7.26×10-5]，[b2=4.96×10-3，b3=6.91×10-3]。

2.2 汽輪機(jī)模型

在實際應(yīng)用中，由于太陽能的引入，汽輪機(jī)的各級抽汽流量將偏離設(shè)計值，汽輪機(jī)級間的壓力因此改變。為簡化計算，本文采用改進(jìn)的Stodola公式計算變工況下汽輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)［14］：

[DiDi，d=p2i-p2i+1p2i，d-p2i+1，d] （5）

式中：[Di]、[Di，d]——汽輪機(jī)[ith]級在變工況和設(shè)計工況下的主蒸汽流量，kg/h；[pi、][pi+1]——光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組汽輪[ith]、[（i+1）th]級的抽汽壓力，MPa；[pi，d、][pi+1，d]——原燃煤發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計工況下[ith]、[（i+1）th]級的抽汽壓力，MPa。

2.3 冷端模型

直接空冷機(jī)組排汽壓力由空冷器進(jìn)口飽和蒸汽溫度確定，而空冷器進(jìn)口飽和蒸汽溫度近似為凝結(jié)水溫。根據(jù)能量守衡和傳熱單元數(shù)法，凝結(jié)水溫度為［15］：

[tn=Dn（hn-hs）AfVfρa(bǔ)cpa（1-e-NTU）+ta] （6）

式中：[Dn]——汽輪機(jī)排汽流量，kg/s；[hn]——汽輪機(jī)排汽比焓，kJ/kg；[hs]——凝結(jié)水比焓，kJ/kg；[Af]——空冷器總迎風(fēng)面積，m2；[Vf]——空冷器迎面風(fēng)速，m/s；[ρa(bǔ)]——空氣平均密度，kg/m3；[cpa]——冷卻空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；[NTU]——傳熱單元，[NTU=KAconAfVfρa(bǔ)Ca]，其中[K]為空冷器總傳熱系數(shù)，W/（m2·K），[Acon]為空冷器總換熱面積，m2；[ta]——冷卻空氣溫度，℃。

2.4 評價指標(biāo)

太陽能發(fā)電量[Psolar]［16］為：

[Psolar=PSAPG-Qb?ηref] （7）

式中：[PSAPG]——光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，MW；[Qb]——單位時間內(nèi)工質(zhì)在燃煤鍋爐中吸收的有效熱量，MW；[ηref]——參考燃煤機(jī)組的熱效率。

光電轉(zhuǎn)換效率[ηse]為：

[ηse=PsolarQsolar×100%] （8）

式中：[Qsolar]——單位時間內(nèi)太陽集熱場接收的太陽輻射能，MW。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量[bsaved]［1］為：

[bsaved=bs，ref-bs，SAPG] （9）

[bs，SAPG=Qcoal×3.6×106PSAPGQLHVS] （10）

式中：[bs，ref]——參考燃煤發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/kWh；[bs，SAPG]——光煤互補(bǔ)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/kWh；[Qcoal]——單位時間內(nèi)總煤量在鍋爐中燃燒提供的熱能，MW；[QLHVS]——標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，[QLHVS]=29307 kJ/kg。

3 案例分析

本文選取槽式太陽能耦合寧夏銀川某600 MW直接空冷型燃煤發(fā)電機(jī)組為研究對象，其燃煤發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)見表1。選取銀川寧武7月份12：00平均氣象參數(shù)為設(shè)計點(diǎn)：太陽法向直接輻照度[DNI]為763 W/m2，環(huán)境溫度為20 ℃，太陽入射角為14°，為兼顧集熱光場成本和較小[DNI]時的太陽能量裕度，以保證集熱場獲得的有效熱量能完全取代第一級高加抽汽，太陽倍數(shù)取1。集熱器采用LS-2典型槽式集熱器，每個回路包含10個集熱器模塊，模塊規(guī)格為5 m×47.1 m。采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)，油水換熱器中工質(zhì)的平均溫差取10 ℃?？諝饫淠鞴?6個冷凝單元，額定排汽量為1218.83 t/h，總迎風(fēng)面積為11009 m2，設(shè)計傳熱系數(shù)為32.4 W/（m2·K）。

