太阳能辅助燃煤热发电系统的探讨

陈永强，毛汉领，黄振峰

（1.广西大学机械工程学院广西南宁530004；2.广西广播电视大学广西南宁530004）

能源危机促使我国探索一种经济社会发展与生态环境保护双赢的经济发展形态，即低碳经济。在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放。太阳能热发电系统的研究正是这种经济模式的体现。太阳能热发电系统大致分为：槽式系统、塔式系统和蝶式系统。槽式系统是最成熟的太阳能发电系统。

燃煤热发电系统发电需要燃烧煤，而煤的蕴藏量有限，正面临着枯竭的危险。燃烧煤将排出CO2和硫的氧化物，这些物质会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。我国太阳能资源丰富，全国2/3的国土面积年日照时间在2300 h以上，年辐射总量为3340～8400 MJ/m2,丰富的太阳能资源为我们改造现有的燃煤热发电厂提供了条件。

在常规燃煤发电厂中，是利用锅炉将给水加热成过热蒸汽，推动汽轮机发电机组发电。

而太阳能槽式发电系统是利用抛物状的槽型集热器收集的太阳能热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电机组发电。

综上所述，燃煤热发电系统和太阳能热发电系统都是利用热量作为载体去驱动汽轮机工作，其工质是水。因此，可以利用太阳能集热器收集的热量去取代部分燃煤提供的热量。具体方法是：太阳能集热器收集的热量去代替汽轮机部分抽汽加热锅炉给水，构建太阳能辅助燃煤发电系统，以达到节约燃煤，减少温室气体排放的目的。

1 混合系统集成

图1是某300 MW机组的热力循环流程图，图中αj为抽汽段。以此机组为基础建立太阳能辅助燃煤发电系统，利用太阳能集热器收集的热量加热给水取代汽轮机某段抽汽加热给水。太阳能给水加热器是由许多太阳能槽式抛物状集热器按串并连方式组成。加热器出口有集箱，以便调节给水温度。太阳能辐射通过反射器、玻璃管、吸收管最后加热流动的介质。

图1 300 MW机组热力系统循环流程示意图

2 混合系统热经济性分析

2.1 热力系统参数计算

太阳能辅助燃煤发电混合系统是在燃煤发电机组的基础上，引入太阳能热量取代某段抽汽热量。太阳能的引入必然引起锅炉、汽轮机的热力参数的变化。首先利用常规法进行单纯燃煤机组的原始工况热力参数计算。然后，以此参数为基础，利用弗留格尔公式[1]进行太阳能引入后的变工况热力参数计算。具体步骤如图2所示。

图2 变工况热力参数计算流程图

以取代第一段抽汽加热给水为例，在原始工况参数基础上用常规法计算，计算结果列于表1和表2。

表1 各加热器抽汽系数

利用表1和表2的参数，按照图2所示流程进行各加热器压力，进口、出口温度，进水、出水、疏水比焓计算，计算结果列于表3。

表2 各级组通流量参数

用同样的方法可以计算太阳能集热器收集的热量去代替其他汽轮机抽汽段时，各加热器压力，进口、出口温度，进水、出水、疏水比焓。

表3 各加热器参数

2.2 热经济性分析

集热器效率[2]如下

式中，ηopt为集热器光学效率，取值73.3%;Kτα为入射角修正系数，取值1;a，b，c为热平衡系数，其中a=1.91×10-2WK-1m-2，b=2.02×10-9WK-1m-2，c=6.608×10-3JK-1m-3;Vwind为环境风速，取值4 m/s;Ta为环境温度，取值293 K;Tsky为大气温度，取值Tsk=Tay;εab为金属涂层的吸收体发射率;取值0.15，Tab为管内流体温度，

标准煤耗[3]如下：

式中，ηi为汽轮机内效率;ηm为机械效率;ηg发电机效率;ηb为锅炉效率;ηp为管道效率。

燃煤机组额定运行工况下的煤耗率为313.43 g标煤/kW·h,取辐射强度700 W/m2为设计值。表4为不同方案的热经济性分析。

表4 不同方案的热经济性分析

节煤量如下

图3 各段节煤量比较

3 经济性分析

3.1 成本分析

太阳能集热器场集热量Q

太阳能集热场的面积S

太阳能抛物槽式集热器的成本近似为230[4]欧元/m2，折人民币约2090元/m2。则太阳能集热场投资C为

3.2 节煤效益

按节煤量8.86/kW·h，太阳能年辐照2300 h计算，每年可节省标准煤

以标准煤价[5]983元/t来计算，则节煤效益为

3.3 环境效益

每燃烧一吨煤会产生4.12 t的CO2气体，则每年可减少CO2的排放量为

4 结语

对太阳能集热器收集的热量加热给水取代汽轮机各段抽汽加热给水的热经济性进行比较，确定取代第一段抽汽为最佳方案。虽然从成本来看，太阳能热发电的成本偏高。但是，采用太阳能辅助燃煤热发电系统可以降低现有燃煤发电厂的煤耗，从而减少温室气体的排放。在我国现有条件下，本文为改造我国现有燃煤机组提供了理论参考。

[1] 黄新元.热力发电厂课程设计[M].1版.北京：中国电力出版社，2004：63-65.

[2] ODEH S D,MORRISON G L,BEHNIA M.Model ling of Parabolic Trough Direct Steam Generation Solar Collectors[J].Solar Energy,1998,62(6):395-406.

[3] 叶涛.热力发电厂[M].3版.北京：中国电力出版社，2009:20-21.

[4] MANZOLIN G,BEIIARMINO M,MACCHI E,et at.Solar Thermodynamic Plants for Cogenerative Industrial Applications in Southern Europe [J].Renewable Energy,2011,36(1):235-243.

[5] 煤炭网.国内煤炭价导报[EB/OL].(2011-2-24)[2011-2-28].http://www.coal.com.cn/Gratis/2011-2-25/Article Display264746.Shtml.