基于耦合模型的太阳能与热能互补特性分析

刘金浦，刘亚平

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

能源是国民经济的命脉，关系到国计民生和人类的生存， 对一个社会的可持续发展具有重要意义。 煤炭是能源结构中最重要的组成部分。 我国电力结构长期以燃煤为主，燃煤机组发电量占总发电量的70%以上［1］。 近年来，政府出台的一系列能源消费控制政策和环保要求给燃煤电厂的发展带来了新的挑战，使其面临着巨大的节能减排压力［2］。若在常规燃煤发电系统中引入太阳能，使其与热能构成光煤互补发电系统，一方面可以充分利用机组调节范围宽的优点，降低燃煤机组的煤耗，缓解化石能源短缺问题；另一方面，如果太阳能电力供应紧缺，燃煤机组单独供电，可以有效地解决太阳能应用的间歇性问题， 降低太阳能开发利用的投资成本［3-5］。 同时，与其他可再生资源相比，太阳能热电系统以热能为中间能源，与燃煤发电系统的耦合相对容易。 笔者试对基于耦合模型的太阳能与热能互补特性进行分析，以期为太阳能辅助燃煤发电系统的实际应用提供参考。

1 光煤互补发电系统的工作原理

1.1 太阳能集热系统的工作原理

光学是太阳能集热系统的基础， 而基于光学特性的吸收表面辐射热流边界条件是光-热转换分析的前提［6-7］。 因此，本文基于双轴跟踪器导线无反射电容器， 提出了点线耦合聚焦太阳能集热系统的思路。双轴跟踪仪的钛菲涅耳定日镜具有抗风性良好、结构简单、布局紧凑、占地少等优点。 基于钛菲涅尔定日镜的点线聚焦太阳能集热系统的基本结构如图1 所示。

图1 点线耦合聚焦太阳能集热器系统原理图Fig.1 Principle diagram of point-line coupling focus solar thermal collector system

由图1 可知， 基于钛菲涅尔定日镜的点线聚焦太阳能集热系统主要由双轴跟踪器导线无反射电容器、BD 反射器和CPC 接收机组成。 BD 反射器上的焦点F1是目标点，入射的太阳光线（IA 和IB）被钛菲涅尔定日镜聚焦到塔顶的BD 反射器上， 焦点分别为C 和D。 然后，太阳光线被重新聚焦到位于近地面焦点F2处的CPC 接收器上， 从而完成光热能量转换过程。在该系统中，钛菲涅耳定日镜是线聚焦聚光镜，BD 反射镜和CPC 聚光镜都是点聚焦聚光镜。 因此，该系统被称为点线聚焦集热系统。

1.2 常规燃煤发电系统的工作原理

常规燃煤发电系统主要由锅炉、 汽轮机和蓄热式加热器组成。这些部件依次连接在管道上，输送传热和工作液。 锅炉产生的蒸汽先在汽轮机高压缸内工作，从高压缸排出的蒸汽进入回热式加热器,重新加热。再热后的蒸汽依次进入中、低压缸工作，从中、低压缸排出的蒸汽进入凝汽器，凝结成蒸汽凝结水。蒸汽凝结水由凝结水泵依次输送至各低压回热加热器，并通过给水泵连续输送至各高压回热加热器，开始新的循环。 锅炉是实现燃料由化学能转化为热能的主要装置，其热平衡方程如式（1）所示。

式中：mc为燃料质量，kg／s；qs为燃料发热量，kJ／kg；ηb为锅炉热效率；mms为锅炉出口蒸汽流量，kg／s；hms为锅炉出口蒸汽比焓，kJ／kg；hiw为锅炉入口给水比熵，kJ／kg；mrs为再热蒸汽流量，kg／s；hro为再生热段蒸汽比熵，kJ／kg；hri为再生冷段蒸汽比熵，kJ／kg。

锅炉产生的过热蒸汽在汽轮机中膨胀和工作，其在汽轮机中做的功可通过式（2）计算。

式中：W 为蒸汽在汽轮机中做的功，kJ／s；ms为蒸汽流量，kg／s；hsi为蒸汽在汽轮机进口的焓值，kJ／kg；hso为蒸汽在汽轮机出口的焓值，kJ／kg。

2 光煤互补发电系统的特性分析

2.1 光煤互补发电系统的热工性能分析

在光煤互补示范电厂的系统流程中， 利用太阳能对回热系统中的蒸汽凝结水进行加热， 以替代一定的低压缸［8-9］。把太阳能加热后的蒸汽凝结水再送入除氧器循环， 替代的蒸汽继续留在汽轮机中。 因此，太阳能以电的形式输出。

