槽式太阳能辅助燃煤发电系统热性能研究

付　立，　樊　雪，　侯宏娟，　王　志

(1.华电电力科学研究院，杭州 310030；2.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江诸暨 311800；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)



槽式太阳能辅助燃煤发电系统热性能研究

付立1，樊雪2，侯宏娟3，王志1

(1.华电电力科学研究院，杭州 310030；2.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江诸暨 311800；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

针对槽式太阳能集热系统，建立了集热场得热及热损失等数学模型，并以典型槽式集热器EUROTROUGH-150(ET-150)组成的集热系统为例，进行了以集热场热效率最优为目标的优化；在此基础上以槽式太阳能辅助燃煤发电系统(即互补发电系统)为研究对象，采用一定的评价准则和集成方式，对直射辐射强度(DNI)设计值的选取进行分析研究.结果表明：不同回路数、不同纬度分布的集热场存在不同的最优列间距，且存在最佳取值范围的直射辐射强度设计值，使系统年性能最优.

槽式太阳能集热系统； 集热场效率； 最优列间距； 互补发电系统； 直射辐射强度

槽式太阳能辅助燃煤发电技术是一种新型发电技术，该技术采用了目前最为成熟、商业化运行最广的槽式太阳能热发电技术辅助传统燃煤机组发电.在槽式太阳能辅助燃煤发电系统(简称互补发电系统)中，槽式太阳能集热系统(简称集热系统)作为实现太阳能向热能转换的关键系统，其性能优劣关系到整个互补发电系统热力性能及经济性能的好坏.近年来，针对集热系统关键部件——槽式集热器热力性能的研究得到了国内外相关学者的广泛关注，在集热器的聚光特性、集热效率、换热特性以及热应力等方面已有一些相应的理论分析和实验研究[1-4].对于互补发电系统，近年来国内外众多学者在其集成方式和热力特性等方面进行了大量的研究与探索[5-13]，但上述成果大多将集热场看成黑箱而未对其进行优化分析，而且选取直射辐射强度(DNI)设计值时所采用的方法不尽相同.基于此，笔者针对互补发电系统，建立集热系统及互补发电系统数学模型，对槽式集热场的优化布置以及互补发电系统最优直射辐射强度的选取进行分析研究.

1　互补发电系统

互补发电系统将集热系统与燃煤发电机组通过不同的耦合方式加以集成，利用太阳能加热送入锅炉的给水，从而减少机组发电煤耗.

笔者研究的互补发电系统集成方式如图1所示.当直射辐射强度达到一定值时，对除氧器出口给水切换路径，直接全部送入集热系统，经集热系统加热升温后再引至原3级高压加热器进口.则集热系统收集热量的多少决定了进入集热系统的给水温度的升高量，从而可相应依次减少或切除送入各级回热加热器的抽汽，使多余的蒸汽能继续膨胀做功.需要注意的是，当集热系统的输出热量已满足使3级高压加热器的抽汽全部切除时，若集热系统仍有多余的热量，为保证进入锅炉的给水的过冷度，本文中舍弃此过剩热量.

图1　互补发电系统集成示意图

集热系统一般由若干并联回路(Loop)组成，每个Loop包含一定数量的槽式集热器(SCA)，SCA主要利用槽型抛物面反射镜将太阳辐射能聚焦到位于其焦线上的真空吸热管上，加热流入吸热管的传热流体(HTF).集热系统的集热场典型布置方式主要有I型和H型2种[14]，笔者以I型集热场为例进行研究，选用典型的EUROTROUGH-150(ET-150)集热器，该集热器参数见表1.

表1　ET-150集热器参数

2　互补发电系统集热及评价模型

2.1集热系统建模

2.1.1集热场效率模型

集热场净输出热量由下式得到：

(1)

式中：Qcol为集热场净输出热量，W/m2;Qa为集热场吸收的太阳辐射能，W/m2;Qp为集热场管道损失，W/m2;Qc为集热场散热损失，W/m2.

定义集热场效率为集热场净输出热量与集热场接收到的太阳辐射能的比值，计算公式如下:

(2)

式中：η为集热场效率；Qr为集热场接收到的太阳辐射能，W/m2.

2.1.2集热场得热模型

集热场接收到的太阳辐射能可由下式得到：

(3)

式中：IDNI为直射辐射强度，W/m2；cosθ为太阳光线入射角余弦值；NSCA为集热场中集热器的列数；R为集热器阴影修正因子.

由文献[15]可知，集热场吸收的太阳辐射能为

Qa=IDNI·cosθ·α·β·R·ηfield·ηHCE·γ

(4)

式中：α为入射角修正系数；β为末端损失；ηfield为集热场效率光学修正因子；ηHCE为集热装置效率光学修正因子；γ为集热器运行比例，全部运行时取1.