為探究光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在兩種典型運(yùn)行模式下的熱力性能，環(huán)境溫度為20 ℃，機(jī)組始終在設(shè)計背壓15 kPa下運(yùn)行。對100% THA、75% THA和50% THA工況下互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的太陽能發(fā)電量、光電轉(zhuǎn)換效率、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量進(jìn)行模擬計算和對比分析，其中THA表示汽輪機(jī)額定出力工況。

3.1 太陽能發(fā)電量對比

圖2為不同負(fù)荷下光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下太陽能發(fā)電量隨[DNI]的變化關(guān)系，可看出太陽能發(fā)電量隨[DNI]的增加而增加，之后保持穩(wěn)定。這是因為當(dāng)[DNI]不斷增加時，一定面積下的集熱場獲得的太陽能熱量不斷增加，但

為保證鍋爐的入口給水溫度按設(shè)計值運(yùn)行，多余的太陽能熱量會被舍棄，此時太陽能發(fā)電量保持不變。在相同負(fù)荷下PB模式的太陽能發(fā)電量始終高于FS模式，這是由于PB模式下主蒸汽流量和主給水量基本不變，太陽能替代第一級抽汽流量高于FS模式。值得注意的是，F(xiàn)S模式下完全取代第一級抽汽所需的太陽能熱量高于PB模式，雖然同一工況下FS模式下的給水流量小于PB模式，但FS模式下機(jī)組變工況導(dǎo)致的#1高加進(jìn)口水溫下降更大，因此所需耦合的太陽能熱量更多。此外，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，給水總流量增加，兩種運(yùn)行模式之間的太陽能發(fā)電量差距也越大。

3.2 光電轉(zhuǎn)換效率對比

圖3給出了不同負(fù)荷下光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下光電轉(zhuǎn)換效率隨[DNI]的變化關(guān)系。從圖3可看出，光電轉(zhuǎn)換效率隨[DNI]的增加而增加，而達(dá)到峰值后會急劇下降。這是因為汽輪機(jī)第一級抽汽被完全取代后，太陽能發(fā)電量將維持不變，而集熱場收集的太陽能熱量隨[DNI]的增加不斷增加。當(dāng)[DNI]相對較高時，機(jī)組負(fù)荷越低，光電轉(zhuǎn)換效率越低。而當(dāng)[DNIlt;300] W/m2，3種負(fù)荷下互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組的第一級高壓抽汽均未被完全取代時，50% THA下的光電轉(zhuǎn)換效率反而略高于其他負(fù)荷，其原因是相同[DNI]條件下互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在50% THA工況下被取代的抽汽流量最多。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷相同時，PB模式下光電轉(zhuǎn)換效率高于FS模式下光電轉(zhuǎn)換效率，這是由于PB模式下太陽能發(fā)電量更高。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量對比

圖4給出了機(jī)組負(fù)荷不同時光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量隨[DNI]的變化關(guān)系。由圖4可看出，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量隨[DNI]的增加而增加，直至達(dá)到峰值，這與太陽能發(fā)電量的變化一致。值得注意的是，當(dāng)機(jī)組第一級抽汽未完全取代時，相同太陽輻照度下，汽輪機(jī)負(fù)荷越低互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)節(jié)煤量越大。此外，負(fù)荷相同時FS模式下的節(jié)煤量始終低于PB模式；負(fù)荷不同時，兩種運(yùn)行模式之間節(jié)煤量差值隨機(jī)組負(fù)荷的下降而減小。

