宋鵬飛, 周璐璐, 徐志成, 王啟揚(yáng), 李亮光
(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 南京210096; 2. 南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司, 南京 210018;3. 南京嘉業(yè)新能源有限公司, 南京 211106)
我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的能源結(jié)構(gòu)都是以煤為主,而火電廠作為耗煤和CO2排放大戶面臨較大的節(jié)能減排壓力,必須做出相應(yīng)舉措[1]。太陽(yáng)能是公認(rèn)的清潔能源,受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視,但是太陽(yáng)能能量密度低的特點(diǎn)限制了太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的發(fā)展。將太陽(yáng)能作為燃煤電站的輔助能源,使可再生能源太陽(yáng)能與技術(shù)成熟的燃煤電站兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),既可以減少燃煤電站的煤炭消耗,改善其對(duì)環(huán)境的污染,又能增加發(fā)電功率,緩解用電高峰時(shí)期的電力短缺。因此,太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)是滿足我國(guó)目前大規(guī)模開發(fā)利用太陽(yáng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組大幅度節(jié)能減排的能源新技術(shù)[2]。
筆者分析了槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的三種集成方式,并對(duì)三種方式集成前后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算,旨在找到一種最經(jīng)濟(jì)的方案。
部分工質(zhì)自4號(hào)除氧器引出至太陽(yáng)能集熱場(chǎng),另一部分按原路經(jīng)回?zé)嵯到y(tǒng)被加熱,兩部分工質(zhì)被加熱至相同參數(shù)后混合進(jìn)入鍋爐,系統(tǒng)圖見圖1。
圖1 太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與高壓加熱器并聯(lián)
部分工質(zhì)從2號(hào)加熱器入口被引至太陽(yáng)能集熱場(chǎng),另一部分經(jīng)原路由回?zé)嵯到y(tǒng)加熱,兩部分工質(zhì)被加熱至相同參數(shù)后混合進(jìn)入鍋爐,系統(tǒng)圖見圖2。
圖2 集熱場(chǎng)與1號(hào)~2號(hào)加熱器并聯(lián)
部分工質(zhì)從1號(hào)加熱器入口被引至太陽(yáng)能集熱場(chǎng),另一部分經(jīng)原路由回?zé)嵯到y(tǒng)加熱,兩部分工質(zhì)被加熱至相同參數(shù)后混合進(jìn)入鍋爐,系統(tǒng)圖見圖3。
圖3 集熱場(chǎng)與1號(hào)加熱器并聯(lián)
太陽(yáng)能發(fā)電成本(ELEC)是對(duì)一個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電站各項(xiàng)成本和裝置效率之間進(jìn)行綜合考慮的指標(biāo),筆者以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo),其計(jì)算公式為[10-11]:
(1)
式中:I為總初投資,元;a為固定費(fèi)率,是與設(shè)備利率、壽命、保險(xiǎn)、管理、折舊等有關(guān)的系數(shù),P為債務(wù)利率,取1%,Kd為年度保險(xiǎn)率,取8%,n為太陽(yáng)能集熱設(shè)備的使用壽命,取25 a;Com為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,元;Cf為節(jié)省煤的費(fèi)用,元;E為太陽(yáng)能集熱場(chǎng)輸出功率,kW;t為年發(fā)電時(shí)長(zhǎng),取2 100 h。
