槽式太阳能集热场与燃煤机组混合发电系统研究
胡明明，李爱军
（华中科技大学能源与动力工程学院，武汉430074）
摘要：通过太阳能与燃煤机组混合发电系统的分析研究，以槽式太阳能集热器与燃煤机提出了三种不同的系统集成方式.对三种系统集成方式进行模拟，根据模拟结果对系统不同性 组集成为基础，采用以工质直接吸收太阳能热的方式，考感工质不同的引出和引入系统的部位，能指标进行了分析，选出了其中最优的集成方式.同时对该系统集成方式进行了技术经济分析，结果表明其太阳能发电部分的LEC成本为0.539元/kWh，低于单纯的太阳能热发电成本，与风力发电和粘科发电等可再生资源发电技术相当.
关键词：太阳能辅助燃煤机组：系统集成：热经济性：技术经济性
中图分类号：TM615文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016）01-0035-05
Research on the Solar Supported Coal -fired Electric GenerationSystem
HU Ming = ming LI Ai junWuhan 430074 China)
Abstract: Analyzed the parabolic trough solar field/coal fired hybrid thermal power system. By way of direct absorption of solar energy to heat the working fluid taking into account the working fluidextraction and introduction of different parts of the system this paper proposed three diferent ways ofintegrated systems. Simulated the three kinds of system integration methods. According to thesimulation results the different performance indexes of the system was analyzed and selected the optimal integration method. At the same time analyzed the technical and economic of the system.The results show that the LEC cost of the part of solar thermal power in hybrid system is 0.539 yuan/kW • h which is lower than solar only thermal power systems and is equivalent to the LEC cost of
Key words: Solar supported coal fired unit; System integration; Thermal economy ; Technical eco-nomics
长期以来，大量的化石能源消耗引起了一系燃料机组集成组成混合发电系统2，能降低煤 大，受天气和昼夜的影响较大.将太阳能与化石列的气候变化和环境污染问题.开发利用包括太炭消耗，促进太阳能的开发利用，缓解化石能源带
0引言
阳能在内的可再生能源是人类社会实现可持续发来的环境问题.展的重要途径，太阳能安全可靠、清洁无污染，可利用量巨大.但是单纯的太阳能热发电成本巨
国内外研究人员对太阳能与化石燃料机组混合发电系统的集成机理、系统热力特性和技术经济性进行了相应的研究-，这些研究大都着重于作者简介：胡明明（1990-）.男，期北天门人.硕土研究生.案例分析和可行性分析，系统集成方案筒单，不同
的方案直接缺乏横向的比较.文中首先提出了太阳能热发电与燃煤机组混合发电系统三种不同类别的集成方案，应用热平衡法和等效增降法对系统热力特性进行分析，比较相应的热经济性指标找出最佳的混合发电系统集成方案，并在考虑CO减排收益的情况下对系统进行了技术经济分析.
1系统建模
1.1太阳能与燃煤机组混合集成方案
由于常规燃煤机组做功工质的温度跨度很大，从十几度到五百多度不等，因此太阳能通过热量与燃煤机组耦合有很多种不同的集成方式.文中选取在商业上已经投人使用的抛物面槽式太阳能集热器，在集热器吸收管中选取直接利用水吸收太阳能热的方式”.此种太阳能集热器与燃煤机组耦合进行混合发电时需要同时考虑物质流和能量流的匹配，在原热力系统的某一部位引出一定量的水，经过太阳能集热器加热后回到热力系统内.文中提出的三种具体方案如下：
方案一：从凝结水泵出口引出一部分冷凝水，经过太阳能集热器场加热至相应的参数后取 代汽轮机的某级回热抽气或者引人机组再热冷端.这种混合方式使减少的抽汽继续在汽轮机中膨胀做功，增加汽轮机组发电量，提高机组运行经济性.同时文中的研究在主蒸汽流量不变的情况下考虑的，太阳能热量的引人，不会改变锅炉的燃煤量，但会改变汽轮机的通流量，从面改变机组的发电量.如图1所示是从凝结水泵出口引出冷凝水经过太阳能集热器加热后取代1号高加的系统图.
方案二：从给水泵出口引出一部分给水，经过太阳能集热器场加热后分别取代1至3号高加或者引人再热冷端.这种方式同方案一类似，也能使减少的抽气继续在汽轮机中做功增加发电量，但是与方案一相比其水的引出部位不同，系统的热经济性也会发生改变.如图2所示是从给水泵取代1号高加的系统图. 出口引出一部分给水经过太阳能集热器场加热后
图1从源结水泵出口引出冷水经过太阳能集热器加热后取代：号高加
图2从给水泵出口引出一部分些水经过太阳能集热器场加热后取代！号高加
方案三：从1号高加出口引出部分给水，经过太阳能集热器加热至汽包压力下的饱和汽状态，然后引人汽包混合后流入锅炉的过热器后引人锅炉过热器受热面.此种集成方式与前两种在流经太阳能集热器的工质的引人和引出点都有所区别.图3所示为其系统集成图.
