太阳能辅助燃煤一体化热发电系统研究与经济性分析

中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第4期:673~679太阳能辅助燃煤一体化热发电系统研究与经济性分析杨勇平*,崔映红,侯宏娟,郭喜燕,杨志平华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室,北京102206*E-mail:[e-mail]收稿日期:2008-03-12;接受日期:2008-05-28国家自然科学基金(批准号:50776028,50606010)和新世纪优秀人才计划(批准号:NCET-05-0217)资助项目摘要进行了太阳能与燃煤机组集成方式和集成机理的研究.利用抛物面槽式集热器收集太阳能,在与燃煤机组集成时,考虑2种系统的物质流和能量流的匹配,进行了集成方案的拟定.在研究太阳能热发生系统的热力特性以及对火电机组热力性能影响的基础上,建立了一体化热发电系统拓扑结构与参数的综合集成优化模型,对大量的集成方案进行了模拟分析,总结了太阳能辅助燃煤一体化热发电系统的集成规律并揭示了其耦合机理.最后对这种一体化发电系统进行了经济性分析,结果表明,考虑了CO2减排带来的环境效益后,这种技术太阳能部分的LEC成本为0.098$/kW·h,低于单纯太阳能热发电方式SEGS成本0.14$/kW·h.关键词太阳能热发电燃煤机组系统集成经济性太阳能热发电是未来利用太阳能进行大规模发电的一种方式[1,2].从20世纪70年代初石油危机后,世界主要发达国家如美国、西班牙、德国等都逐步开始大规模太阳能热发电的研究,取得了大量的成果[3].但是单纯太阳能热发电系统因其高额的初投资和较低的热力性能一直阻碍着它进一步的商业化进程.自20世纪90年代以来,为了有效解决上述问题,欧美等国提出通过提高太阳能热发电系统的热力性能,以减少太阳能热发电成本.为此,太阳能与化石能源相结合的复合热发电系统得到了广泛关注[4].自1997年,国际能源署IEA和SolarPACES根据能源可持续发展战略,将太阳能与化石能源相结合的集热式太阳能复合热发电系统(solar-hybridsystem)列为21世纪近期和中期太阳能热利用的发展目标[5,6].“十一五”期间我国提出了单位GDP能耗下降20%的节能目标,作为全国煤炭消耗大户的火力发电厂,节能任务意义重大.在燃煤机组设计框架基础上,合理集成太阳能热利用系统,组成太阳能辅助燃煤一体化热发电系统,是实现我国太阳能大规模利用和火电机组技术节能的一个有效途径.近年来,国外关于太阳能与化石燃料机组混合发电技术的研究比较多,主要对太阳能与燃气-蒸气联合循环、太阳能与化石燃料锅炉以及与火电机组热力系统结合的系统进行了研究[7~15].这些研究大都集中于案例分析、常规的经济性评估和可行性分析上,用于2系统之间集成的方法太简单,集成性较差,缺乏系统层面的理论和方法研究.系统地研究太阳能热利用系统与火电机组的耦合方式和集成机理,是实现这种多能源综合利用系统一次能源的综合利用率,全系统效率达到最高的重要基础.673杨勇平等:太阳能辅助燃煤一体化热发电系统研究与经济性分析1太阳能辅助燃煤机组一体化热发电系统集成方案太阳能热发电与常规燃煤机组都是用热作为中间能量的载体,组成太阳能辅助燃煤热发电系统的2子系统之间主要是通过热量耦合到一起.常规燃煤机组做功工质的温度跨度较大,从几十度到500多度,为太阳能的集成提供了多种方案.抛物面槽式太阳能集热器是中温太阳能集热器的一种,在美国投入商业并网运行的9座大型太阳能热发电系统(SEGSI~IX),均利用了这种技术,是聚光类集热器中唯一在商业化基础上进行试验的技术,许多研究机构都在努力寻求与常规的化石燃料电站相结合的方案.根据集热器吸收管中吸热介质的不同,抛物面槽式集热器分为2种主要类型:油吸热和水吸热.