太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)特性研究

郭凌云，馬 超，陳 龍

（1.廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，潮州521000；2.南京工程學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京211167）

電力工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的能源產(chǎn)業(yè)。 近幾年來，我國所面臨的化石能源短缺與污染物排放問題日益突出。 太陽能與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方面的研究始于1975 年，文獻(xiàn)[1]以800 MW 燃煤電站作為研究對(duì)象， 分析了7 種不同的替代方式，綜合成本、技術(shù)和運(yùn)行等方面的因素，以替代給水加熱器的方案最優(yōu)。 文獻(xiàn)[2]對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步研究；文獻(xiàn)[3-5]對(duì)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型及變工況特性做了諸多研究。 通過模擬將太陽能熱分別引入（200～1000）MW 等多個(gè)不同容量的亞臨界或超臨界機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電。 結(jié)果表明，被引入的燃煤機(jī)組容量越大，太陽能的光熱轉(zhuǎn)化效率就會(huì)越高。

綜上所述，利用太陽能輔助燃煤發(fā)電并預(yù)熱燃煤電廠給水為一種高效、 經(jīng)濟(jì)的太陽能熱利用方式，既可以降低煤耗、污染物排放和碳排放，也可以提高太陽能發(fā)電量的比例和整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。 同時(shí)，相比純太陽能機(jī)組，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)擁有更優(yōu)的變工況特性和經(jīng)濟(jì)性。

1 太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)

目前，燃煤機(jī)組在朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，大多采用回?zé)嵯到y(tǒng)和再熱系統(tǒng)來提高平均吸熱溫度和整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。 典型的槽式太陽能輔助燃煤發(fā)電的系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 太陽能與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of complementary power generation system between solar and coal-fired power plants

該系統(tǒng)主要由鍋爐、汽輪機(jī)、給水加熱器、發(fā)電機(jī)、凝汽器等部件構(gòu)成。 來自凝汽器的凝結(jié)水通過給水泵加壓和若干級(jí)加熱器預(yù)熱后進(jìn)入鍋爐，隨后在鍋爐中吸收煤粉燃燒釋放的熱量產(chǎn)生高溫高壓蒸汽（又稱主蒸汽）。 主蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸膨脹做功，其中一部分主蒸汽被逐級(jí)抽取進(jìn)入高壓給水加熱器預(yù)熱給水，未被抽取的高壓缸排汽（又稱再熱蒸汽）則再次進(jìn)入鍋爐再熱。 與主蒸汽類似，進(jìn)入汽輪機(jī)中低壓缸的再熱蒸汽一部分被逐級(jí)抽取進(jìn)入除氧器和低壓給水加熱器預(yù)熱給水，剩余的部分則膨脹做功， 其排汽則進(jìn)去凝汽器冷卻成為冷凝水，完成整個(gè)蒸汽循環(huán)過程。

槽式太陽能集熱系統(tǒng)和油水換熱器則是原燃煤機(jī)組經(jīng)改造后新增的系統(tǒng)，其中，槽式太陽能集熱系統(tǒng)主要由槽式太陽能集熱場(chǎng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)構(gòu)成。 經(jīng)過槽式太陽能集熱場(chǎng)吸收的太陽能加熱傳熱介質(zhì)（通常用導(dǎo)熱油），傳熱介質(zhì)通過油水換熱器加熱部分給水， 從而將太陽能熱引入到燃煤機(jī)組，達(dá)到替代部分汽輪機(jī)抽汽量的作用，被“節(jié)省”的抽汽可以留在汽輪機(jī)繼續(xù)做功，從而增加單位蒸汽量的做功量。當(dāng)太陽能提供的熱量超出燃煤機(jī)組所能接納的范圍時(shí)，多余的熱量則被儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存，以便在太陽能輻照不足時(shí)，為集熱系統(tǒng)補(bǔ)充能量。

2 子系統(tǒng)建模

2.1 太陽能集熱場(chǎng)子系統(tǒng)

拋物面槽式集熱場(chǎng)輸出的凈太陽能熱等于集熱場(chǎng)吸收的太陽能減去集熱場(chǎng)的熱損失，即：

2.2 汽輪機(jī)及回?zé)嶙酉到y(tǒng)

如圖1 所示，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的回?zé)嶙酉到y(tǒng)是由典型的“三高四低一除氧”結(jié)構(gòu)組成。 太陽熱的引入將導(dǎo)致汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的流量發(fā)生變化，即：

2.3 鍋爐子系統(tǒng)

鍋爐子系統(tǒng)模型主要基于熱力學(xué)第一定律：煤燃燒所放出的熱量等于主蒸汽和再熱蒸汽吸收的熱量之和。 即

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)特性

將國內(nèi)某330 MW 機(jī)組為研究對(duì)象， 以我國西藏拉薩地區(qū)的氣象條件為例進(jìn)行案例研究。

3.1 太陽能熱輸入對(duì)主蒸汽流量的影響

互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在x%（x=100，75，50）負(fù)荷下，流量隨太陽能熱輸入的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同工況下主蒸汽流量隨太陽能輸入量的變化Fig.2 Variation of main steam flow rate with solar input under different working conditions

如圖可見， 每張圖中都有2 個(gè)拐點(diǎn)，Q1，x%為剛好替代第3 級(jí)抽汽所需要的太陽能熱輸入量，Q2，x%為剛好替代全部高壓加熱器所需的太陽能熱輸入量；每張圖均展現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì)；每張圖均被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個(gè)區(qū)域：

①當(dāng)0≤Qsolar，x%

②當(dāng)Q1，x%≤Qsolar，x%

③當(dāng)Q2，x%≤Qsolar，x%<時(shí)， 全部高壓抽汽被太陽能完全取代， 系統(tǒng)已無法接納更多的太陽能熱輸入，太陽能輸入量繼續(xù)增加時(shí)，主蒸汽、再熱蒸汽流量相等并保持不變。 多余的太陽能將被舍棄或被儲(chǔ)蓄系統(tǒng)儲(chǔ)存。

3.2 太陽能熱輸入對(duì)太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率的影響

太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率定義為太陽能熱輸入與太陽能發(fā)電量的比值。 它與太陽能熱輸入量的變化情況如圖3 所示。

類似地，對(duì)于100%，75%和50%，同樣被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個(gè)區(qū)域：

①當(dāng)0≤Qsolar，x%

②當(dāng)Q1，x%≤Qsolar，x%

③當(dāng)Q2，x%≤Qsolar，x%時(shí)，隨著太陽能熱輸入量的增加，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率大幅下降。

圖3 不同工況下太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率隨太陽能輸入量的變化Fig.3 Variation of conversion efficiency of solar energy with solar input under different operating conditions

基于3.1 節(jié)所得結(jié)論， 被太陽能取代的抽汽分別為第3 級(jí)、第2 級(jí)和第1 級(jí)。 隨著被替代抽汽壓力的增加，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率也逐漸提高。 但當(dāng)太陽能輸入量超過Q2，x%，多余的太陽能輸入將被儲(chǔ)存或舍棄，因此太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率下降。

4 結(jié)語

以太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)進(jìn)行了模型建立，并對(duì)不同負(fù)荷下的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了瞬態(tài)模型研究，基于年性能進(jìn)行了蓄熱量的優(yōu)化研究。 研究發(fā)現(xiàn)，太陽能的主蒸汽、再熱蒸汽流量隨著太陽能熱引入量的變化分為3 個(gè)區(qū)域；當(dāng)太陽能熱剛好替代全部高壓加熱器時(shí)，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率最高。