許 誠， 白 璞， 楊佐勛， 王春蘭， 徐 鋼， 楊勇平

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206)

太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)性能分析

許 誠， 白 璞， 楊佐勛， 王春蘭， 徐 鋼， 楊勇平

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206)

針對我國西北地區(qū)太陽能和低階煤資源豐富的特點，提出一種利用太陽能預(yù)干燥低階煤的發(fā)電系統(tǒng).以某典型600 MW超臨界機組為例，通過建立太陽能集熱單元和低階煤預(yù)干燥單元的熱平衡模型，分析了太陽能預(yù)干燥低階煤后煤的質(zhì)量與能量的變化規(guī)律，從機組煤耗率和太陽能光電轉(zhuǎn)換效率等角度評估了太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)的綜合熱力性能；并以靜態(tài)投資回收期作為經(jīng)濟性評價指標(biāo)，探討了設(shè)備總投資和上網(wǎng)電價變化對機組經(jīng)濟性能的影響.結(jié)果表明：利用低品位太陽能預(yù)干燥低階煤可有效降低機組煤耗率，當(dāng)?shù)碗A煤水分由25.0%干燥至10.0%時，煤耗率降低8.9 g/(kW·h)，同時太陽能光電轉(zhuǎn)換效率可達到25.3%，靜態(tài)投資回收期僅為4.3 a，系統(tǒng)經(jīng)濟效益顯著.

太陽能； 低階煤； 預(yù)干燥； 性能分析

隨著我國中東部等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)煤炭資源的大量開采使用，優(yōu)質(zhì)動力煤(煙煤、無煙煤)儲量日益減少，開采難度與成本也隨之增大，越來越多的電廠開始燃用或摻燒次煙煤、褐煤等低階煤[1].僅我國新疆地區(qū)已探明的低階煤儲量就高達3 900億t，約占全國煤炭探明儲量的38%[2].因此，高效利用低階煤對保證我國能源安全意義重大.

低階煤通常具有水分高、活性強和熱值低等特點，其直接燃燒發(fā)電往往帶來磨煤系統(tǒng)出力不足，鍋爐效率不高等問題[3].煤的預(yù)干燥技術(shù)作為一種可有效提高低階煤利用效率的方式，已越來越多地受到發(fā)電企業(yè)的重視[4].目前，較為成熟且安全高效的干燥技術(shù)是在坑口電站利用汽輪機抽汽為干燥設(shè)備提供熱源，對低階煤進行預(yù)干燥.Xu等[5]對機組采用蒸汽回轉(zhuǎn)管干燥系統(tǒng)進行了熱力學(xué)分析，提出利用5級回?zé)岢槠稍锶霠t煤，將低階煤中水分質(zhì)量分數(shù)由39.5%降為15%，發(fā)電效率較參比機組增加約2.2個百分點.然而，利用回?zé)岢槠稍锏碗A煤會使原本可以在汽輪機中繼續(xù)膨脹做功的蒸汽失去做功的機會，影響干燥過程的節(jié)能效果.美國Great River Energy發(fā)電集團提出了利用濕冷機組中循環(huán)冷卻水廢熱干燥褐煤的系統(tǒng)[6]，解決了抽蒸汽干燥低階煤的做功能力損失問題.然而在濕冷機組中，循環(huán)冷卻水溫度為30～40 ℃，系統(tǒng)運行溫度過低造成干燥換熱設(shè)備體積過大，系統(tǒng)投資也比抽蒸汽系統(tǒng)增加明顯，同時干燥溫度過低也會使干燥速率下降，不利于機組的經(jīng)濟運行.

