槽式太陽能輔助燃煤發電系統熱性能研究

付　立，　樊　雪，　侯宏娟，　王　志

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江諸暨 311800；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

?

槽式太陽能輔助燃煤發電系統熱性能研究

付立1，樊雪2，侯宏娟3，王志1

(1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江諸暨 311800；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

針對槽式太陽能集熱系統，建立了集熱場得熱及熱損失等數學模型，并以典型槽式集熱器EUROTROUGH-150(ET-150)組成的集熱系統為例，進行了以集熱場熱效率最優為目標的優化；在此基礎上以槽式太陽能輔助燃煤發電系統(即互補發電系統)為研究對象，采用一定的評價準則和集成方式，對直射輻射強度(DNI)設計值的選取進行分析研究.結果表明：不同回路數、不同緯度分布的集熱場存在不同的最優列間距，且存在最佳取值范圍的直射輻射強度設計值，使系統年性能最優.

槽式太陽能集熱系統； 集熱場效率； 最優列間距； 互補發電系統； 直射輻射強度

槽式太陽能輔助燃煤發電技術是一種新型發電技術，該技術采用了目前最為成熟、商業化運行最廣的槽式太陽能熱發電技術輔助傳統燃煤機組發電.在槽式太陽能輔助燃煤發電系統(簡稱互補發電系統)中，槽式太陽能集熱系統(簡稱集熱系統)作為實現太陽能向熱能轉換的關鍵系統，其性能優劣關系到整個互補發電系統熱力性能及經濟性能的好壞.近年來，針對集熱系統關鍵部件——槽式集熱器熱力性能的研究得到了國內外相關學者的廣泛關注，在集熱器的聚光特性、集熱效率、換熱特性以及熱應力等方面已有一些相應的理論分析和實驗研究[1-4].對于互補發電系統，近年來國內外眾多學者在其集成方式和熱力特性等方面進行了大量的研究與探索[5-13]，但上述成果大多將集熱場看成黑箱而未對其進行優化分析，而且選取直射輻射強度(DNI)設計值時所采用的方法不盡相同.基于此，筆者針對互補發電系統，建立集熱系統及互補發電系統數學模型，對槽式集熱場的優化布置以及互補發電系統最優直射輻射強度的選取進行分析研究.

1　互補發電系統

互補發電系統將集熱系統與燃煤發電機組通過不同的耦合方式加以集成，利用太陽能加熱送入鍋爐的給水，從而減少機組發電煤耗.

筆者研究的互補發電系統集成方式如圖1所示.當直射輻射強度達到一定值時，對除氧器出口給水切換路徑，直接全部送入集熱系統，經集熱系統加熱升溫后再引至原3級高壓加熱器進口.則集熱系統收集熱量的多少決定了進入集熱系統的給水溫度的升高量，從而可相應依次減少或切除送入各級回熱加熱器的抽汽，使多余的蒸汽能繼續膨脹做功.需要注意的是，當集熱系統的輸出熱量已滿足使3級高壓加熱器的抽汽全部切除時，若集熱系統仍有多余的熱量，為保證進入鍋爐的給水的過冷度，本文中舍棄此過剩熱量.

圖1　互補發電系統集成示意圖

集熱系統一般由若干并聯回路(Loop)組成，每個Loop包含一定數量的槽式集熱器(SCA)，SCA主要利用槽型拋物面反射鏡將太陽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).集熱系統的集熱場典型布置方式主要有I型和H型2種[14]，筆者以I型集熱場為例進行研究，選用典型的EUROTROUGH-150(ET-150)集熱器，該集熱器參數見表1.

表1　ET-150集熱器參數

2　互補發電系統集熱及評價模型

2.1集熱系統建模

2.1.1集熱場效率模型

集熱場凈輸出熱量由下式得到：

(1)

式中：Qcol為集熱場凈輸出熱量，W/m2;Qa為集熱場吸收的太陽輻射能，W/m2;Qp為集熱場管道損失，W/m2;Qc為集熱場散熱損失，W/m2.

定義集熱場效率為集熱場凈輸出熱量與集熱場接收到的太陽輻射能的比值，計算公式如下:

(2)

式中：η為集熱場效率；Qr為集熱場接收到的太陽輻射能，W/m2.

