太陽能與燃煤機組混合發電系統集成方式的研究

吳 靜, 王修彥, 楊勇平, 楊志平

(華北電力大學能源的安全與清潔利用北京市重點實驗室,北京102206)

目前,隨著人類對能源需求的不斷增長,常規能源日益短缺,石油價格持續上漲,全球氣候趨于變暖以及環境壓力加大,因此尋找新能源已成為人類面臨的迫切問題,世界各國都將戰略目光轉向可再生能源的開發.太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源,其可利用量巨大,且太陽能是清潔能源,不會污染環境,因此,開發利用太陽能已成為當前實現能源可持續發展的重要內容之一[1].太陽能發電是太陽能最高效利用的方式之一,其主要形式有熱發電和光伏發電.目前,這兩種發電方式均有商業化應用,但由于其投資和發電成本高,已成為它們發展的主要障礙.據國際能源署預測,在這兩種太陽能發電技術中,太陽能熱發電技術被認為是未來發電成本有望接近化石燃料發電的技術,有良好的發展前景.

按照熱利用模式的不同,太陽能熱發電系統可分為單純的太陽能熱發電系統和太陽能與化石能源綜合互補的發電系統.單純的太陽能熱發電系統由于太陽能輻射不穩定、投資與發電成本高而發展緩慢;太陽能與化石能源綜合互補的發電系統能有效彌補太陽能的不穩定性,在太陽能輻射強度較低或沒有太陽能輻射時,可啟動備用鍋爐維持發電穩定性與連續性.常規電廠可利用太陽能集熱場來加熱給水,產生變動的蒸汽量;同時,可通過燃煤鍋爐的補充來保證穩定的汽輪機進口蒸汽溫度,從而達到節省部分化石燃料的目的.

1 太陽能與燃煤機組混合發電系統的集成方式

太陽能與燃煤機組混合發電系統是太陽能熱發電和燃煤機組發電相結合的混合發電系統,是解決太陽能發電不連續性、促進太陽能大規模利用、緩解化石能源緊張及減少環境污染的有效途徑.

根據所集成的常規化石燃料電站的不同,太陽能集成到燃煤電站可以分為三類：第一類是利用太陽能加熱給水或蒸汽,簡單地集成到朗肯循環(汽輪機)系統中,可以有效地減少燃料量、節約常規能源和減少污染物排放;第二類是將太陽能集成到布雷頓循環(燃氣輪機)系統中,利用太陽能加熱壓氣機出口的高壓空氣,以減少燃料量;第三類是將太陽能集成到聯合循環系統中,即ISCCS[2-3].

在太陽能與燃煤機組混合發電系統中,采用直接蒸汽產生式槽式太陽能集熱器來加熱給水,產生變動的蒸汽量,通過備用鍋爐來保證穩定的汽輪機進口蒸汽溫度.太陽能與燃煤機組集成時,由于燃煤機組可調整范圍大,循環中工質溫度變化范圍大,因此與太陽能集成的方式很多：可以加熱抽汽或取代部分鍋爐等.根據太陽能集熱器連接方式不同,本文主要討論3種集成方式[4].

1.1 太陽能集熱場與鍋爐并聯的集成方式

圖1為太陽能集熱場與鍋爐并聯的集成方式示意圖.由圖1可知：太陽能集熱場與傳統的燃煤鍋爐成平行連接,末級高壓加熱器輸出的水分別進入集熱場和鍋爐進行加熱,集熱場入口給水加熱到再熱冷段飽和蒸汽狀態的參數,然后在再熱器中進一步被加熱成再熱蒸汽,達到汽輪機的進口溫度.在這種方式下,汽輪機中的做功蒸汽是由太陽能集熱器和燃煤鍋爐共同加熱的,即太陽能集熱器代替部分鍋爐加熱.

圖1 太陽能集熱場與鍋爐并聯的集成方式示意圖Fig.1 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith boiler

1.2 太陽能集熱場與加熱器并聯的集成方式

圖2為太陽能集熱場與加熱器并聯的集成方式示意圖.太陽能集熱器作為給水加熱器運行,連接在凝汽器出口和鍋爐入口之間.在此方式中,太陽能集熱器可取代單級加熱器,也可取代多級加熱器或完全取代單級和多級加熱器,將凝結水加熱到相應加熱器出口相同的溫度,然后將此凝結水輸送給鍋爐.由于該方式是利用太陽能熱輻射進行給水加熱,因此減少了抽氣量,使汽輪機做功增加.在圖2中,為取代整個回熱系統,將凝結水分為兩股：一股送入回熱系統;另一股送入集熱場進行加熱,最后在末級高壓加熱器出口處,兩股凝結水匯合在一起輸入鍋爐.