結(jié)合我國煤炭儲量分布情況，低階煤主要分布在我國西北地區(qū)(內(nèi)蒙古、新疆等地)，而這些地區(qū)又是我國太陽能資源十分豐富的區(qū)域.以我國新疆地區(qū)為例，其年輻射總量為5 430～6 670 MJ/m2，年日照時長為2 550～3 500 h[7].因此，我國西北地區(qū)的太陽能熱利用技術(shù)已經(jīng)作為可再生能源技術(shù)的首要發(fā)展方向之一，受到越來越多的重視.近年來，我國以真空管太陽能集熱器為代表的低溫太陽能集熱技術(shù)日益成熟，真空管太陽能的集熱溫度為80～120 ℃[8]，可基本滿足低階煤干燥的要求.因此，如果將太陽能熱利用技術(shù)集成到低階煤干燥系統(tǒng)中，即利用較低溫的太陽能對入爐低階煤進行干燥處理，既能提高燃用低階煤機組的效率，又可以高效經(jīng)濟地利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源.鑒于此，提出在常規(guī)燃煤電站中集成太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)，并通過建立太陽能集熱和低階煤預(yù)干燥單元的熱力學(xué)計算模型，揭示太陽能預(yù)干燥低階煤的節(jié)能機理，并以國內(nèi)某典型600 MW超臨界發(fā)電機組為例，對太陽能預(yù)干燥系統(tǒng)進行熱力與技術(shù)經(jīng)濟性能的分析和探討.

1 太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)

圖1給出了太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)示意圖.從圖1可以看出,預(yù)干燥單元的干燥熱源取自太陽能集熱單元，內(nèi)循環(huán)水被太陽能加熱至85 ℃左右后分為2股，一股流入流化干燥設(shè)備內(nèi)置的加熱器中作為主要干燥熱源加熱入爐煤，另一股流入空氣-水換熱器加熱空氣至60 ℃左右，放熱后的內(nèi)循環(huán)水返回集熱場中完成循環(huán).被加熱的空氣進入流化干燥機，作為干燥介質(zhì)吸收煤中水分，自身降溫增濕，在流化干燥設(shè)備出口以飽和濕空氣的狀態(tài)經(jīng)分離器分離后排向大氣.干燥后的煤進入磨煤機進行研磨，隨后送入鍋爐燃燒.

該系統(tǒng)利用低溫太陽能預(yù)干燥低階煤，干燥后煤的低位熱值增加，在燃料量和機組蒸汽參數(shù)不變的情況下，燃用干燥煤的鍋爐有效利用熱增加，主再熱蒸汽流量增加，出功增加，機組效率提高.對于太陽能熱利用而言，太陽能產(chǎn)生的低品位熱量通過預(yù)干燥過程轉(zhuǎn)化為煤的高品位燃燒熱，高效地利用了太陽能.

圖1 太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the power generation system using solar energy integrated low-rank coal pre-drying technology

2 熱力學(xué)分析

2.1案例機組介紹與系統(tǒng)基本假設(shè)

所選取的案例機組為某超臨界600 MW凝汽式機組，機組的燃用煤種和設(shè)計工況下的主要熱力性能參數(shù)分別見表1和表2.

集成太陽能預(yù)干燥低價煤發(fā)電系統(tǒng)后，低階煤中水分質(zhì)量分數(shù)由25.0%降低到10.0%，干燥前后入爐煤的成分變化如表1所示.由此可見，干燥后煤的低位發(fā)熱量由18.65 MJ/kg提升至22.88 MJ/kg.

表1 干燥前后煤的成分分析

表2 案例機組的主要熱力性能參數(shù)

在對低價煤干燥系統(tǒng)進行分析計算時，進行如下假設(shè)：(1)取設(shè)計太陽直射輻射強度(direct normal irradiance, DNI)為610 W/m2[7](以新疆地區(qū)年平均輻射強度為例)，太陽能集熱場內(nèi)循環(huán)水的進、出口溫度分別為55 ℃、85 ℃，集熱效率為50%[8]；(2)干燥前后機組煤消耗量保持不變，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)蒸汽、凝結(jié)水、抽汽參數(shù)(壓力和溫度)變化可忽略不計；(3)干燥后煤中水分減少，排煙溫度由135 ℃降低到125 ℃；(4)增加干燥后，制粉系統(tǒng)電耗下降，煙氣量降低使得引風(fēng)機電耗下降，同時干燥設(shè)備本身會帶來一部分電耗，為簡化處理，假設(shè)電廠總廠用電不變.