以上三种集成方式分别考虑了水从凝结水泵不同的加热器、汽机再热冷端和锅炉汽化受热面. 出方式，同时考虑经过太阳能集热器加热后引人在集成了太阳能热利用系统后，可认为汽轮机主汽流量保持不变，面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.
图3高加！出口给水经太阳能集热器用于锅炉气化吸热系统
1.2混合发电系统的热力学模型及性能评价指标
太阳能与燃煤机组耦合的混合发电系统由于太阳能的引人必然会引起锅炉受热面、汽机蒸汽流量及系统其他热力参数的变化，机组的热经济性也会发生变化.以常规燃煤机组额定工况为基础，利用锅炉变工况、汽轮机变工况进行热力计算，确定具体的热力学计算步骤如下：
①给定一太阳能集热器场的工质流量.
②锅炉变工况热力计算.
③汽轮机变工况热力计算.
④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；
③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，确定最优集
成参数下的热力性能.
对混合发电系统的性能评价主要通过太阳能热电转换效率和节煤率两项指标进行，定义太阳能热电转换效率n为：
式中：AE为太阳能场净发电量，单位kW；Eh为混合发电系统总发电量，单位kW；E.为燃煤机组发电量，单位kW；Q.为太阳能场输入系统热量，单位kW.定义节煤率b为混合发电系统与单纯燃煤机组标准煤耗率之差，可有式（2）表示：
h）；b为混合发电系统标准煤耗，单位g/（kWh）. 式中：b.为单纯燃煤机组标准煤耗，单位g/（kW
2模拟结果和分析
热发电以前文提出的三种集成方式与燃煤机组进 文中以300MW燃煤机组为基础，将太阳能行耦合.假设引人太阳能热量后，各集成方案的汽轮机主蒸汽流量均不变，即增加了机组输出功率；假设文中槽式太阳能集热场分析中各集成方案工作环境相同，取太阳能设计辐射强度为800W/m²，环境温度为25°℃C.表1、表2和表3分别给出了三种集成方式的模拟结果.
(1)
(2)
表1
从湿结水泵出口引出取代不同的回热抽气和再热冷端
取代1号 取代2号 取代3号 取代4号 取代5号 取代6号 取代7号 引人再热方案一 抽气 拍气 抽气 抽气 抽气 抽气 拍气 冷段集热器出口工质压 5.65 3.52 1.59 0.83 0.335 0.133 0.064 3.81力/XPa集热恭出/人口工质 373.5/34.4 312.5/34.4 428.5/34.4 338.8/34.4 232.8/34.4 140.5/34.4 87.6/34.4 321.5/34.4集热券通流量/h 温度/ 28.37结 水 33.97 35.54 34.28 33.15 29.17 24.42 28.67药量/MW 太阳能集热器输出 28.03 28.28 30.2 27.55 22.57 17.7 19.78 22.99出 机组循环效率 0.436 0.436 0.435 0.4328 0.4316 0.4311 0.4309 0.433节碟率g/kWb 13.78 13.28 LL6 7.52 5.51 3.66 2.64 7.13瞬时太阳能热电效率 0.336 0.326 0.218 0.188 0.171 0.147 0.095 0.218
从给水泵出口引出取代不同的回热抽气和再热冷端
表2方案二 取代1号抽气 取代2号拍气 取代3号抽气 引人再热冷段集热器出口工质压力/MP 5.65 3.52 1.59 3.81集热器出/入口工质湿度/℃ 373.5/173.7 312.5/173.7 428.5/173.7集热器通流量/h 33.85 35.43 34.28 28.67出 D 太阳能集热器输出热量/MW 0.436 22.28 0.435 22.28 0.434 24.47 0.434 18.3415 机组播环效率 节煤率g/kW-h 11.03 10.54 7.98 5.68瞬时太阳能热电效率 0.321 0.314 0.207 0.23表3 高加！出口给水经太阳能集热器用于锅炉气化吸热系统的模拟结果集热器出口工质集热器出/人口 集热器通 太阳能集热器 机组循环 节煤率g 瞬时太阳能方案三 压力/MPs 工质温度/C 流量/h 输出热量/MW 效率 kWb 热电效率高加1出口能集热器用 给水经太阳 18.63 359.8/272.4 33.18 11.85 0.445 6.56 0.343于锅护汽化吸热系统
由表1、表2和表3可以看出：
（1）对于太阳能集热器产生蒸汽取代汽轮机回热抽汽的集成方式，无论从凝结水泵出口引出工质还是从给水泵出口引出工质，其太阳能热电转换率均逐级减小，面取代再热冷端的集成方式的热电转换效率介于取代3号高加和4号低加之间.这是由于太阳能热量用于加热参数高的工质时，其热电转换率较高，工质获得的烟高，吸收相等热量时工质增加的品质较多，做功能力较强，技术经济性较好.