其中,上述9台SEGS电站均采用了油吸热方式,吸收了太阳能热量后的油在换热器中加热朗肯循环的做功工质水,水的最终参数为(10MPa,391℃);在集热器吸收管中直接利用水吸收太阳能热量的方式,即DSG(directsolarsteam)方式,国外已建有试验项目,由欧盟资助的DISS项目在西班牙的热发电研究中心PSA进行了DSG技术试验,试验中过热蒸气工作参数达到(10MPa,400℃).对于采用油为冷却介质的集热器,在与燃煤机组集成时,两系统间仅有热量的传递;而对于采用水为冷却介质的集热器,与燃煤机组集成时,两系统间不仅有能量流的传递,而且还可有物质流的交换.这样,集热器类型不同,在与燃煤机组集成时,必定具有不同的集成方案.为了论述方便,以下将这2种方式分别称为DSG型和油冷却型.DSG型太阳能集热器在与燃煤机组集成进行混合发电时,要同时考虑物质流和能量流的匹配,基本思路为在单纯燃煤机组热力系统的基础上,由热力系统的某一部位引出一定量的水经由由集热器组成的太阳能场加热,加热后考虑参数的匹配,在适当部位引回热力系统的方式.考虑到电厂热力系统中各设备和流程的特点,可采用如下具体方案.方案一:从凝结水泵出口引出一部分凝结水,经由集热器场加热至某级回热抽气参数后,返回燃煤机组热力系统和该级抽气混合进入该级加热器放热;图1示出了太阳能集热器场出口参数达到一段抽气参数的系统图.方案二:从凝结水泵出口引出一部分凝结水,经由太阳能集热器场后,达到再热冷段的参数,引出和机组再热冷段汇合,之后进入再热器中继续吸热.当然,对于上述2种方案,去太阳能场的水也可由给水泵中间抽头引出,或从前置泵出口引出,图2给出了从给水泵中间抽头分出一部分给水到太阳能场加热后汇集到再热冷段的系统.两种系统的压力可用泵或节流装置进行调整.这2类集成方案,在集成了太阳能热利用系统后,可认为汽轮机主气流量保持不变,而仅仅会引起汽轮机各段抽气流量的变化从而使汽轮机做功、热效率等热经济性改变.当然,对于再热燃煤机组,如太阳能热利用系统的引入引起再热冷段之前抽气量的改变时,则不仅汽轮机的热力性能会发生变化,而且由于锅炉中再热器吸热量变化,锅炉的热力性能也会改变.图1凝结水泵出口引出经DSG集热器场后进入一段抽气系统图2给水泵出口引出经DSG集热器场后进入再热冷段系统对于油冷却型,太阳能热利用系统与燃煤机组间仅仅是能量流的交换.在2系统集成时,只要满足热力学基本定律即可,考虑到抛物面槽式太阳能集674中国科学E辑:技术科学2009年第39卷第4期675热器可达到的最高温度,可知太阳能热利用系统收集的太阳能热量可用于燃煤机组中水加热到饱和气态之前的任何部位,从而使汽轮机的抽气或锅炉的燃煤量减少.如太阳能热量可用于取代汽轮机各段抽气在加热器中的放热量(可以是单独一段抽气也可以是几段抽气),图3给出了燃煤机组中给水流经一号高加时吸收的热量不用由常规燃煤机组的一段抽气供给,而利用了太阳能热量的系统;太阳能热量也可用于加热在锅炉中流经省煤器、水冷壁的工质,图4给出了高加出口的部分给水吸收太阳能热量加热到燃煤锅炉的饱和气态,之后汇入锅炉过热器的系统;当然,太阳能热量还可用于既取代汽轮机的抽气,又减少工质在省煤器、水冷壁中的吸热量,图5给出了给水泵出口的部分给水吸收太阳能热量,一直加热到饱和气态后进入锅炉过热器的系统.图5油冷却型集热器收集太阳能用于高加、锅炉预热和汽化吸热系统省去单纯太阳能热发电所需的庞大储能设备.也就是说,太阳能辐射波动时,利用燃煤机组的煤量来调整.当夜间太阳能辐射为零时,机组在单纯燃煤方式下运行.太阳能辅助燃煤机组在燃煤机组设计的框架上,合理集成了太阳热能.当燃煤机组系统发生变化时,包括系统的拓扑结构和热力参数变化,必然会引起锅炉各受热面、汽轮机通流部分和热力系统参数及其效率的变化,从而引起机组热经济性的改变.对于太阳能热利用系统与燃煤机组不同的集成方案和集成参数,一体化发电系统的热经济性必然不同.在燃煤机组热经济性分析中,锅炉的变工况热力计算一般都采用热力计算标准,近50年来,我国发电锅炉计算普遍采用的是前苏联1957年(包括2个修正)和1973年2个联合标准方法[16].