2.2太陽能集熱與低價煤預(yù)干燥單元熱平衡

2.2.1 干燥所需空氣量計算

在所提出系統(tǒng)中，干燥出的水分由流經(jīng)干燥設(shè)備的空氣帶走，空氣自身降溫增濕，煤中水分減少.干燥設(shè)備空氣側(cè)出口幾乎為飽和濕空氣，其含濕量d(1 kg干空氣中所含的水蒸氣質(zhì)量，kg/kg)[9]為：

(1)

式中：ps為干燥設(shè)備空氣側(cè)出口濕空氣溫度所對應(yīng)的飽和壓力，Pa；p為干燥設(shè)備內(nèi)空氣總壓力，Pa.

干燥設(shè)備空氣側(cè)入口的含濕量與大氣環(huán)境的含濕量相同，煤中被干燥的水分都被空氣帶走，則流經(jīng)干燥設(shè)備的干空氣質(zhì)量流量qm,a(kg/s)為：

(2)

式中：Δqm,w為煤中被干燥的水分質(zhì)量流量，kg/s；d′為干燥設(shè)備空氣側(cè)入口空氣含濕量，取0.009 kg/kg[10].

2.2.2 干燥所需熱量計算

干燥過程煤中水分蒸發(fā)，同時煤自身溫度升高，因此煤干燥過程中的熱量既包括用于蒸發(fā)煤中水分所需的熱量，又包括用于提高煤顯熱的熱量.煤在干燥過程中所需要的吸熱量Q1(kW)由下式計算得出：

(3)

式中：qm,c為低階煤的質(zhì)量流量，kg/s；Ts,out、Tc,out和T0分別代表蒸發(fā)水溫、干燥后出口煤溫和環(huán)境溫度，℃；cp,s為蒸汽的平均比定壓熱容，取1.85 kJ/(kg·K)[5,9]；cc為干燥后煤的比熱容，kJ/(kg·K)；r為水的汽化潛熱，取2 500 kJ/kg[9].

干燥后煤中水分含量發(fā)生變化，因此煤的比熱容也發(fā)生變化，干燥后煤的比熱容cc為：

(4)

式中：qm,w為低階煤中水分的質(zhì)量流量，kg/s；cp,w為水的平均比定壓熱容，取4.19 kJ/(kg·K)[9]；cp,fd為干煤比定壓熱容，取1.10 kJ/(kg·K)[11].

在低價煤預(yù)干燥單元中，干空氣從環(huán)境溫度被加熱到一定溫度后最終排入大氣，因此空氣側(cè)存在熱量損失Q2(kW)：

(5)

式中：Ta,out為濕空氣排出流化干燥設(shè)備的溫度，℃；cp,a為干空氣的比定壓熱容，取1.004 kJ/(kg·K)[9].

最終，在考慮低價煤預(yù)干燥單元的散熱基礎(chǔ)上，低價煤預(yù)干燥單元需要的熱量Q(kW)為：

(6)

式中：φ為干燥子系統(tǒng)的散熱系數(shù)，取5%[5,10].

2.2.3 太陽能集熱單元面積

低價煤預(yù)干燥單元的熱量都由太陽能集熱單元提供，在考慮到太陽能集熱效率后，其面積A(m2)可由下式計算：

(7)

式中：I為太陽能直射輻射強度，kW/m2；φ為太陽能集熱效率.

基于上述假設(shè)和分析，太陽能集熱與低價煤預(yù)干燥單元熱平衡計算結(jié)果見表3.