4 背壓優(yōu)化

4.1 最佳背壓優(yōu)化新方法

空冷汽輪機(jī)組背壓對光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率有直接影響。在一定工況下，提高迎面風(fēng)速、降低背壓以增加機(jī)組輸出功率，但與此同時空冷島風(fēng)機(jī)群耗功量會相應(yīng)增加。因此，為使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，需將背壓維持在最佳值。已有研究是將機(jī)組發(fā)電功率與風(fēng)機(jī)群耗功之間的差值取得最大時對應(yīng)的背壓視為最佳背壓。然而，當(dāng)機(jī)組在FS模式下運(yùn)行時，機(jī)組輸出功率維持不變，故該評估標(biāo)準(zhǔn)不合適。為定量對比分析FS和PB運(yùn)行模式的節(jié)能潛力，并考慮到已建成的光煤互補(bǔ)系統(tǒng)，在一定燃煤條件下，太陽能應(yīng)盡可能多利用的思想（不用即是浪費(fèi)），選擇將空冷島風(fēng)機(jī)群耗功量考慮在內(nèi)且不計入太陽能輸入熱量的新熱循環(huán)效率作為目標(biāo)函數(shù)，將該目標(biāo)函數(shù)取最大值時對應(yīng)的機(jī)組背壓定義為最佳背壓，可表示為：

[Max" ηc=PSAPG-NFQcoal] （11）

根據(jù)相似理論［17］，風(fēng)機(jī)耗功量計算公式（所有風(fēng)機(jī)在運(yùn)行期間頻率保持一致）為：

[NF1=ρ1ρ0νF1νF03NF0] （12）

式中：[NF]——風(fēng)機(jī)功率，MW；[ρ]——空氣密度，kg/m3；[νF]——風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；下標(biāo)0和1——設(shè)計工況和實際工況。

4.2 太陽能占新增功率份額

圖5為不同負(fù)荷下背壓優(yōu)化后光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下太陽能占新增功率份額隨[DNI]的變化關(guān)系?？梢钥闯觯柲苷夹略龉β史蓊~隨[DNI]的增加不斷增加而后保持不變。這是因為，在無太陽能引入時，發(fā)電機(jī)組優(yōu)化后新增功率全部來源于背壓優(yōu)化貢獻(xiàn)，隨著[DNI]的增加，抽汽被太陽能熱量取代的份額增加，更多的蒸汽返回汽輪機(jī)中膨脹做功，故太陽能占新增功率份額隨[DNI]的增加不斷增加。當(dāng)抽汽被太陽能熱量完全取代時，機(jī)組負(fù)荷越低，相應(yīng)的太陽能占新增功率份額最大值越小。雖然太陽能發(fā)電量與新增功率均隨機(jī)組負(fù)荷的降低而降低，但由于在低負(fù)荷工況下，機(jī)組背壓下降空間更大，背壓優(yōu)化對機(jī)組新增功率的貢獻(xiàn)份額更大，故太陽能占新增功率份額較小。

4.3 熱循環(huán)效率

熱循環(huán)效率增長倍數(shù)定義為背壓優(yōu)化后的熱循環(huán)效率與優(yōu)化前的熱循環(huán)效率之比，即互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在最佳背壓下的熱循環(huán)效率與設(shè)計背壓下的熱循環(huán)效率之比。圖6為不同負(fù)荷下背壓優(yōu)化后光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨[DNI]的變化關(guān)系?？煽闯?，背壓優(yōu)化后兩種運(yùn)行模式下機(jī)組的熱循環(huán)效率均有所提高，但在PB模式下，熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨[DNI]的增加而降低，直至保持穩(wěn)定，而在FS模式下，熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨[DNI]的增加而緩慢增加，直至保持穩(wěn)定。這是因為在PB模式下主蒸汽流量保持不變，優(yōu)化前后被取代的抽汽量基本不變，故吸收的太陽能熱量基本不變，輸出功率的增加主要依靠汽輪機(jī)背壓的降低，而隨[DNI]的增加背壓降低的空間逐漸減小；在FS模式下機(jī)組輸出功率保持不變，為使優(yōu)化目標(biāo)[ηc]最大，[Qcoal]應(yīng)盡量小，吸收的太陽能應(yīng)盡可能多，故熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨DNI的增加而增加。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量