筆者選取某電廠670 MW超臨界火電機(jī)組為例,機(jī)組型號(hào)為N670-24.2/566/566,以其在100%THA(熱耗率驗(yàn)收工況)下的參數(shù)為基準(zhǔn)。汽輪機(jī)采用單軸、三缸、四排汽、抽汽凝汽式、一次中間再熱設(shè)計(jì)。該機(jī)組有8級(jí)回?zé)岢槠?,給水加熱系統(tǒng)由3臺(tái)高壓加熱器(1號(hào)~3號(hào))、一臺(tái)除氧器(4號(hào))以及4臺(tái)低壓加熱器(5號(hào)~8號(hào))構(gòu)成,3臺(tái)高壓加熱器的疏水逐級(jí)自流至除氧器,4臺(tái)低壓加熱器的疏水逐級(jí)自流至凝汽器熱井。除氧器為混合式加熱器,高、低壓加熱器均為表面式加熱器。用熱平衡法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)忽略了管道及加熱器的熱損失和抽氣過(guò)程的漏氣。
由熱平衡圖可以得到主蒸汽質(zhì)量流量為1 860 892 kg/h、壓力p0為24.2 MPa、溫度t0為566 ℃,再熱蒸汽的壓力prh為3.764 MPa、溫度trh為566 ℃,汽輪機(jī)排汽的壓力為0.004 6 MPa、比焓為2 319.4 kJ/kg。
筆者將5%的給水流量引至太陽(yáng)能集熱場(chǎng),得到不同集成方案下的火電機(jī)組的主要參數(shù)(見表1)。
表1 火電機(jī)組的主要參數(shù)
由表1的計(jì)算結(jié)果可知:三種集成方案均提高了機(jī)組的輸出功率。因?yàn)樵谶M(jìn)汽量及進(jìn)汽參數(shù)不變的情況下,太陽(yáng)能加熱部分鍋爐給水減少了抽汽量,從而增加了通流部分的蒸汽流量,提高了循環(huán)做功出力;同時(shí),其他參數(shù)如絕對(duì)內(nèi)效率、全廠熱效率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗、全廠熱耗率等相比原機(jī)組都有不同程度的改善,方案一熱經(jīng)濟(jì)性的提高最顯著。
油水換熱器選用管殼式換熱器,導(dǎo)熱油走管程,給水走殼程。導(dǎo)熱油的質(zhì)量流量為200 kg/s,假定油水換熱器效能為0.7。方案一的換熱器水側(cè)進(jìn)口的溫度為184.3 ℃、比焓為797.4 kJ/kg;方案二的換熱器水側(cè)進(jìn)口的溫度為209.1 ℃、比焓為905.3 kJ/kg;方案三的換熱器水側(cè)進(jìn)口的溫度為251.2 ℃、比焓為1 093.9 kJ/kg。三種方案換熱器水側(cè)出口的溫度均為274.5 ℃、比焓均為1 203.0 kJ/kg。根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的方法,計(jì)算出三種方案的換熱參數(shù)(見表2)。
表2 換熱參數(shù)
對(duì)于槽式集熱場(chǎng),太陽(yáng)能聚光集熱器選用EuroTrough ET150[13],其長(zhǎng)度為148.5 m,開口寬度為5.77 m,集熱面積為817.5 m2,集熱器的光學(xué)效率約為0.75。導(dǎo)熱油選用Syltherm 800液態(tài)導(dǎo)熱油,其中比定壓熱容cp(J/(kg·K))、密度ρ(kg/m3)在T=373.15~673.15 K內(nèi)的物性變化規(guī)律為[14]:
cp=1 107.798+1.708T
(2)
ρ=1 105.702-0.415 349 5T
(3)
系統(tǒng)選擇銀川(北緯38.47°、東經(jīng)106.32°)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,以該地區(qū)某時(shí)刻為設(shè)計(jì)點(diǎn),太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度IDNI為900 W/m2, 不考慮風(fēng)速、環(huán)境溫度和壓力等因素影響,集熱面積A約為[15]:
(4)
式中:Qmax為最大換熱功率,kW;η為集熱效率,取0.7;QHCL為集熱損失,取27 W/m2。計(jì)算可得三種方案所需的集熱場(chǎng)面積分別為24 835 m2、18 229 m2和6 680 m2。
根據(jù)國(guó)內(nèi)及當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格,槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)的總投資估算費(fèi)用見表3[15]。
表3 集熱場(chǎng)總投資估算表
假設(shè)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用占總投資的2%[16],標(biāo)煤價(jià)格取550元/t。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù),年日照時(shí)長(zhǎng)取為2 100 h。根據(jù)表1得到三種方案的太陽(yáng)能集熱場(chǎng)輸出功率分別為5031.133 3 kW、4 054.389 9 kW和1 513.559 2 kW;節(jié)約的標(biāo)煤費(fèi)用分別為166.32萬(wàn)元、134.03萬(wàn)元和50.03萬(wàn)元。
