聯合海水淡化和余熱的風力增壓式太陽能煙囪電站技術經濟性分析

左 潞，周 恬，李 闖，戴鵬展，劉子涵，藤盛龍，屈 波

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

為提高單純用于電力生產的太陽能煙囪電站（Solar Chimney Power Plant，SCPP）的太陽能利用效率[1]和經濟性，本課題組提出了海水淡化-太陽能煙囪電站系統 （Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，SCPPCSD），并進行了初步的理論分析和微型試驗研究。由于SCPPCSD中部分能量被凝結的淡水帶走，導致集熱棚內氣流溫度下降，減小了SCPPCSD的內外氣流壓差，使得發電量有所下降。針對這一問題，研究者提出無動力風力增壓型海水淡化-太陽能煙囪電站系統（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，WSSCPPSD）[4]～[6]，改善了系統內外氣流壓差。WSSCPPSD作為SCPPCSD的增效衍生系統，雖然明顯提高了綜合系統的性能，但是其運行特性受環境參數波動的影響仍然較大，導致其電站運行功率波動較大，系統性能仍有改善的空間。目前，許多學者將外熱源（地熱能、煙氣等）技術與SCPP技術結合[7]，[8]，用來提高SCPP的性能，降低環境因素對其性能的影響?；诖耍疚奶岢隽寺摵虾Ｋ陀酂岬奶柲軣焽桦娬鞠到y（Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，SCPPDW）和聯合海水淡化和余熱的風力增壓式太陽能煙囪電站系統（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，WSCPPDW）[9]。通過構建WSCPPDW數學模型及計算來分析其技術經濟性，旨在利用研究所得到的具體數據，量化闡明該綜合系統在性能輸出與投資回報方面的優勢，為其進一步商業化提供一定的指導和參考。

1 物理模型

WSCPPDW是風力增壓型海水淡化-太陽能煙囪電站（WSSCPPSD）的進一步拓展系統，其工作原理見文獻[9]。WSCPPDW的特別之處在于可在盤式海水蒸餾池下方設計并設置專用螺旋形煙氣加熱流道（SGC），耦合利用火電廠煙氣余熱進一步加熱海水。煙氣經火電廠煙氣再熱器（GGH）再熱后，進入WSCPPDW底部的SGC。為了增加煙氣與海水之間的換熱時間，充分利用煙氣余熱和土地資源，SGC煙道采用螺旋形布置。煙氣流經SGC進入導流錐腔，通過設置在導流腔內的煙氣凈化裝置（濕式除塵器或其他裝置）進行凈化，防止煙氣腐蝕煙囪內壁和渦輪機。凈化后的煙氣由導流錐出口處的噴嘴噴射出并進入公用煙囪。

WSCPPDW能夠同時利用太陽能、煙氣余熱能和高空風能等實現水、電聯產，其原理如圖1所示。

圖1 WSCPPDW原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of WSCPPDW

根據噴射器原理，高速煙氣射流通過噴嘴高速噴射時，能夠卷吸渦輪機出口和集熱棚出口處的空氣，提高集熱棚內氣流流速，增大系統內空氣質量流量。由于空氣與煙氣的混合氣體溫度遠大于空氣的溫度，經過凈化的高溫煙氣與集熱棚出口的熱氣流混合后，系統內外的溫度差和壓差均顯著增大，提高了渦輪機壓降和軸功率。

本研究中WSCPPDW的模型尺寸和運行工況分別參照西班牙原型SCPP尺寸參數和典型運行工況[9]，煙囪高度194.6 m，直徑10 m，集熱棚直徑244 m，集熱棚進口高度1.85 m，出口高度8 m，過渡段采用鐘形流道設計方法設計。煙氣入口溫度358.15 K，煙氣質量流量436.3 kg/s。外環境溫度298.15 K，太陽輻照度850 W/m2，煙囪頂部風速15 m/s。