圖7為不同負(fù)荷下背壓優(yōu)化后光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下節(jié)煤量增長倍數(shù)隨[DNI]的變化關(guān)系。節(jié)煤量增長倍數(shù)定義為背壓優(yōu)化后的節(jié)煤量除以優(yōu)化前的節(jié)煤量。從圖7可看出，當(dāng)[DNI]較低時，通過改變迎面風(fēng)速使機(jī)組在最佳背壓下運(yùn)行能顯著提高機(jī)組的節(jié)煤量，而隨[DNI]的增加，節(jié)煤量增長倍數(shù)逐漸降低，且兩種運(yùn)行模式下增長倍數(shù)之間的差距逐漸減小。在相同工況下，F(xiàn)S模式的增長倍數(shù)始終高于PB模式。

5 環(huán)境溫度對最佳背壓的影響

圖8為[DNI=500 ]W/m2時光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下最佳背壓隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系。可看出，最佳背壓隨環(huán)境溫度的升高而升高，且FS模式下的最佳背壓低于PB模式。故環(huán)境溫度通過影響機(jī)組最佳背壓，進(jìn)而間接影響機(jī)組的光電轉(zhuǎn)換效率、熱循環(huán)效率和節(jié)煤量?？紤]在實際生產(chǎn)中，環(huán)境溫度經(jīng)常偏離設(shè)計溫度，因此本文針對機(jī)組在100% THA、最佳背壓條件下運(yùn)行時，研究在不同環(huán)境溫度下優(yōu)化背壓對機(jī)組熱性能提升的影響。

5.1 光電轉(zhuǎn)換效率

圖9為當(dāng)機(jī)組在最佳背壓下運(yùn)行時兩種運(yùn)行模式下光電轉(zhuǎn)換效率與環(huán)境溫度的變化關(guān)系。從圖9可看出，光電轉(zhuǎn)換效率隨環(huán)境溫度的降低而升高。與FS模式相比，PB模式下光電轉(zhuǎn)換效率對環(huán)境溫度的變化更敏感：當(dāng)環(huán)境溫度從30 ℃降至[-5 ℃]時，F(xiàn)S模式下的最大光電轉(zhuǎn)換效率僅從23.04%增至23.39%，而在PB模式下，最大光電轉(zhuǎn)換效率從25.28%增至26.71%。此外，環(huán)境溫度越低，兩種模式之間光電轉(zhuǎn)換效率的差距越大。當(dāng)環(huán)境溫度為[-5 ℃]時，PB模式下的光電轉(zhuǎn)換效率受[DNI]的影響較大，從7.37%增至26.71%。

5.2 熱循環(huán)效率

圖10為當(dāng)機(jī)組在最佳背壓下運(yùn)行時兩種運(yùn)行模式下熱循環(huán)效率增長倍數(shù)與環(huán)境溫度的變化關(guān)系?？煽闯?，當(dāng)[DNI]一定時，機(jī)組熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨環(huán)境溫度的降低而增加。環(huán)境溫度越低，PB模式下熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨[DNI]的增加降幅越小，F(xiàn)S模式下熱循環(huán)效率增長倍數(shù)隨[DNI]的增加增幅越大。值得注意的是，當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃時，F(xiàn)S模式下的熱循環(huán)增長倍數(shù)隨[DNI]的增加而減小，這是因為受最大迎面風(fēng)速的限制，汽輪機(jī)背壓無法達(dá)到理想值。

5.3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量

圖11為當(dāng)機(jī)組在最佳背壓下運(yùn)行時兩種運(yùn)行模式下節(jié)煤量增長倍數(shù)與環(huán)境溫度的變化關(guān)系?？煽闯?，當(dāng)[DNI]一定時機(jī)組節(jié)煤量增長倍數(shù)隨環(huán)境溫度的降低而增大。這是由于環(huán)境溫度越低，機(jī)組的最佳背壓越低，互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組的燃煤發(fā)電效率越高，節(jié)煤量增加。當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)計溫度20 ℃時，背壓優(yōu)化后的節(jié)煤量高于設(shè)計值，增長倍數(shù)隨[DNI]的增加而降低。當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)計溫度20 ℃時，結(jié)論相反。此外，在兩種運(yùn)行模式下環(huán)境溫度的波動對節(jié)煤量的影響相同。

