基于耦合模型的太陽(yáng)能與熱能互補(bǔ)特性分析

劉金浦，劉亞平

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和人類的生存， 對(duì)一個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 煤炭是能源結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分。 我國(guó)電力結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以燃煤為主，燃煤機(jī)組發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上［1］。 近年來(lái)，政府出臺(tái)的一系列能源消費(fèi)控制政策和環(huán)保要求給燃煤電廠的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，使其面臨著巨大的節(jié)能減排壓力［2］。若在常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)中引入太陽(yáng)能，使其與熱能構(gòu)成光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，一方面可以充分利用機(jī)組調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，降低燃煤機(jī)組的煤耗，緩解化石能源短缺問(wèn)題；另一方面，如果太陽(yáng)能電力供應(yīng)緊缺，燃煤機(jī)組單獨(dú)供電，可以有效地解決太陽(yáng)能應(yīng)用的間歇性問(wèn)題， 降低太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的投資成本［3-5］。 同時(shí)，與其他可再生資源相比，太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)以熱能為中間能源，與燃煤發(fā)電系統(tǒng)的耦合相對(duì)容易。 筆者試對(duì)基于耦合模型的太陽(yáng)能與熱能互補(bǔ)特性進(jìn)行分析，以期為太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

1.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的工作原理

光學(xué)是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 而基于光學(xué)特性的吸收表面輻射熱流邊界條件是光-熱轉(zhuǎn)換分析的前提［6-7］。 因此，本文基于雙軸跟蹤器導(dǎo)線無(wú)反射電容器， 提出了點(diǎn)線耦合聚焦太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的思路。雙軸跟蹤儀的鈦菲涅耳定日鏡具有抗風(fēng)性良好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局緊湊、占地少等優(yōu)點(diǎn)。 基于鈦菲涅爾定日鏡的點(diǎn)線聚焦太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 點(diǎn)線耦合聚焦太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of point-line coupling focus solar thermal collector system

由圖1 可知， 基于鈦菲涅爾定日鏡的點(diǎn)線聚焦太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要由雙軸跟蹤器導(dǎo)線無(wú)反射電容器、BD 反射器和CPC 接收機(jī)組成。 BD 反射器上的焦點(diǎn)F1是目標(biāo)點(diǎn)，入射的太陽(yáng)光線（IA 和IB）被鈦菲涅爾定日鏡聚焦到塔頂?shù)腂D 反射器上， 焦點(diǎn)分別為C 和D。 然后，太陽(yáng)光線被重新聚焦到位于近地面焦點(diǎn)F2處的CPC 接收器上， 從而完成光熱能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。在該系統(tǒng)中，鈦菲涅耳定日鏡是線聚焦聚光鏡，BD 反射鏡和CPC 聚光鏡都是點(diǎn)聚焦聚光鏡。 因此，該系統(tǒng)被稱為點(diǎn)線聚焦集熱系統(tǒng)。

1.2 常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)主要由鍋爐、 汽輪機(jī)和蓄熱式加熱器組成。這些部件依次連接在管道上，輸送傳熱和工作液。 鍋爐產(chǎn)生的蒸汽先在汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)工作，從高壓缸排出的蒸汽進(jìn)入回?zé)崾郊訜崞?重新加熱。再熱后的蒸汽依次進(jìn)入中、低壓缸工作，從中、低壓缸排出的蒸汽進(jìn)入凝汽器，凝結(jié)成蒸汽凝結(jié)水。蒸汽凝結(jié)水由凝結(jié)水泵依次輸送至各低壓回?zé)峒訜崞?，并通過(guò)給水泵連續(xù)輸送至各高壓回?zé)峒訜崞鳎_(kāi)始新的循環(huán)。 鍋爐是實(shí)現(xiàn)燃料由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的主要裝置，其熱平衡方程如式（1）所示。

式中：mc為燃料質(zhì)量，kg／s；qs為燃料發(fā)熱量，kJ／kg；ηb為鍋爐熱效率；mms為鍋爐出口蒸汽流量，kg／s；hms為鍋爐出口蒸汽比焓，kJ／kg；hiw為鍋爐入口給水比熵，kJ／kg；mrs為再熱蒸汽流量，kg／s；hro為再生熱段蒸汽比熵，kJ／kg；hri為再生冷段蒸汽比熵，kJ／kg。

鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹和工作，其在汽輪機(jī)中做的功可通過(guò)式（2）計(jì)算。

式中：W 為蒸汽在汽輪機(jī)中做的功，kJ／s；ms為蒸汽流量，kg／s；hsi為蒸汽在汽輪機(jī)進(jìn)口的焓值，kJ／kg；hso為蒸汽在汽輪機(jī)出口的焓值，kJ／kg。

2 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特性分析

2.1 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的熱工性能分析

在光煤互補(bǔ)示范電廠的系統(tǒng)流程中， 利用太陽(yáng)能對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)中的蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行加熱， 以替代一定的低壓缸［8-9］。把太陽(yáng)能加熱后的蒸汽凝結(jié)水再送入除氧器循環(huán)， 替代的蒸汽繼續(xù)留在汽輪機(jī)中。 因此，太陽(yáng)能以電的形式輸出。

圖2 太陽(yáng)能光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified diagram of solar-coal power generation system