2.1.2集熱場得熱模型

集熱場接收到的太陽輻射能可由下式得到：

(3)

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

由文獻[15]可知，集熱場吸收的太陽輻射能為

Qa=IDNI·cosθ·α·β·R·ηfield·ηHCE·γ

(4)

式中：α為入射角修正系數；β為末端損失；ηfield為集熱場效率光學修正因子；ηHCE為集熱裝置效率光學修正因子；γ為集熱器運行比例，全部運行時取1.

2.1.3集熱場熱損失模型

集熱場熱損失主要包括集熱場散熱損失和集熱場管道損失.集熱場管道損失Qp由以下經驗公式[15]得到：

式中：Tout為集熱場出口傳熱流體的溫度，℃；Tin為集熱場進口傳熱流體的溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；ΔT為傳熱流體進、出口平均溫度與環境溫度的差值，K.

集熱管單位長度散熱損失Qh由以下經驗公式[16]得到：

(6)

式中：A0～A6為熱損失相關系數；THTF為集熱器傳熱流體的溫度，℃；VW為當地風速，m/s.

由于生產或者使用過程中常出現以下3種失效狀態的集熱管：氫氣滲透、失真空和破損，不同狀態的集熱管對應不同的熱損失相關系數[17]，由此可計算求得集熱場散熱損失Qc[16].

(7)

2.2互補發電系統評價模型

對互補發電系統的熱力性能及經濟性能建立如下評價模型.

(1) 互補發電系統標準煤耗bs.

(8)

式中：bs為互補發電系統標準煤耗，kg/(kW·h)；M為經折算后互補發電系統的標準煤耗量，kg；W為互補發電系統發電量，kW·h；ηcp為全廠效率.

(2) 互補發電系統光電轉換效率.

定義互補發電系統光電轉換效率為太陽能發電量Ps與集熱場接收的太陽輻射能Qr的比值，可由下式表示：

(9)

式中：ηse為互補發電系統光電轉換效率；ηref為單位煤發電量，(kW·h)/kg；b為原燃煤機組的標準煤耗，kg/(kW·h).

(3) 太陽能發電成本CLEC

(10)

式中：CLEC為太陽能發電成本，元/(kW·h)；f為投資年回收系數；i為貼現率，取6%；n為電廠經濟使用壽命，本文中取25年；Ct為年投資費用，元/年；Cm為年運行費用，元/年；Cf為年燃料費用，元/年；C為節煤補貼收益，元，節煤補貼取300元/t；E為年均太陽能發電量，kW·h，發電量逐年衰減率取5‰.

3　最優列間距選取

在集熱場列間距和Loop數相同的情況下，由集熱系統模型可知，集熱場接收的太陽輻射能和熱量損失等與集熱場采光面積成比例變化，因此集熱場效率不受采光面積的影響.而相同的列間距下，集熱場Loop數以及場地所處緯度對集熱場實際接收的太陽輻射能、集熱場熱損失及凈輸出熱量有很大影響.不同集熱場Loop數對應不同的集熱場總占地面積，決定集熱場接收的太陽輻射能、遮擋損失和管道損失的多少；不同緯度對應不同的太陽入射角，進而影響集熱場遮擋損失及集熱場接收的太陽輻射能.在同樣的Loop數和緯度下，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，初投資亦會隨之增加.因此，有必要對集熱場列間距的選取進行研究，尋求不同條件下的最優列間距.

以某地區典型年氣象數據為例，選取春分日正午太陽時12時為設計點，直射輻射強度為903 W/m2，風速為2.9 m/s，環境溫度為8.5 ℃，油水換熱溫差設為10 K.集熱場南北布置，單軸跟蹤，集熱場共由60個SCA組成.

3.1不同Loop數對應的最優列間距

在相同的采光面積下，集熱場Loop數與集熱場每個Loop所包含的SCA數的對應關系見表2，對應的年集熱場效率如圖2所示.

由圖2可以看出，相同列間距下，Loop數越大，年集熱場效率越低；Loop數分別為10、15和30時，最高年集熱場效率分別為44.29%、44.22%和44.03%，對應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數的增加，遮擋損失逐漸增大，集熱場總占地面積亦隨之增大，導致管路損失增大，年集熱場效率降低；相同的Loop數下，年集熱場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，原因為隨著列間距的增大，集熱場遮擋損失逐漸減小，而集熱場管道熱損失逐漸增大.