圖2 太陽能集熱場與加熱器并聯的集成方式示意圖Fig.2 Integ rated mode of solar collector field connected in parallel w ith heater

1.3 太陽能集熱場與鍋爐和加熱器并聯的集成方式

將1.1節與1.2節的太陽能集熱場連接方式相結合,使太陽能集熱器與鍋爐和給水回熱加熱器成平行運行.由于回熱系統由低壓加熱器和高壓加熱器組成,因此其集成方式也不同,本文主要考慮兩種：①集熱場與鍋爐、回熱系統并聯(圖3(a)),凝汽器出口的凝結水進入集熱場,加熱到再熱冷段的飽和蒸汽狀態的參數;②集熱場與高壓加熱器、鍋爐并聯(圖3(b)),高壓加熱器出來的給水進入集熱場,加熱到再熱冷段的飽和蒸汽狀態的參數.

圖3 太陽能集熱場與鍋爐和加熱器并聯的集成方式示意圖Fig.3 In tegratedm ode of solar collector field connected in parallelw ith both boiler and heater

2 太陽能集熱場與燃煤機組混合發電系統的評價指標

對于太陽能集熱場與燃煤機組混合發電系統,采用燃煤節省型方式運行,總的發電量與原燃煤機組相同,只是部分電量由太陽能熱發電獲得.在分析與計算時,將太陽能與燃煤機組聯合循環看作2個獨立的循環：太陽能循環(輔助循環)和燃煤機組朗肯循環(主循環).太陽能循環中集熱器內流量為燃煤鍋爐流量的2%,設計太陽能輻射強度取800W/m2,環境溫度取293 K.采用熱平衡方法對太陽能混合系統進行熱經濟性計算,熱經濟性指標采用傳統的絕對電效率和煤耗率;對于太陽能循環,則采用新的評價指標太陽能熱發電效率[5],即單位太陽能投入熱量所能轉化的電量來分析和計算混合發電系統的熱經濟性.對于單純的燃煤機組,電量僅僅由燃煤釋放的熱能轉化而來;對于單純的太陽能熱發電機組,電量由集熱器收集的太陽能輻射熱量轉化而來.系統的發電量和集熱器投入的熱量之比稱為太陽能熱發電效率,可理解為單位電量所耗費的太陽能輻射熱.因此,對于太陽能混合發電系統,其太陽能發電效率為：

式中：η為混合發電系統的太陽能發電效率;P es為循環總發電量,kW?h;P m為循環中燃煤發電量,kW?h;Qc為太陽能集熱器吸熱量,k J/s.

混合系統的絕對電效率為：

式中：Pe為機組發電功率,kW;Q總為混合系統的總放熱量,k J/s.

混合系統的標準煤耗量為：

式中：q s為標準煤的發熱量 ,取 29 270 k J/kg;ηb為鍋爐效率,取0.98;ηp為管道效率,取0.90.

3 實例分析

筆者以某電廠200 MW機組的熱力系統為例,對上述太陽能與燃煤機組混合發電系統的3種集成方式進行了熱經濟性計算與分析,并利用常規熱平衡方法計算出混合系統的熱經濟性指標.

熱力系統結構矩陣方程為[6-7]：

式中：A為回熱系統的結構矩陣;α為加熱器抽汽系數矩陣;A f為各級輔助蒸汽系統的結構矩陣;αf為各級輔助蒸汽流量的系數矩陣;Aτ為各級輔助水流系統的結構矩陣;αw是輔助水流系數矩陣;αfw為給水流量系數矩陣;τ為給水在各級加熱器中的吸熱焓升的結構矩陣;Δqi為各級加熱器的外部吸熱量,即太陽能的輔助熱量,kJ/kg.

首先根據式(4)計算出各級回熱加熱器的抽汽系數,然后根據式(1)、式(2)和式(3)計算出各項熱經濟性指標,計算結果見表1.由表1可知：當太陽能集熱場與鍋爐并聯混合發電時,太陽能熱發電效率最高;當其與回熱系統并聯時,煤耗率最高,即節煤效果最差;其他幾種方式的節煤效果相當.

