太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)熱量優(yōu)化研究

宋立信，田存仁，郭凌云，馬 超

（廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 潮州 515723）

0 引言

為了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，需要進(jìn)一步擴(kuò)大可再生能源的發(fā)電份額并提高能源的利用效率。太陽能輔助燃煤發(fā)電機(jī)組將聚光式集熱技術(shù)收集的太陽能熱引入燃煤機(jī)組預(yù)熱給水，通過取代部分抽汽實(shí)現(xiàn)減少燃煤或增加發(fā)電功率的作用。該技術(shù)具有集成方案的多樣性、發(fā)電輸出的穩(wěn)定性與電網(wǎng)需求的一致性，以及運(yùn)行方式的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，也符合國內(nèi)大力發(fā)展太陽能并降低其投資成本的需求。

太陽能與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方面的研究始于Eric Hu團(tuán)隊(duì)為代表的不少學(xué)者利用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律從能量的“數(shù)量”和“品位”兩個(gè)角度，對太陽能輔助燃煤系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究。通過引入?效率指標(biāo)（Exergy Merit Index，EMI）來評價(jià)太陽能熱?到電能的轉(zhuǎn)化效率，通過研究明確了太陽能在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的“輔助”地位[3]；所替代抽汽的壓力越高，其互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)增加的功率也越高[4]。華北電力大學(xué)的楊勇平教授團(tuán)隊(duì)[1-3]對互補(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200MW～1000MW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。中國科學(xué)院工程熱物理研究所金紅光團(tuán)隊(duì)利用熱力學(xué)第二定律及能級理論對太陽能輔助燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了?分析和?損分析。針對太陽能中低溫?zé)崂醚芯糠矫妫芯筷U釋了太陽能輔助燃煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)于純太陽能機(jī)組的機(jī)理。

綜上所述，用太陽能輔助燃煤發(fā)電并預(yù)熱燃煤電廠給水是一種高效、經(jīng)濟(jì)的太陽能熱利用方式。太陽能本身具有不穩(wěn)定性、間歇性等特點(diǎn)，雖然儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的穩(wěn)定輸出，然而儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)置會(huì)增加系統(tǒng)整體的投資成本。因此，本文將對光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱量進(jìn)行研究，探索光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱機(jī)理，從而對系統(tǒng)的蓄熱量進(jìn)行研究。

1 太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)

目前的燃煤機(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。圖1是典型的槽式太陽能輔助燃煤發(fā)電的系統(tǒng)圖，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（也稱主蒸汽）。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（也稱再熱蒸汽）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)入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和儲(chǔ)熱系統(tǒng)構(gòu)成。經(jīng)過槽式太陽能集熱場吸收的太陽能加熱傳熱介質(zhì)（通常用導(dǎo)熱油），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 太陽能集熱場子系統(tǒng)

LS-2型集熱管效率的計(jì)算模型，如公式（1）所示。

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

式中：ηopt為光學(xué)效率；ηend為集熱器的末端損失系數(shù)；IAM為太陽能入射角修正系數(shù)；ηshadow為遮擋系數(shù)；Gbn為法向直射輻照度（Direct Normal Irradiation，DNI），W/m2；θinc為入射角，°；Ac為太陽能集熱場的采光面積，m2；ΔT為集熱場平均溫度與環(huán)境溫度之差，℃。

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，如公式（2）所示。

其中，和為汽室的門桿漏汽流量，kg/s；為軸封漏氣流量，kg/s；τi為單位質(zhì)量給水在第i級加熱器的焓增，kJ/kg；qi為單位質(zhì)量抽汽在第i級加熱器的焓降，kJ/kg；γi為單位質(zhì)量疏水在第i級加熱器的焓降，kJ/kg；qA或qB為單位質(zhì)量門桿漏汽在加熱器的焓降，kJ/kg；qsgi為單位質(zhì)量軸封漏氣流量在加熱器的焓降，kJ/kg。

2.3 評價(jià)指標(biāo)