由式(4)得到三種方案的ELEC分別為0.72 元/(kW·h)、0.64元/(kW·h)和0.62元/(kW·h),三種方案均降低了煤耗。綜合來(lái)看,方案三的經(jīng)濟(jì)性最好,為最佳方案,低于單純太陽(yáng)能熱發(fā)電方式的成本0.92元/(kW·h)[16]。如果考慮二氧化碳減排收益,那么ELEC會(huì)更小。
筆者選取拉薩、銀川和北京為研究對(duì)象,三地的輻射情況見表4[17]。
表4 不同地區(qū)不同輻射強(qiáng)度全年輻照時(shí)長(zhǎng)h
由表4得到在不同地區(qū)的三種方案的ELEC(見表5)。
表5 不同地區(qū)的ELEC元/(kW·h)
由表5可以看出:對(duì)于拉薩、銀川和北京三個(gè)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同的地區(qū),方案三的成本均為最低,經(jīng)濟(jì)性最好。此外,三個(gè)地區(qū)的輻照情況不同,每種方案的成本也不一樣,北京地區(qū)最高,銀川地區(qū)次之,拉薩地區(qū)最低。對(duì)于太陽(yáng)能資源不豐富的北京地區(qū)并不適合太陽(yáng)能輔助燃煤機(jī)組發(fā)電;而銀川與拉薩太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)適用該種形式,在拉薩地區(qū)達(dá)到最低價(jià)0.47元/(kW·h)。
選擇銀川地區(qū)的氣象參數(shù),以太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與高壓加熱器段并聯(lián)為例,抽取5%的給水引至太陽(yáng)能集熱場(chǎng),且導(dǎo)熱油仍選用Syltherm 800液態(tài)導(dǎo)熱油,將太陽(yáng)能集熱場(chǎng)導(dǎo)熱油入口溫度定為270 ℃,得到ELEC、導(dǎo)熱油流速與導(dǎo)熱油出口溫度的關(guān)系(見圖4)。
圖4 ELEC、導(dǎo)熱油流速與導(dǎo)熱油出口溫度的關(guān)系
從圖4可以看出:隨著導(dǎo)熱油出口溫度的增加,ELEC由300 ℃時(shí)的0.46元/(kW·h)逐漸增大至340 ℃時(shí)的0.67元/(kW·h),再逐漸減小至400 ℃時(shí)的0.49元/(kW·h),導(dǎo)熱油流速由1.98 m/s減小至0.42 m/s。當(dāng)集熱管導(dǎo)熱油入口溫度一定時(shí),為了使ELEC較小,在一定溫度范圍內(nèi),可以選擇兩個(gè)出口溫度:對(duì)于較低的出口溫度,導(dǎo)熱油流速較大,對(duì)于管道的承壓有更高要求;對(duì)于較高的出口溫度,導(dǎo)熱油流速較小,但導(dǎo)熱油溫度高,需對(duì)管道實(shí)施更好的保溫措施。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,結(jié)合導(dǎo)熱油的溫度與流速進(jìn)行綜合分析比較。
筆者以670 MW超臨界火電機(jī)組為例,選取銀川地區(qū)的輻射條件,就槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與火電機(jī)組的三種集成方案進(jìn)行分析,并得出以下結(jié)論:
(1) 三種方案都提高了機(jī)組的輸出功率,并且都降低了熱耗率、標(biāo)準(zhǔn)煤耗以及全廠熱耗率。方案一最有利于熱經(jīng)濟(jì)性的提高。
(2) 對(duì)于經(jīng)濟(jì)性分析,方案三的ELEC最低,為0.62元/(kW·h),經(jīng)濟(jì)性最好,低于單純太陽(yáng)能熱發(fā)電的0.92元/(kW·h)。
(3) 將拉薩、銀川和北京三個(gè)地區(qū)對(duì)比,方案三的ELEC均為最低,其中拉薩地區(qū)最低為0.47元/(kW·h),并且每種方案的ELEC逐漸增大,可見太陽(yáng)能輻照條件是影響ELEC的重要因素。
(4) 在集熱場(chǎng)導(dǎo)熱油入口溫度一定時(shí),隨著導(dǎo)熱油出口溫度的增加,ELEC先增大后減小,而且導(dǎo)熱油流速逐漸減小。隨著社會(huì)對(duì)能源問(wèn)題的廣泛關(guān)注,太陽(yáng)能聯(lián)合火電機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)具有廣闊的前景。