2.1.3集热场热损失模型

集热场热损失主要包括集热场散热损失和集热场管道损失.集热场管道损失Qp由以下经验公式[15]得到：

式中：Tout为集热场出口传热流体的温度，℃；Tin为集热场进口传热流体的温度，℃；Ta为环境温度，℃；ΔT为传热流体进、出口平均温度与环境温度的差值，K.

集热管单位长度散热损失Qh由以下经验公式[16]得到：

(6)

式中：A0～A6为热损失相关系数；THTF为集热器传热流体的温度，℃；VW为当地风速，m/s.

由于生产或者使用过程中常出现以下3种失效状态的集热管：氢气渗透、失真空和破损，不同状态的集热管对应不同的热损失相关系数[17]，由此可计算求得集热场散热损失Qc[16].

(7)

2.2互补发电系统评价模型

对互补发电系统的热力性能及经济性能建立如下评价模型.

(1) 互补发电系统标准煤耗bs.

(8)

式中：bs为互补发电系统标准煤耗，kg/(kW·h)；M为经折算后互补发电系统的标准煤耗量，kg；W为互补发电系统发电量，kW·h；ηcp为全厂效率.

(2) 互补发电系统光电转换效率.

定义互补发电系统光电转换效率为太阳能发电量Ps与集热场接收的太阳辐射能Qr的比值，可由下式表示：

(9)

式中：ηse为互补发电系统光电转换效率；ηref为单位煤发电量，(kW·h)/kg；b为原燃煤机组的标准煤耗，kg/(kW·h).

(3) 太阳能发电成本CLEC

(10)

式中：CLEC为太阳能发电成本，元/(kW·h)；f为投资年回收系数；i为贴现率，取6%；n为电厂经济使用寿命，本文中取25年；Ct为年投资费用，元/年；Cm为年运行费用，元/年；Cf为年燃料费用，元/年；C为节煤补贴收益，元，节煤补贴取300元/t；E为年均太阳能发电量，kW·h，发电量逐年衰减率取5‰.

3　最优列间距选取

在集热场列间距和Loop数相同的情况下，由集热系统模型可知，集热场接收的太阳辐射能和热量损失等与集热场采光面积成比例变化，因此集热场效率不受采光面积的影响.而相同的列间距下，集热场Loop数以及场地所处纬度对集热场实际接收的太阳辐射能、集热场热损失及净输出热量有很大影响.不同集热场Loop数对应不同的集热场总占地面积，决定集热场接收的太阳辐射能、遮挡损失和管道损失的多少；不同纬度对应不同的太阳入射角，进而影响集热场遮挡损失及集热场接收的太阳辐射能.在同样的Loop数和纬度下，相同的辐照条件，列间距越大，遮挡越少，但列间距增大，土地使用量增加，初投资亦会随之增加.因此，有必要对集热场列间距的选取进行研究，寻求不同条件下的最优列间距.

以某地区典型年气象数据为例，选取春分日正午太阳时12时为设计点，直射辐射强度为903 W/m2，风速为2.9 m/s，环境温度为8.5 ℃，油水换热温差设为10 K.集热场南北布置，单轴跟踪，集热场共由60个SCA组成.

3.1不同Loop数对应的最优列间距

在相同的采光面积下，集热场Loop数与集热场每个Loop所包含的SCA数的对应关系见表2，对应的年集热场效率如图2所示.

由图2可以看出，相同列间距下，Loop数越大，年集热场效率越低；Loop数分别为10、15和30时，最高年集热场效率分别为44.29%、44.22%和44.03%，对应的最佳列间距分别为15.5 m、16 m和16.5 m.相同列间距下，随着Loop数的增加，遮挡损失逐渐增大，集热场总占地面积亦随之增大，导致管路损失增大，年集热场效率降低；相同的Loop数下，年集热场效率随着列间距的增大呈先快速提高后缓慢降低的变化趋势，原因为随着列间距的增大，集热场遮挡损失逐渐减小，而集热场管道热损失逐渐增大.

表2相同采光面积下集热场Loop数与SCA数的对应关系

Tab.2　　　　Loop number vs. SCA number under same daylighting area of solar collector fields

图2　年集热场效率与Loop数和列间距的关系

由此得到在笔者设定的采光面积下，集热系统Loop数分别为30、15和10时所对应的最优列间距分别为16.5 m、16 m和15.5 m.