6 結(jié) 論

本文搭建槽式太陽能輔助600 MW直接空冷發(fā)電機(jī)組模型，對該光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在兩種典型運(yùn)行模式下的熱性能展開研究分析，提出了太陽能利用效益最大化新熱循環(huán)效率評價指標(biāo)，開展了以其最大為目標(biāo)的背壓優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上分析光煤互補(bǔ)機(jī)組在兩種運(yùn)行模式下背壓優(yōu)化和環(huán)境溫度對機(jī)組熱性能的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）當(dāng)機(jī)組負(fù)荷一定時，光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在PB模式下的太陽能發(fā)電量、光電轉(zhuǎn)化效率和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量始終優(yōu)于FS模式。而在[DNI]較低時，機(jī)組負(fù)荷越低，太陽能對系統(tǒng)熱性能提升效果越好。

2）在兩種典型運(yùn)行模式下，機(jī)組負(fù)荷越低，背壓優(yōu)化對機(jī)組功率提升貢獻(xiàn)越大。機(jī)組的熱循環(huán)效率和節(jié)煤量經(jīng)背壓優(yōu)化后均有提升：FS模式下熱循環(huán)效率的提升隨[DNI]的增加而增加，而PB模式下熱循環(huán)效率的提升隨[DNI]的增加而降低。機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)節(jié)煤量的提升在FS模式下高于PB模式。

3）在相同的[DNI]下，光電轉(zhuǎn)換效率、熱循環(huán)效率和節(jié)煤量隨環(huán)境溫度的降低而升高，環(huán)境溫度對PB模式下機(jī)組的光電轉(zhuǎn)換效率的影響較大，而對熱循環(huán)效率、節(jié)煤量的影響在兩種運(yùn)行模式下差異較小。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ YANG Y P， QIN Y， ZHAI R R， et al. An efficient way to use" "medium-or-low" "temperature" "solar" "heat" for" "power generation—integration into conventional power plant［J］. Applied thermal engineering， 2011， 31（2-3）： 157-162.

［2］ ZHANG N， HOU H J， YU G， et al. Simulated performance analysis of a solar aided power generation plant in fuel saving operation mode［J］. Energy， 2019， 166： 918-928.

［3］ ZHANG N， YU G， HUANG C， et al. Full-day dynamic characteristic analysis of a solar aided coal-fired power plant in fuel saving mode［J］. Energy， 2020， 208： 118424.

［4］ HUANG C， HOU H J， HU E， et al. Stabilizing operation of a solar aided power generation （SAPG） plant by adjusting" the" burners’tilt" and" attemperation flows in the boiler［J］. Energy， 2019， 173： 1208-1220.

［5］ 周璐璐， 王軍， 邴旖旎， 等. 太陽能輔助的燃煤機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析［J］. 太陽能學(xué)報， 2021， 42（10）： 105-110.

ZHOU L L， WANG J， BING Y N， et al. Economic analysis of solar energy aided coal-fired power system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（10）： 105-110.

［6］ 李國強(qiáng)， 劉偉， 張健. 不同容量和地區(qū)下光煤混合發(fā)電變工況性能研究［J］. 太陽能學(xué)報， 2020， 41（1）： 72-79.

LI G Q， LIU W， ZHANG J. Off-design performance of solar" "hybrid" "coal-fired" "power" generation" in" different capacities" and" regions［J］. Acta" energiae" solaris" sinica， 2020， 41（1）： 72-79.

［7］ HUANG C， HOU H J， HU E， et al. Performance maximization of a solar aided power generation （SAPG） plant with a direct air-cooled condenser in power-boosting mode［J］. Energy， 2019， 175： 891-899.