2 數學模型

文獻[9]詳細介紹了WSCPPDW基于熱平衡方程構建的傳熱傳質和輸出性能計算模型，利用此模型可計算得到本文所取的典型運行工況下綜合系統的輸出性能。

式中：Ej為各產品年總量；Pj為產品價格；θ為恒定的通貨膨脹率。

第k年WSCPPDW的總收益Ballk為

式中：下標P，C，W，S分別為發電、碳信用、淡水和原鹽。

第k年WSCPPDW的總成本Callk為

式中：Com1為第1年的操作與維護費用；εom為操作與維護成本的年增長率。

研習已久的中國悠久歷史，作者貼近讀者的日常心理，以較為客觀平直的態度陳述這段發人深省的時光。而先生所講述的關于大學治理以及學生的教育問題，不僅是決定國家發展的一股核心力量，同樣也是中國文化發展變化的關鍵因素。

第k年的凈收益NETk

式中：x為貼現率。

WSCPPDW服役期間的總凈現值TNPV為

采用風險調整貼現率法分析綜合系統的經濟性，貼現率x為

式中：μ，y和z分別為無風險貼現率、風險收益率和風險程度。

3 結果分析

3.1 不同綜合系統性能對比

圖2為在相近的幾何參數和相似運行條件下，WSCPPDW，SCPPDW，西班牙原型SCPP和文獻[11]～[15]提出的能夠實現水、電聯產的綜合系統性能對比。由圖2可知，WSCPPDW的發電和產水性能優于現有的大多數水、電聯產SCPP綜合系統。SCPPDW的發電功率、淡水產量和能量利用效率分別為159.3 kW，15.0 t/h和11.7%。WSCPPDW的發電功率、淡水產量和能量利用效率分別為193.7 kW，17.2 t/h和13.5%。在風力增壓裝置的增益效果下，WSCPPDW的發電量、淡水產量和能量綜合利用效率比SCPPDW分別提高了21.6%，14.7%和15.4%。因此，通過設置風力增壓裝置，明顯提高了系統性能。文獻[11]提出的綜合系統的產水量明顯大于WSCPPDW，但其發電量遠小于WSCPPDW，這是因為這兩個系統采用的海水淡化基本方法不同，將加濕-除濕系統應用于水、電聯產系統，加濕-除濕法的海水淡化效率遠大于傳統盤式蒸餾海水淡化方法，所以其系統的淡水產量大大提升。

圖2 WSCPPDW和其他綜合系統的性能對比Fig.2 Performance comparison between WSCPPDW and other integrated systems

在一定程度上，WSCPPDW性能優于其他系統，因此WSCPPDW的尺寸參數可以適當減小，從而降低了建造難度。WSCPPDW耦合了高溫煙氣余熱利用技術，選址不局限于太陽輻射充足的地區，因此更加靈活。此外，WSCPPDW將火電廠煙囪和太陽能煙囪相結合，減少了投資，提高了經濟效益，促進了SCPP技術的商業應用。

3.2 總收益分析

圖3為SCPPDW和WSCPPDW服役期間總凈利潤TNET和總凈現值TNPV的對比情況。由圖3可知，WSCPPDW的TNET和TNPV分別為41.9×106元和5.5×106元；SCPPDW的TNET和TNPV分別為29.4×106元和2.7×106元。在風力增壓裝置的作用下，WSCPPDW的TNET和TNPV顯著提高，分別增大了42.8%和102%。這是由于在風力增壓裝置的作用下，WSCPPDW的發電量和產水量明顯提高，分別增大了21.6%和14.7%。

圖3 SCPPDW與WSCPPDW的TNET和TNPV對比Fig.3 Comparison of TENT and TNPV between SCPPDW and WSCPPDW

3.3 經濟性能的逐年變化規律

圖4為在系統服役期間內，SCPPDW及WSCPPDW年凈收益的變化規律。

圖4 服役期間內SCPPDW及WSCPPDW的年凈收益變化規律Fig.4 Changes in the annual net income of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由圖4可見，隨著工作時長的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均呈遞增趨勢，WSCPPDW的年凈收益始終大于SCPPDW。SCPPDW的年凈收益只有在綜合系統開始工作的前4 a為負值，在余下工作時間內均大于零。而WSCPPDW的年凈收益只有在綜合系統工作的第1年小于零。這是因為，在通貨膨脹率的影響下，SCPPDW和WSCPPDW的售電收益、碳信用收益、淡水收益、原鹽收益均逐年增加。此外，由于每年需償還固定數額的貸款費用，剩余所需償還貸款逐年減少，所以每年需要償還的貸款年利息也逐年減小。因此，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均逐年增大。