表2相同采光面積下集熱場Loop數與SCA數的對應關系

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

圖2　年集熱場效率與Loop數和列間距的關系

由此得到在筆者設定的采光面積下，集熱系統Loop數分別為30、15和10時所對應的最優列間距分別為16.5 m、16 m和15.5 m.

3.2不同緯度對應的最優列間距

圖3給出了年集熱場效率與緯度和列間距的關系.由圖3可知，在相同的輻射條件下，集熱場布置在不同緯度地區時，隨著緯度升高，年集熱場效率呈下降趨勢.因為緯度越低，太陽高度角越大，對應入射角越小，集熱場遮擋損失越少，單位面積獲得的太陽輻射能就越多.緯度分別為北緯42.47°、38.47°和34.47°時，最佳列間距分別為18 m、16.5 m和16 m，對應的集熱場最高效率分別為42.75%、44.03%和45.08%，由此可知，緯度越高，最佳列間距越大，對應的集熱場效率越低.

圖3　年集熱場效率與緯度和列間距的關系

4　直射輻射強度設計值的選取

4.1初始條件

在互補發電系統集熱場設計中，不同的DNI設計值會影響集熱場面積的大小.若DNI設計值過高，則對應的集熱場面積會偏小，當大部分時段的DNI值低于該設計值時，則集熱系統輸出熱量常低于額定工況的輸出要求，從而太陽能年發電量降低；若DNI設計值過低，則對應的集熱場面積偏大，當大部分時段的DNI值高于該設計值時，則存在多數時間中集熱系統輸出熱量過多而造成浪費現象[10].

筆者選擇槽式太陽能輔助330 MW燃煤發電機組互補發電，保持互補發電功率為330 MW，設計太陽能發電功率為10 MW.集成方式如圖1所示，每個Loop由4個ET-150型集熱器組成，導熱油進、出口溫度分別為189 ℃和283 ℃.分別選取拉薩、北京和銀川3個地區，按照上文所述計算得到3地集熱場的最優列間距分別為15.7 m、17.2 m和16.5 m，進一步對DNI設計值的選取進行研究.3地直射輻射時長分布如表3所示.

表3　3地直射輻射時長分布

4.2結果與分析

保持太陽能發電功率為10 MW，選取不同的DNI設計值，得到對應的集熱場面積(即Loop數)，在此基礎上對互補發電系統的年性能進行分析，結果如表4所示.

表4　計算結果

由表3和表4可以看出，輻射條件越好的地區，年光電轉換效率越高，LEC越低.另外，隨著DNI設計值的增大，對應Loop數逐漸減少，年光電轉換效率呈先升后降而LEC呈先減后增的趨勢.這是因為Loop數越小，集熱系統輸出的熱量越少，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做功的能力越差，所以太陽能年發電量越少，年光電轉換效率越低，LEC越高；Loop數越大，集熱系統的總投資越大，集熱系統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做功的能力越強，所以太陽能年發電量越多，年光電轉換效率越高，但是若Loop數大于一定值時繼續增大，則集熱系統輸出熱量就會高于所需熱量，多余的熱量則會被舍棄，年光電轉換效率隨之降低，LEC隨之增加.由以上分析可知，對于不同地區和不同輻射強度下的互補發電系統，設計直射輻射強度必定存在一個最佳值，拉薩、北京和銀川3個不同地區對應的最佳DNI設計值分別為400 W/m2、300 W/m2和400 W/m2.所以，在太陽能發電功率為10 MW的條件下，由圖4可知，在不同地區和不同直射輻射時長分布情況下，最佳DNI設計值的分布范圍大致在該地區直射輻射時長分布比例的55%～65%范圍內.

圖4　不同地區的最佳DNI設計值

5　結　論

(1) 針對槽式太陽能集熱系統，建立集熱系統數學模型，對集熱場的優化設計進行分析研究，得到了不同回路數、不同緯度下集熱場的最優列間距.

(2) 針對不同地區的槽式太陽能輔助燃煤發電系統，在滿足太陽能設計發電功率為10 MW的條件下，對DNI設計值的選取進行研究，得到了最佳DNI設計值分布在當地直射輻射時長分布比例的55%～65%范圍內的規律.