［8］ 侯宏娟， 宋嘉， 徐璋， 等. 太陽能輔助直接空冷發(fā)電系統(tǒng)背壓敏感性分析及優(yōu)化［J］. 太陽能學(xué)報， 2018， 39（1）： 22-28.

HOU H J， SONG J， XU Z， et al. Back-pressure sensitivity analysis and optimization of a solar aided direct air-cooled power generation system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2018， 39（1）： 22-28.

［9］ 侯宏娟， 崔浩， 黃暢， 等. 直接空冷型槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］. 太陽能學(xué)報， 2021， 42（1）： 90-96.

HOU H J， CUI H， HUANG C， et al. Technical and economic analysis of parabolic trough solar thermal power generation system with direct air-cooling［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（1）： 90-96.

［10］ SHAGDAR E， LOUGOU G B， SHUAI Y， et al. Performance analysis and techno-economic evaluation of 300 MW" solar-assisted" "power" generation" system" in" the whole" operation" conditions［J］." Applied" energy，" 2020， 264： 114744.

［11］ SHAGDAR E， SHUAI Y， LOUGOU G B， et al. Analysis of" heat" flow" diagram" "of" "small-scale" "power" "generation system： innovative approaches for improving techno-economic" "and" "ecological" " indices［J］." "Science" " China technological sciences， 2020， 63： 1-19.

［12］ PATNODE A M. Simulation and performance evaluation of parabolic" " trough" " solar" " power" " plants［D］." " Madison University of Wisconsin-Madison， 2006： 163-171.

［13］ QUASCHNING V， KISTNER R， ORTMANNS W. Influence of direct normal irradiance variation on the optimal parabolic trough field size： a problem solved with technical" "and" "economical" "simulations［J］." Journal" "of solar energy engineering-transactions of ASME， 2002， 124（2）： 160-164.

［14］ 黃新元. 熱力發(fā)電廠課程設(shè)計［M］. 北京： 中國電力出版社， 2004： 60-76.

［15］ 楊立軍， 杜小澤， 楊永平. 空冷凝汽器全工況運(yùn)行特性分析［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2008， 28（8）： 24-25.

YANG L J， DU X Z， YANG Y P. Performance analysis of air-cooled" "condensers" at" "all" "operating" conditions［J］. Proceedings of the CSEE， 2008， 28（8）： 24-25.

［16］ YAN H， LI X， LIU M， et al. Performance analysis of a solar-aided coal-fired power plant in off-design working conditions and dynamic process［J］. Energy conversion and management， 2020， 220： 113059.

［17］ 安連鎖. 泵與風(fēng)機(jī)［M］. 北京： 中國電力出版社， 2008： 55-67.

THERMAL PERFORMANCE ANALYSIS OF SOLAR-AIDED COAL-FIRED POWER GENERATION SYSTEM UNDER TWO TYPICAL

OPERATION MODES

Xiao Yanhong，Guo Tian，Yu Tingfang

（School of Advanced Manufacturing， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Abstract：This work investigated the thermal performance of a 600 MW direct air-cooled power generation system assisted by a parabolic trough solar field. The system was analyzed under two typical operation modes， focusing on" solar power generation， solar-to-electric efficiency and saved standard coal consumption. For the established solar-aided coal-fired unit， a new thermal cycle efficiency evaluation index for maximizing the benefit of solar energy utilization was proposed， and the backpressure was optimized accordingly. The results show an improvement in thermal performance after backpressure optimization under different turbine loads. Besides， the influence of ambient temperature on the thermal performance improvement was quantitatively analyzed. The results show that the thermal performance of the unit under the power boosting mode is better. The thermal performance promotion after backpressure optimization in two operation modes is affected by the direct solar irradiance and the turbine load. The improvement of solar-to-electric efficiency， thermal cycle efficiency and saved standard coal consumption increases as the ambient temperature decreases.

Keywords：solar energy； coal fired power plant； energy conversion； operation mode； backpressure optimization