為便于分析， 根據(jù)功能對(duì)太陽(yáng)能光電互補(bǔ)電站的主要設(shè)備和能量傳輸過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化。 簡(jiǎn)化后的光煤互補(bǔ)電廠發(fā)電系統(tǒng)由4 個(gè)主要子系統(tǒng)（鍋爐預(yù)熱、蒸發(fā)、過(guò)熱子系統(tǒng)A；汽輪機(jī)動(dòng)力子系統(tǒng)B；太陽(yáng)能油水換熱子系統(tǒng)C；換熱子系統(tǒng)D）和8 個(gè)焓熵值（H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8）組成，具體如圖2 所示

通過(guò)建立太陽(yáng)能光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，分析了系統(tǒng)主要器件在互補(bǔ)供電運(yùn)行模式下的參數(shù)分布特性。 根據(jù)圖2 所示的簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算了相應(yīng)的系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)。示范電廠各機(jī)組的焓流值如圖3 所示。 太陽(yáng)能在光煤互補(bǔ)發(fā)電中的占比a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分別為0.1%、0.1%、6.3%、0.34%、0、100%、0.1%、0.1%。

分析示范電廠各機(jī)組太陽(yáng)能在光煤互補(bǔ)發(fā)電中的占比和焓流值可知， 在光煤互補(bǔ)示范電廠的運(yùn)行模式下，太陽(yáng)能占總發(fā)電量的0.10%。 更準(zhǔn)確地說(shuō)，如果互補(bǔ)示范電站的額定功率為50 MW，太陽(yáng)能發(fā)電量為0.05 MW，燃煤發(fā)電量為49.95 MW。

2.2 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集熱器運(yùn)行特性研究

根據(jù)光煤互補(bǔ)示范電廠多年氣象資料， 計(jì)算場(chǎng)地年太陽(yáng)直接輻射量為1 970 kWh／m2，水平總輻射量為1 699 kWh／m2。 選取典型夏季日的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，探討互補(bǔ)電站的運(yùn)行方式和特性。典型夏季日的時(shí)變太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖4 所示。

由圖4 可知，太陽(yáng)在早晨5：30 以后升起，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸增加， 并在中午12：30～13：30達(dá)到最大值。 13：30 以后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度急劇下降，20：00 太陽(yáng)下山后，輻射強(qiáng)度為零。

由于太陽(yáng)輻射固有的波動(dòng)特性， 當(dāng)太陽(yáng)能光煤互補(bǔ)發(fā)電廠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， 燃煤發(fā)電機(jī)組所需的太陽(yáng)能功率是恒定的。 將所需太陽(yáng)能總輻射強(qiáng)度Gm定義為輻射閾值，根據(jù)總輻射強(qiáng)度Q，將具有集熱器的光煤互補(bǔ)電廠的實(shí)際運(yùn)行方式分為總輻射強(qiáng)度高于閾值、總輻射強(qiáng)度低于閾值、輻射強(qiáng)度為零3 類。 在3 種運(yùn)行模式下， 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略如圖5 所示。

2.3 光煤互補(bǔ)復(fù)合電力系統(tǒng)輻射特性分析

本文遵循“適當(dāng)?shù)臏囟群湍芰康奶荻壤谩钡脑瓌t，主要分析在單次輻射強(qiáng)度不同的集成方式下，擴(kuò)容太陽(yáng)能蒸汽后， 直接發(fā)電系統(tǒng)和燃煤發(fā)電機(jī)組的綜合性能和熱力性能。 凝結(jié)水泵出口收集的蒸汽凝結(jié)水經(jīng)增壓器加壓后， 再經(jīng)集熱器加熱至抽氣參數(shù)的某一段，然后返回燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)。在熱力系統(tǒng)中，與抽氣混合，并在加熱器中加熱。此時(shí)，膨脹蒸發(fā)器產(chǎn)生的疏水壓力與過(guò)熱蒸汽壓力相同， 與換熱加熱器產(chǎn)生的疏水壓力也基本相同。 更換后的抽氣繼續(xù)在汽輪機(jī)中工作，增加了系統(tǒng)功率輸出。太陽(yáng)能蒸汽進(jìn)入燃煤發(fā)電機(jī)組不同截面時(shí)，入口蒸汽流量、壓力和溫度與抽氣參數(shù)直接相關(guān)。因此，機(jī)組抽氣流量的變化會(huì)引起復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)熱力性能和熱經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)變化和性能變化。

圖3 示范電廠各機(jī)組焓值Fig.3 Enthalpy flow of each unit in a demonstration power plant

圖4 典型夏季日的太陽(yáng)輻射分布圖Fig.4 Solar radiation distribution on a typical summer day

圖5 光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行策略Fig.5 Operation strategy of solar-coal power generation system

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用有利于太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模、低成本開(kāi)發(fā)利用，也可以加快傳統(tǒng)燃煤電廠節(jié)能減排政策的實(shí)施。 本文通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬和仿真計(jì)算等方法，對(duì)光煤互補(bǔ)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了探索， 并通過(guò)建立光煤互補(bǔ)電力系統(tǒng)的額定輻射和輻射變化模型， 探討了太陽(yáng)能輔助供熱系統(tǒng)的熱力特性、 運(yùn)行規(guī)律以及對(duì)機(jī)組性能的影響。