圖5為SCPPDW及WSCPPDW凈現值的變化規律。

圖5 服役期間內SCPPDW及WSCPPDW的凈現值變化規律Fig.5 Changes in the NPV of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由圖5可知，在服役期間的前15 a，SCPPDW的凈現值逐年增大，隨后凈現值逐年減??；在服役期間的前11 a，WSCPPDW的凈現值逐年增大，隨后凈現值逐年減小。SCPPDW的凈現值在綜合系統工作的前4 a小于零，在剩余服役時間內均大于零。而WSCPPDW的凈現值只有在綜合系統工作的第1年小于零，比SCPPDW提前3 a開始盈利，WSCPPDW的凈現值始終大于SCPPDW的凈現值。這是因為，凈現值主要受到年凈收益和貼現率的影響。由前文可知，凈現值與凈收益呈正相關關系，與貼現率呈負相關關系。由上述分析知，SCPPDW在運行的前15 a內，SCPPDW的年凈收益逐年增大，且凈收益為影響凈現值變化的主導因素，所以SCPPDW的凈現值逐年增大；隨著服役時長的增加，貼現率對凈現值的影響逐漸顯著，在運行了15 a后，貼現率成為影響凈現值變化的主導因素，SCPPDW的凈現值逐年減小。同理，WSCPPDW和SCPPDW凈現值的變化規律相同，均為先增大后減小。由于年維修費用與凈現值呈負相關，因此WSCPPDW凈現值開始減小的拐點比SCPPDW稍有提前。此外，由于SCPPDW在服役期前4 a的年凈收益小于零，所以其凈現值也小于零；由于WSCPPDW的年凈收益始終大于SCPPDW，所以WSCPPDW的凈現值也始終大于SCPPDW。

4 結論

本文利用文獻[9]中所構建的SCPPDW和WSCPPDW性能輸出數學模型及現金流計算構建了經濟分析數學模型，探討了SCPPDW和WSCPPDW的技術經濟性，得到以下結論。

①在西班牙原型SCPP的運行參數和尺寸參數下，煙氣余熱的利用，使得SCPPDW和WSCPPDW的發電和產水性能優于現有的大多數水、電聯產SCPP綜合系統。因此WSCPPDW的尺寸參數可以適當減小，降低了建造難度。

②風力增壓裝置能夠顯著提高綜合系統的性能。SCPPDW發電量為159.3 kW·h，產水量為15.0t/h，能量綜合利用效率為11.7%；WSCPPDW的發電量為193.7 kW·h，產水量為17.2 t/h，能量綜合利用效率為13.5%。與SCPPDW相比，WSCPPDW的能量綜合效率提高了15.4%。

③在煙囪頂部增設的風力增壓裝置可使綜合系統總凈利潤和總凈現值明顯增大。與SCPPDW相比，WSCPPDW的總凈利潤和總凈現值分別增大了21.6%和14.7%。

④隨著工作時長的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均呈逐年遞增的趨勢，二者的年凈現值均先增大后減小，分別在第15年和第11年達到最大值，WSCPPDW的年凈收益和年凈現值始終大于SCPPDW。SCPPDW的年凈收益和年凈現值在系統開始運行的前4 a為負值，增設風力增壓裝置后的WSCPPDW的年凈利潤和年凈現值在系統開始工作的第1年為負值，在剩余的服役期間內均大于零，比SCPPDW提前3 a開始盈利。

⑤WSCPPDW同時利用了多種形式的能源，提高了綜合系統的能量綜合利用效率；煙氣余熱的利用使系統在低輻射狀態下以及夜間、雨天能夠連續、穩定地工作，輸出可觀的淡水和發電功率；WSCPPDW耦合了高溫煙氣余熱利用技術，選址更加靈活；WSCPPDW將火電廠煙囪和太陽能煙囪相結合，減少了投資，提高了經濟效益，促進了SCPP技術的商業應用。