表1 太陽能與燃煤機組混合發電系統的熱經濟性指標Tab.1 Thermal econom ic indexes of the solar-coa l hybrid power generation systems

由于太陽能輻射強度隨時間不斷變化,使集熱器效率發生改變,太陽能集熱場所釋放的熱量也改變,進而使能夠加熱的做功工質流量也隨之發生改變,最終導致太陽能熱發電效率改變.本文以最大輻射強度計算,當太陽能輻射強度改變時,啟動備用鍋爐來維持機組總發電量不變.以濟南地區太陽能輻射資源為例,濟南地區的太陽能直射輻射資料通過查找可知,并將其直接進行應用[8].當分析太陽輻射強度變化時,太陽能混合發電系統的各項參數也發生變化[9].圖4為不同集成方式下太陽能輻射強度變化時的各項參數變化.圖5為太陽能熱發電效率隨輻射強度變化的曲線.由圖5可知：太陽能集熱場與燃煤機組混合發電,不管采用哪種集成方式,太陽能熱效率都很高;由于在輻射強度小于200W/m2時,太陽能集熱器效率很低,可以忽略,因此本文僅考慮輻射強度200W/m2以上的情況.在最低輻射強度下,混合系統的太陽能熱發電效率與單純的太陽能熱發電效率相當;當與不同受熱面并聯時,在太陽能輻射強度較高時,與鍋爐并聯集成方式下的太陽能熱發電效率最高;在太陽能低輻射時,與回熱系統并聯集成方式下的太陽能熱發電效率高于其他幾種方式.

4 結 論

(1)分析了太陽能與燃煤機組混合發電系統的集成方式：太陽能集熱場分別與鍋爐并聯、與加熱器并聯以及與二者同時并聯.通過對不同集成方式進行熱經濟性計算可知：在假定加入太陽能熱量時機組主蒸汽流量不變的情況下,太陽能與燃煤機組混合發電時,太陽能熱發電效率高于單純的太陽能熱發電,且機組的煤耗率降低;在太陽能集熱場與鍋爐并聯混合集成方式下,太陽能熱效率最高,且節煤量最多.

圖4 在不同集成方式下,太陽能輻射強度改變所對應的各參數變化Fig.4 Power generation param etersvarying with solar radiation intensity in differen tmodes

圖5 太陽能熱發電效率隨輻射強度變化的曲線Fig.5 Variation cu rves of solar power generation efficiency vs.radiation in tensity

(2)分析了當太陽能輻射資源變化時,燃煤機組各參數的變化.結果表明：隨著太陽輻射強度降低,太陽能熱發電效率也降低,燃煤消耗量增加,但在最低的太陽輻射強度下,混合發電系統的太陽能熱發電效率與單純的太陽能熱發電效率相當.

[1] 張耀明.太陽能熱發電技術[J].山西能源與節能,2009(3)：1-4.ZHANG Yaom ing.Solar thermal power generation technology[J].Shanxi Energy and Conservation,2009(3)：1-4.

[2] 楊敏,楊曉西,林汝謀,等.太陽能熱發電技術與系統[J].熱能動力工程,2008,23(3)：221-228.YANG M in,YAHG Xiaoxi,LIN Rumou,etal.Solar thermal power generation technologies and system s[J].Journal o f Engineering for Thermal Energy and Power,2008,23(3)：221-228.

[3] 崔映紅,陳娟.太陽能熱混合發電系統綜述[J].現代電力,2007,24(5)：24-28.CU IYinghong,CHEN Juan.Review on hybrid solar thermal generating system[J].M odern Electric Power,2007,24(5)：24-28.

[4] MOHAMED A H,SAYED E.Solar supported steam production for pow er generation in Egypt[J].Energy Policy,2005(33)：1251-1259.

[5] 張燕敏.太陽能和燃煤機組混合發電系統研究[D].保定：華北電力大學動力工程系,2007.

[6] 劉強,郭民臣.考慮加熱器熱效率的電廠熱力系統結構矩陣[J].節能,2006(8)：25-28.LIU Qiang,GUO M inchen.Consider the heater thermal efficiency of the p lant system structurematrix[J].Energy Conservation,2006(8)：25-28.

[7] 張樹芳,冉鵬,郭江龍.應用擴展型能效分布矩陣分析二次再熱機組的熱經濟性[J].動力工程,2006,26(3)：438-442.ZH ANG Shufang,RAN Peng,GUO Jianglong.Thermal efficiency analysis o f doub le reheat power generation sets with expanding type of energy efficiency distribution matrices[J].Journa l of Power Engineering,2006,26(3)：438-442.

[8] 舒海靜,李永安,許開顏.濟南地區太陽能發電資源潛力分析[J].制冷與空調,2005,19(1)：68-70.SHU Haijing,LI Yongan,XU Kaiyan.Analysis on so lar energy power potential in Ji' nan [J].Refrigeration and Air-Conditioning,2005,19(1)：68-70.

[9] ECK M,STEINM ANN W D.Modelling and design of direct so lar steam generating co llec tor fields[J].Solar Energy,2005,127(8)：371-380.