（2）三种方案无论从凝结水泵出口引出工质还是从给水泵出口引出工质，或是由高加1引出后进人锅炉汽化吸热系统，与原燃煤机组比各方案的汽轮机循环效率均略有下降，这是因为太阳能引人回热系统时，系统的循环吸热量明显增大， 远大于新汽等效焙降增量，导致热力系统循环效率降低.
（3）从凝结水泵出口引出工质取代1-3号高加抽汽时的机组循环效率均高于从给水泵出口引出工质时的机组循环效率.同时从凝结水泵出口引出工质时的节煤率又均高于从给水泵出口引人工质时的增加发电量，方案三的节煤率低于方
案一和方案二取代高加抽汽的节煤率.这是由于不同集成方式集热器场人口工质参数不同，从凝结水泵出口引出工质时太阳能集热系统输出的热量高于高于从给水泵出口引出方式，导致其增加的发电量也较高，因面其节煤率也较高.
事实上一个好的热力系统，不但要有好的热力性能，而且还必须要能够安全稳定的运行.从高加1引出部分给水经过太阳能集热器产生蒸汽直接进人锅炉汽化系统的集成方式，其机组的循环效率虽然较高，然面由于太阳能热量的引人，会导致锅炉烟气量减小，从面改变了锅炉内部各受热面热量的重新分配，改变了锅炉的运行工况.当烟气量低于一定值时，会使过热器出现吸热不足的现象，造成过热蒸汽温度下降，从面会影响锅炉的安全稳定运行.相对而言，太阳能集热器产 生蒸汽取代汽轮机回热抽汽的集成方式，回热器中蒸汽疏水按原来连接方式进人主给水系统，对系统的影响较小，因此这种集成方式的运行稳定，安全性也较好.其中按机组循环效率、集热器瞬时热电效率和节煤率来看，以从凝结水泵出口引出取代1号高加的系统综合效果最好，因此下文选取此种集成方式做系统的技术经济分析.
化发电系统进行了技术经济性分析，分析结果表明：对于该种系统，考虑了这种机组CO减排收益的情况下其LEC成本为0.539元/kWh，与风 力发电、秸杆发电等可再生资源发电技术成本相当，低于单纯的太阳能热发电系统的LEC成本，并且随着集热技术的发展，其LEC成本会进一步降低.
3技术经济分析
太阳能与化石燃料混合发电技术是一种新的发电技术，减少了化石能源的使用以及温室气体的排放，文中选取从凝结水泵出口引出取代1号高加的系统集成方式进行技术经济分析.采用了 国际上用以比较可再生能源发电装置技术经济性通用的能源平均成本（LEC）进行了这种发电方式的技术经济性分析.LEC分析方法是指用于比较不同技术类型的平均化发电成本，用于分析电站分析时所应用的相关参数包括电站造价、年均运行维护费用、年均发电量、利率等，具体计算方法如下：
参考文献
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(3)
式中：C，为总的初投资，为资金回收系数，COM为运行维护费用，C为CO减排收益，E为年发电量.文中考虑的是一体化系统中太阳能发电部分的LEC成本，由于目前国家正在积极推进碳交易市场体系，部分地方已经实行试点交易，所以文中在LEC成本计算时也考虑了CO减排收益.
选取太阳能设计辐射强度为800W/m，辐射区域选择内蒙地区：，选取太阳能场及相关部分投资2000元/m²，年运行维修费为总投资费用的2%，现值系数7%，太阳能设备的使用年限25a，CO的单位减排成本为50元/.在考虑二氧化碳 减排收益时其LEC成本值为0.539元/kWh.低于纯太阳能发电，与风力发电、秸杆发电等其他可再生资源发电技术相当.随着集热技术的发展，集热器成本还有很大的下降空间”，因此太阳能热发电与燃煤机组混合发电系统的太阳能发电部分的LEC成本还有很大的下降空间.
4结束语
文中对太阳能辅助燃煤一体化热发电系统的集成方式进行了研究，以集热器吸收管中选取直接利用水吸收太阳能热为基础，提出了三种不同及系统集成方式，分别分析了每种方式的技术性能指标，得出从凝结水泵出口引出取代1号高加的系统集成方式综合性能最优.通过对这种一体