汽轮机及其系统的变工况不仅要考虑汽轮机通流部分的变工况,还需要进行热力系统的变工况计算.改进型弗留格尔公式改善了原型Flugel公式的精度,简化了汽轮机的变工况计算[17];热力系统热经济性状态方程的结构与系统拓扑结构一一对应,为热力系统的分析和综合提供了新的基础和研究方法[18];稳态工况下,对热力循环进行分解与综合便于多能源综合利用系统的分析[19].综合这些理论基础,一体化热发电系统的综合集成优化步骤为:2系统建模太阳能辅助燃煤一体化热发电机组,可利用燃煤机组的可调整性来弥补太阳能辐射的波动,从而图3油冷却型集热器收集太阳能用于一号高加吸热系统a)给定一新的一体化热发电系统流程和太阳能热利用系统加热的工质流量;b)锅炉变工况计算;c)汽轮机变工况计算,初步估计由于太阳能热利用系统的引入引起回热抽气量的变化,在考虑汽轮机各级的通流能力的基础上假定汽轮机主气量;图4油冷却型集热器收集太阳能用于锅炉预热和汽化吸热系统杨勇平等:太阳能辅助燃煤一体化热发电系统研究与经济性分析利用改进型弗留格尔公式计算各段抽气压力;根据一体化热发电系统的拓扑结构,进行热力循环的分解,构造燃煤循环部分的热经济性状态方程;利用热经济性状态方程计算各段抽气流量和主气流量;对上述假定回热抽气流量和主气流量进行校核;d)综合锅炉和汽轮机的变工况,进行一体化热发电系统的热经济性评价;e)改变太阳能热利用系统加热的工质流量,重复上述计算,进行集成参数的优化;f)改变系统流程,重复上述计算,进行流程优化.利用太阳能热电转换效率指标ηh-e进行评价一体化热发电系统的热经济性,定义为()/hethshcrefthsEQEmLQη−=Δ=−⋅⋅/,η式中,Qths为太阳能集热器场单位时间输入燃煤机组的热量,单位kW;Eh为太阳能辅助燃煤发电系统发电量,单位kW⋅h;ηref为参考燃煤电站发电效率;ΔE为太阳能场净发电,单位kW;mc为单位时间标煤的质量流量,单位kg/s;L为标准煤的低位发热量,单位kJ/kg.参考电站是指与太阳能混合发电的燃煤机组在纯燃煤时设计工况下运行的电站.该指标反映了太阳能集热器收集到的太阳能热量转换为电的能力.利用上述定义得到的太阳能热发电方面的指标数值偏低,因为在上述定义中,由于加入太阳能部分引起的系统不足归到太阳能部分,这样定义使得只有真正经济性好的太阳能热发电技术才可能在实际工程中应用推广.依据评价时间尺度的不同,太阳能热电转换效率可有瞬时热电转换效率和年热电转换效率2种.3模拟结果和集成机理分析表1和2给出了太阳能热利用系统与300MW燃煤机组集成,不同集成方案的模拟结果.其中,对于DSG型太阳能集热器在与燃煤机组集成时,主要考虑了太阳能集热器场的水分别从凝结水泵出口或给水泵出口引出,经集热器加热后出口参数分别达到1~7段抽气或再热冷段参数的系统;而对于采用油冷却型集热器收集太阳热能与燃煤机组的集成系统,主要进行了以下方案的计算:太阳能热量用于减少1~7段各段抽气、1~3段高加抽气同时减小,锅炉省煤器和水冷壁中吸热量减少从而引起燃煤量减少以及1~3段抽气与省煤器、水冷壁吸热量都同时减少的方案.分析中,考虑到相比燃煤机组,太阳能热量为辅,引起燃煤机组的流量变动较小,故假定锅炉和汽轮机本体结构保持不变,而仅对系统进行适当改造.对于涉及到锅炉或汽轮机的结构变动情况,本文后面还将详细论述.由表1和2可以看出:表1DSG太阳能集热器与300MW燃煤机组一体化热发电不同集成方案的模拟结果方案一方案二1段抽气2段抽气3段抽气4段抽气5段抽气6段抽气7段抽气再热冷段集热器出口工质压力/MPa6.313.8521.740.8890.3740.1490.07163.81集热器出/入口工质温度/℃391.74/34.4324.1/34.4432.5/34.4334.2/34.3231.9/34.4140.1/34.489.1/34.3321.5/34.4集热器通流量