3.2不同纬度对应的最优列间距

图3给出了年集热场效率与纬度和列间距的关系.由图3可知，在相同的辐射条件下，集热场布置在不同纬度地区时，随着纬度升高，年集热场效率呈下降趋势.因为纬度越低，太阳高度角越大，对应入射角越小，集热场遮挡损失越少，单位面积获得的太阳辐射能就越多.纬度分别为北纬42.47°、38.47°和34.47°时，最佳列间距分别为18 m、16.5 m和16 m，对应的集热场最高效率分别为42.75%、44.03%和45.08%，由此可知，纬度越高，最佳列间距越大，对应的集热场效率越低.

图3　年集热场效率与纬度和列间距的关系

4　直射辐射强度设计值的选取

4.1初始条件

在互补发电系统集热场设计中，不同的DNI设计值会影响集热场面积的大小.若DNI设计值过高，则对应的集热场面积会偏小，当大部分时段的DNI值低于该设计值时，则集热系统输出热量常低于额定工况的输出要求，从而太阳能年发电量降低；若DNI设计值过低，则对应的集热场面积偏大，当大部分时段的DNI值高于该设计值时，则存在多数时间中集热系统输出热量过多而造成浪费现象[10].

笔者选择槽式太阳能辅助330 MW燃煤发电机组互补发电，保持互补发电功率为330 MW，设计太阳能发电功率为10 MW.集成方式如图1所示，每个Loop由4个ET-150型集热器组成，导热油进、出口温度分别为189 ℃和283 ℃.分别选取拉萨、北京和银川3个地区，按照上文所述计算得到3地集热场的最优列间距分别为15.7 m、17.2 m和16.5 m，进一步对DNI设计值的选取进行研究.3地直射辐射时长分布如表3所示.

表3　3地直射辐射时长分布

4.2结果与分析

保持太阳能发电功率为10 MW，选取不同的DNI设计值，得到对应的集热场面积(即Loop数)，在此基础上对互补发电系统的年性能进行分析，结果如表4所示.

表4　计算结果

由表3和表4可以看出，辐射条件越好的地区，年光电转换效率越高，LEC越低.另外，随着DNI设计值的增大，对应Loop数逐渐减少，年光电转换效率呈先升后降而LEC呈先减后增的趋势.这是因为Loop数越小，集热系统输出的热量越少，其能够取代的抽汽量越少且抽汽品位越低，即取代抽汽返回汽轮机做功的能力越差，所以太阳能年发电量越少，年光电转换效率越低，LEC越高；Loop数越大，集热系统的总投资越大，集热系统取代的抽汽量越多且抽汽品位越高，即取代抽汽返回汽轮机做功的能力越强，所以太阳能年发电量越多，年光电转换效率越高，但是若Loop数大于一定值时继续增大，则集热系统输出热量就会高于所需热量，多余的热量则会被舍弃，年光电转换效率随之降低，LEC随之增加.由以上分析可知，对于不同地区和不同辐射强度下的互补发电系统，设计直射辐射强度必定存在一个最佳值，拉萨、北京和银川3个不同地区对应的最佳DNI设计值分别为400 W/m2、300 W/m2和400 W/m2.所以，在太阳能发电功率为10 MW的条件下，由图4可知，在不同地区和不同直射辐射时长分布情况下，最佳DNI设计值的分布范围大致在该地区直射辐射时长分布比例的55%～65%范围内.

图4　不同地区的最佳DNI设计值

5　结　论

(1) 针对槽式太阳能集热系统，建立集热系统数学模型，对集热场的优化设计进行分析研究，得到了不同回路数、不同纬度下集热场的最优列间距.

(2) 针对不同地区的槽式太阳能辅助燃煤发电系统，在满足太阳能设计发电功率为10 MW的条件下，对DNI设计值的选取进行研究，得到了最佳DNI设计值分布在当地直射辐射时长分布比例的55%～65%范围内的规律.

(3) 笔者的研究方法可用于其他不同集成方式及不同太阳能设计发电功率下相关参数的选取，为互补发电系统设计及优化提供参考.

[1]FORRISTALL R E. Heat transfer analysis and modeling of a parabolic trough solar receiver implemented in engineering equation solver[R]. Golden, Colorado, USA: National Renewable Energy Laboratory,2003.

[2]ODEH S D, MORRISON G L, BEHINIA M. Modeling of parabolic trough direct steam generation solar collectors [J]. Solar Energy, 1998, 62(6):395-406.

[3]崔映红, 杨勇平. 蒸汽直接冷却槽式太阳集热器的传热流动性能研究[J]. 太阳能学报, 2009, 30(3): 304-310.

CUI Yinghong, YANG Yongping. Thermal performance and hydrodynamic analysis of direct steam generation solar collectors[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(3): 304-310.