图2 太阳能光煤互补发电系统简化图Fig.2 Simplified diagram of solar-coal power generation system

为便于分析， 根据功能对太阳能光电互补电站的主要设备和能量传输过程进行了简化。 简化后的光煤互补电厂发电系统由4 个主要子系统（锅炉预热、蒸发、过热子系统A；汽轮机动力子系统B；太阳能油水换热子系统C；换热子系统D）和8 个焓熵值（H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8）组成，具体如图2 所示

通过建立太阳能光煤互补发电系统的仿真模型，分析了系统主要器件在互补供电运行模式下的参数分布特性。 根据图2 所示的简化系统结构，计算了相应的系统热力学参数。示范电厂各机组的焓流值如图3 所示。 太阳能在光煤互补发电中的占比a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分别为0.1%、0.1%、6.3%、0.34%、0、100%、0.1%、0.1%。

分析示范电厂各机组太阳能在光煤互补发电中的占比和焓流值可知， 在光煤互补示范电厂的运行模式下，太阳能占总发电量的0.10%。 更准确地说，如果互补示范电站的额定功率为50 MW，太阳能发电量为0.05 MW，燃煤发电量为49.95 MW。

2.2 光煤互补发电系统集热器运行特性研究

根据光煤互补示范电厂多年气象资料， 计算场地年太阳直接辐射量为1 970 kWh／m2，水平总辐射量为1 699 kWh／m2。 选取典型夏季日的太阳辐射强度，探讨互补电站的运行方式和特性。典型夏季日的时变太阳辐射强度如图4 所示。

由图4 可知，太阳在早晨5：30 以后升起，太阳辐射强度随时间逐渐增加， 并在中午12：30～13：30达到最大值。 13：30 以后，太阳辐射强度急剧下降，20：00 太阳下山后，辐射强度为零。

由于太阳辐射固有的波动特性， 当太阳能光煤互补发电厂稳定运行时， 燃煤发电机组所需的太阳能功率是恒定的。 将所需太阳能总辐射强度Gm定义为辐射阈值，根据总辐射强度Q，将具有集热器的光煤互补电厂的实际运行方式分为总辐射强度高于阈值、总辐射强度低于阈值、辐射强度为零3 类。 在3 种运行模式下， 光煤互补发电系统的运行控制策略如图5 所示。

2.3 光煤互补复合电力系统辐射特性分析

本文遵循“适当的温度和能量的梯度利用”的原则，主要分析在单次辐射强度不同的集成方式下，扩容太阳能蒸汽后， 直接发电系统和燃煤发电机组的综合性能和热力性能。 凝结水泵出口收集的蒸汽凝结水经增压器加压后， 再经集热器加热至抽气参数的某一段，然后返回燃煤机组热力系统。在热力系统中，与抽气混合，并在加热器中加热。此时，膨胀蒸发器产生的疏水压力与过热蒸汽压力相同， 与换热加热器产生的疏水压力也基本相同。 更换后的抽气继续在汽轮机中工作，增加了系统功率输出。太阳能蒸汽进入燃煤发电机组不同截面时，入口蒸汽流量、压力和温度与抽气参数直接相关。因此，机组抽气流量的变化会引起复合动力系统热力性能和热经济性的参数变化和性能变化。

图3 示范电厂各机组焓值Fig.3 Enthalpy flow of each unit in a demonstration power plant

图4 典型夏季日的太阳辐射分布图Fig.4 Solar radiation distribution on a typical summer day

图5 光煤互补发电系统运行策略Fig.5 Operation strategy of solar-coal power generation system

3 结语

太阳能辅助燃煤发电系统的应用有利于太阳能热发电系统的大规模、低成本开发利用，也可以加快传统燃煤电厂节能减排政策的实施。 本文通过理论研究、数值模拟和仿真计算等方法，对光煤互补复合发电系统进行了探索， 并通过建立光煤互补电力系统的额定辐射和辐射变化模型， 探讨了太阳能辅助供热系统的热力特性、 运行规律以及对机组性能的影响。