(3) 筆者的研究方法可用于其他不同集成方式及不同太陽能設計發電功率下相關參數的選取，為互補發電系統設計及優化提供參考.

[1]FORRISTALL R E. Heat transfer analysis and modeling of a parabolic trough solar receiver implemented in engineering equation solver[R]. Golden, Colorado, USA: National Renewable Energy Laboratory,2003.

[2]ODEH S D, MORRISON G L, BEHINIA M. Modeling of parabolic trough direct steam generation solar collectors [J]. Solar Energy, 1998, 62(6):395-406.

[3]崔映紅, 楊勇平. 蒸汽直接冷卻槽式太陽集熱器的傳熱流動性能研究[J]. 太陽能學報, 2009, 30(3): 304-310.

CUI Yinghong, YANG Yongping. Thermal performance and hydrodynamic analysis of direct steam generation solar collectors[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(3): 304-310.

[4]高志超,隋軍,劉啟斌，等.30 m2槽式太陽能集熱器性能模擬研究[J].工程熱物理學報，2010,31(4):541-544.

GAO Zhichao, SUI Jun, LIU Qibin,etal. Simulation on the performance of a 30 m2parabolic trough collector[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2010,31(4):541-544.

[5]YING Y, HU E J．Thermodynamic advantages of using solar energy in the regenerative Rankine power plant [J]．Applied Thermal Energy, 1999，19:1173-1180.

[6]YING Y, HU E J．A medium-temperature solar thermal power system and its efficiency optimization[J]．Applied Thermal Engineering, 2002，22(4): 357-364.

[7]MONTES M J, ABNADES A, MARTINEZ-VAL J M,etal. Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]. Solar Energy, 2009, 83(12): 2165-2176.

[8]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, 2002, 124(2): 160-164.

[9]唐強，曹偉偉，張力，等. 太陽能與燃煤機組混合發電方式的熱經濟性研究[J]. 動力工程學報, 2013, 33(11): 895-901.

TANG Qiang, CAO Weiwei, ZHANG Li,etal. Study on thermal economy of solar-coal hybrid power generation units[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013, 33(11): 895-901.

[10]崔映紅,楊勇平, 張明智. 太陽能-煤炭互補的發電系統與互補方式[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(5): 102-107.

CUI Yinghong, YANG Yongping, ZHANG Mingzhi．Solar-coal complementary electric generation system and its modes[J]．Proceedings of the CSEE,2008,28(5)：102-107．

[11]崔映紅,陳娟,楊陽，等. 太陽能輔助燃煤熱發電系統性能研究[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(23): 92-98.

CUI Yinghong, CHEN Juan, YANG Yang,etal. Performance research on solar aided coal-fired electricity generation system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(23):92-98．

[12]侯宏娟,高嵩,楊勇平.槽式集熱場輔助燃煤機組回熱系統混合發電熱性能分析[J].太陽能學報,2011,32(12): 1772-1776.

HOU Hongjuan, GAO Song, YANG Yongping. Thermodynamics analysis of coal-fired power generation system aided by parabolic trough collective fields[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011,32(12):1772-1776．

[13]侯宏娟,毛劍,楊勇平,等.太陽能輔助燃煤機組發電系統集熱溫度優化[J]. 中國電機工程學報,2012,32(20):76-81.

HOU Hongjuan, MAO Jian, YANG Yongping,etal. Optimization of solar collector working temperature for solar aided coal-fired power generation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(20): 76-81.

[14]PADILLA R V. Simplified methodology for designing parabolic trough solar power plants [D]. Florida,USA :University of South Florida,2011.

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

[16]BURKHOLDER F, KUTSCHER C. Heat loss testing of schott's 2008 PTR70 parabolic trough receiver[R]. Golden, Colorado, USA: Technical Report NREL/ TP-550-45633, 2009.

[17]PRICE H, FORRISTALL R, WENDELIN T,etal. Field survey of parabolic trough receiver thermal performance[C]//Proceeding of ISEC 2006, ASME International Solar Energy Conference. Denver, Colorado, USA：NREL，2006.

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

國家自然科學基金資助項目(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學科分類號：480.60