[4]高志超,隋军,刘启斌，等.30 m2槽式太阳能集热器性能模拟研究[J].工程热物理学报，2010,31(4):541-544.

GAO Zhichao, SUI Jun, LIU Qibin,etal. Simulation on the performance of a 30 m2parabolic trough collector[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2010,31(4):541-544.

[5]YING Y, HU E J．Thermodynamic advantages of using solar energy in the regenerative Rankine power plant [J]．Applied Thermal Energy, 1999，19:1173-1180.

[6]YING Y, HU E J．A medium-temperature solar thermal power system and its efficiency optimization[J]．Applied Thermal Engineering, 2002，22(4): 357-364.

[7]MONTES M J, ABNADES A, MARTINEZ-VAL J M,etal. Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]. Solar Energy, 2009, 83(12): 2165-2176.

[8]QUASCHNING V, KISTNER R, ORTMANNS W. Influence of direct normal irradiance variation on the optimal parabolic trough field size: a problem solved with technical and economical simulations[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2002, 124(2): 160-164.

[9]唐强，曹伟伟，张力，等. 太阳能与燃煤机组混合发电方式的热经济性研究[J]. 动力工程学报, 2013, 33(11): 895-901.

TANG Qiang, CAO Weiwei, ZHANG Li,etal. Study on thermal economy of solar-coal hybrid power generation units[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013, 33(11): 895-901.

[10]崔映红,杨勇平, 张明智. 太阳能-煤炭互补的发电系统与互补方式[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(5): 102-107.

CUI Yinghong, YANG Yongping, ZHANG Mingzhi．Solar-coal complementary electric generation system and its modes[J]．Proceedings of the CSEE,2008,28(5)：102-107．

[11]崔映红,陈娟,杨阳，等. 太阳能辅助燃煤热发电系统性能研究[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(23): 92-98.

CUI Yinghong, CHEN Juan, YANG Yang,etal. Performance research on solar aided coal-fired electricity generation system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(23):92-98．

[12]侯宏娟,高嵩,杨勇平.槽式集热场辅助燃煤机组回热系统混合发电热性能分析[J].太阳能学报,2011,32(12): 1772-1776.

HOU Hongjuan, GAO Song, YANG Yongping. Thermodynamics analysis of coal-fired power generation system aided by parabolic trough collective fields[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011,32(12):1772-1776．

[13]侯宏娟,毛剑,杨勇平,等.太阳能辅助燃煤机组发电系统集热温度优化[J]. 中国电机工程学报,2012,32(20):76-81.

HOU Hongjuan, MAO Jian, YANG Yongping,etal. Optimization of solar collector working temperature for solar aided coal-fired power generation systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(20): 76-81.

[14]PADILLA R V. Simplified methodology for designing parabolic trough solar power plants [D]. Florida,USA :University of South Florida,2011.

[15]PATNODE A M. Simulation and performance evaluation of parabolic trough solar power plants[D]. Wisconsin,USA:University of Wisconsin-Madison, 2006.

[16]BURKHOLDER F, KUTSCHER C. Heat loss testing of schott's 2008 PTR70 parabolic trough receiver[R]. Golden, Colorado, USA: Technical Report NREL/ TP-550-45633, 2009.

[17]PRICE H, FORRISTALL R, WENDELIN T,etal. Field survey of parabolic trough receiver thermal performance[C]//Proceeding of ISEC 2006, ASME International Solar Energy Conference. Denver, Colorado, USA：NREL，2006.

Thermal Performance Analysis of a Coal-fired Power System Aided by Parabolic Trough Solar Collectors

FULi1,FANXue2,HOUHongjuan3,WANGZhi1

(1. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China; 2. Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co., Ltd., Zhuji 311800, Zhejiang Province, China;3. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Taking the EUROTROUGH-150(ET-150) parabolic trough solar collector as an example, mathematical models on heat collection and heat loss of the system were built to optimize its thermal efficiency. On above basis, a coal-fired power system aided by parabolic trough solar collectors (complementary power generation system) was researched to analyze the selection of direct normal irradiance (DNI) design values using a certain evaluation criteria in the integration mode. Results show that for collector fields with different number of loops and different latitude distributions, there exists optimal column spacing and optimal range of DNI design values to make the system annual performance optimum.

parabolic trough solar collector system; collector field efficiency; optimal column spacing; complementary power generation system; direct normal irradiance

2015-09-25

2015-11-20

国家自然科学基金资助项目(51206049)

付立(1988-)，男，河南永城人，工程师，硕士研究生，主要从事新能源发电方面的研究.电话(Tel.):0571-85246395；

E-mail:flfx2008@163.com．

1674-7607(2016)08-0645-06

TM615

A学科分类号：480.60