太陽能輔助燃煤發電系統的瞬態特性研究

郭凌云，馬 超，陳 龍

（1.廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，潮州521000；2.南京工程學院 能源與動力工程學院，南京211167）

電力工業是我國經濟發展中最重要的能源產業。 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發電系統方面的研究始于1975 年，文獻[1]以800 MW 燃煤電站作為研究對象， 分析了7 種不同的替代方式，綜合成本、技術和運行等方面的因素，以替代給水加熱器的方案最優。 文獻[2]對互補發電系統的經濟性進行了初步研究；文獻[3-5]對互補發電系統動態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 等多個不同容量的亞臨界或超臨界機組進行聯合發電。 結果表明，被引入的燃煤機組容量越大，太陽能的光熱轉化效率就會越高。

綜上所述，利用太陽能輔助燃煤發電并預熱燃煤電廠給水為一種高效、 經濟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電量的比例和整個系統的熱效率。 同時，相比純太陽能機組，互補發電系統擁有更優的變工況特性和經濟性。

1 太陽能輔助燃煤發電系統

目前，燃煤機組在朗肯循環的基礎上，大多采用回熱系統和再熱系統來提高平均吸熱溫度和整個系統的熱效率。 典型的槽式太陽能輔助燃煤發電的系統如圖1 所示。

圖1 太陽能與燃煤電廠互補發電系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of complementary power generation system between solar and coal-fired power plants

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

槽式太陽能集熱系統和油水換熱器則是原燃煤機組經改造后新增的系統，其中，槽式太陽能集熱系統主要由槽式太陽能集熱場和儲熱系統構成。 經過槽式太陽能集熱場吸收的太陽能加熱傳熱介質（通常用導熱油），傳熱介質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組，達到替代部分汽輪機抽汽量的作用，被“節省”的抽汽可以留在汽輪機繼續做功，從而增加單位蒸汽量的做功量。當太陽能提供的熱量超出燃煤機組所能接納的范圍時，多余的熱量則被儲能系統儲存，以便在太陽能輻照不足時，為集熱系統補充能量。

2 子系統建模

2.1 太陽能集熱場子系統

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

2.2 汽輪機及回熱子系統

如圖1 所示，互補發電系統的回熱子系統是由典型的“三高四低一除氧”結構組成。 太陽熱的引入將導致汽輪機回熱系統的流量發生變化，即：

2.3 鍋爐子系統

鍋爐子系統模型主要基于熱力學第一定律：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 評價指標

3 互補發電系統的瞬態特性

將國內某330 MW 機組為研究對象， 以我國西藏拉薩地區的氣象條件為例進行案例研究。

3.1 太陽能熱輸入對主蒸汽流量的影響

互補發電系統在x%（x=100，75，50）負荷下，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 個拐點，Q1，x%為剛好替代第3 級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；每張圖均展現了相似的變化趨勢；每張圖均被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個區域：

①當0≤Qsolar，x%

②當Q1，x%≤Qsolar，x%

③當Q2，x%≤Qsolar，x%<時， 全部高壓抽汽被太陽能完全取代， 系統已無法接納更多的太陽能熱輸入，太陽能輸入量繼續增加時，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蓄系統儲存。

3.2 太陽能熱輸入對太陽能熱電轉化效率的影響

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

類似地，對于100%，75%和50%，同樣被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個區域：

①當0≤Qsolar，x%

②當Q1，x%≤Qsolar，x%

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

圖3 不同工況下太陽能熱電轉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 節所得結論， 被太陽能取代的抽汽分別為第3 級、第2 級和第1 級。 隨著被替代抽汽壓力的增加，太陽能熱電轉化效率也逐漸提高。 但當太陽能輸入量超過Q2，x%，多余的太陽能輸入將被儲存或舍棄，因此太陽能熱電轉化效率下降。

4 結語

以太陽能輔助燃煤發電系統為研究對象，對系統的主要子系統進行了模型建立，并對不同負荷下的互補發電系統進行了瞬態模型研究，基于年性能進行了蓄熱量的優化研究。 研究發現，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 個區域；當太陽能熱剛好替代全部高壓加熱器時，太陽能熱電轉化效率最高。