將互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)年太陽能發(fā)電量與年太陽能投射輻射能作比，可得到太陽能年光電轉(zhuǎn)化效率，用于表示互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)平均光電轉(zhuǎn)化水平，如公式（3）所示。

標(biāo)準(zhǔn)化平均發(fā)電成本，主要用于評估系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的發(fā)電成本，即在全壽命周期內(nèi)，每產(chǎn)生1kW·h的太陽能發(fā)電量所需的折合費(fèi)用，如公式（4）所示[4,5]。

式中，CC為引入太陽能后新增加的費(fèi)用，$；CRF為資本回收因子，如公式（5）所示；O&M為年維護(hù)與運(yùn)行費(fèi)用，$；r為折現(xiàn)率，%；D為電廠的預(yù)期壽命，年。

3 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)熱量優(yōu)化

本節(jié)將用模擬互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年性能，從而優(yōu)化太陽能的集熱面積及蓄熱量。

3.1 太陽能熱輸入對蒸汽流量的影響

圖2展示了在不同負(fù)荷下，年太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率隨集熱面積和蓄熱量的變化。對于沒有蓄熱的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)而言，隨著集熱面積的增加，年太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率先增后減，并存在最大值與最佳的集熱面積。其主要的原因在于，隨著集熱面積的增加，更多高品位的高壓抽汽被取代。因此，年太陽能光電轉(zhuǎn)化效率起初會(huì)隨著太陽能集熱面積增加；但過多的集熱面積也會(huì)導(dǎo)致越來越多的太陽能被舍棄，因而，年太陽能光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高值時(shí)，會(huì)隨著太陽能集熱面積增加而下降。對于有蓄熱系統(tǒng)的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)而言，集熱面積增加時(shí)，年太陽能光電轉(zhuǎn)化效率將保持不變，直到太陽能熱輸入過量。

3.2 太陽能熱輸入對蒸汽流量的影響

LCOE是衡量互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性非常重要的參數(shù)。表1顯示了互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件的初投資。

圖3展示了在不同負(fù)荷下，LCOE隨集熱面積和蓄熱量的變化。從圖中可以看出，每一條曲線都隨著集熱面積的增加而先減后增。因此，存在最佳的集熱面積。對比不同的蓄熱量，可以看出，0.5h蓄熱量的最佳LCOE相比其他曲線要更低。因此，可以說明互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置0.5h的蓄熱量最優(yōu)，所對應(yīng)的集熱面積和LCOE分別為：0.0629$/kWh和1.413×105m2（100%負(fù)荷）、0.0654$/kWh和9.42×104m2（75%負(fù)荷）以及0.0730$/kWh和5.89×104m2（50%負(fù)荷）。

圖2 不同負(fù)荷下年太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率隨集熱面積和蓄熱量的變化Fig.2 Changes of solar thermal power conversion efficiency with heat collection area and heat storage in the next year under different loads

圖3 不同負(fù)荷下LCOE隨集熱面積和蓄熱量的變化Fig.3 Changes of LCOE with heat collection area and heat storage under different loads

表1 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要部件的初投資Table 1 Initial investment of main components of complementary power generation systems

4 結(jié)束語

本文以太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)進(jìn)行了模型建立，并對不同負(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。主要的結(jié)論如下：

1）隨著集熱面積的增加，沒有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年太陽能光電轉(zhuǎn)化效率先增后減；帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的年太陽能光電轉(zhuǎn)化效率保持不變，直到太陽能輸入量過量。

2）適當(dāng)?shù)膬?chǔ)熱量可以提升互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)電成本，結(jié)果表明，可以說明互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置0.5h的蓄熱量最優(yōu)，所對應(yīng)的集熱面積和LCOE分別為：0.0629$/kWh和1.413×105m2（100%負(fù)荷）、0.0654$/kWh和9.42×104m2（75%負(fù)荷）以及0.0730$/kWh和5.89×104m2（50%負(fù)荷）。