表3太陽能集熱與低價煤預(yù)干燥單元熱平衡計算結(jié)果

Tab.3Heatbalanceresultsofthesolarcollectionandcoalpre-dryingunit

參數(shù)數(shù)值入口煤量/(kg·s-1)73．0出口煤量/(kg·s-1)60．8環(huán)境溫度/℃25干燥后出口煤溫/℃55流化干燥設(shè)備入口空氣溫度/℃60流化干燥設(shè)備出口空氣溫度/℃55內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量/(kg·s-1)310．9干空氣質(zhì)量流量/(kg·s-1)113．4干燥低階煤需要的熱量/MW33．7空氣側(cè)熱量損失/MW3．4低價煤預(yù)干燥單元需要的熱量/MW39．1太陽能集熱器面積/m2128138

從表3可以看出：(1)干燥設(shè)備入口煤量為73.0 kg/s，干燥蒸發(fā)出的水分質(zhì)量流量為12.2 kg/s；干燥過程需要的內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量流量為310.9 kg/s，干空氣質(zhì)量流量為113.4 kg/s；(2)干空氣由環(huán)境溫度加熱到60 ℃后進入流化干燥設(shè)備作為干燥介質(zhì)，最終以55 ℃的飽和濕空氣排放到大氣中；干燥入爐煤溫由25 ℃提升至55 ℃，煤的顯熱增加；(3)低價煤預(yù)干燥單元需要的熱量為39.1 MW；太陽能集熱面積約為128 138 m2.

2.3太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)性能分析

2.3.1 預(yù)干燥發(fā)電機組功率

低階煤干燥之后水分減少，低位發(fā)熱量增加，其計算公式如下：

(8)

干燥后煤的低位發(fā)熱量總量變化為：

(9)

式中：HL為干燥前低階煤的低位發(fā)熱量總量，kW；HL為干燥后低階煤的低位發(fā)熱量總量，kW.

干燥后煤的水分減少，節(jié)省了原來燃燒過程中提供給這部分水分蒸發(fā)所需要的潛熱.此外，干燥后出口煤溫升高，顯熱也有所增加，顯熱增加量ΔHs為：

(10)

因此，干燥后煤的質(zhì)量雖有所減少，但是煤的可用熱量(低位發(fā)熱量總量和顯熱)增加，在此定義入爐煤燃料焓值提升系數(shù)β，用以表征干燥后燃料可用熱量提升的程度：

(11)

同時，煤干燥后水分減少，煙氣量和煙氣焓均有所下降，排煙溫度亦有所降低，因此排煙損失會減少，鍋爐效率提高.

綜上，在煤輸入量不變的條件下，太陽能預(yù)干燥燃煤電站的發(fā)電功率為：

(12)

2.3.2 機組煤耗

在燃煤電站中，通常利用單位發(fā)電量的標(biāo)準(zhǔn)煤耗來表征機組熱力性能.在本文研究中，機組入爐煤不變，但出功增加，因此煤耗降低，機組熱力性能提升.此外，所提出的系統(tǒng)屬于多輸入系統(tǒng)，但考慮到太陽能資源是取之不盡用之不竭的，因此筆者單純從化石能源消耗水平來評估系統(tǒng)節(jié)能收益.

燃煤機組煤耗率[12]為：

(13)

由于機組功率增加，因此煤耗降低，降低值Δb的計算公式如下：

(14)

2.3.3 太陽能光電轉(zhuǎn)換效率

所提出系統(tǒng)是一種太陽能耦合燃煤電站的發(fā)電系統(tǒng)，因此太陽能資源的利用水平也是衡量該系統(tǒng)性能的指標(biāo)之一，一般通過太陽能光電轉(zhuǎn)換效率來衡量，其定義[13]如下：

(15)

式中：QLd為落在集熱器上的太陽能輻射熱，kW.

2.3.4 結(jié)果與討論

根據(jù)上述公式，計算出機組的熱力性能參數(shù)，如表4所示.由表4可知：(1)干燥后機組的主蒸汽質(zhì)量流量由原來的459.6 kg/s增加到474.7 kg/s，與干燥前相比約增加了3.3%；(2)干燥后煤中水分減少，燃燒產(chǎn)生的煙氣中水分也隨之減少，因此煙氣質(zhì)量流量由632.4 kg/s降低到620.2 kg/s，減少了12.2 kg/s；(3)在煤耗不變的情況下，機組出功增加到620.4 MW，煤耗率降低8.9 g/(kW·h)；(4)所提出系統(tǒng)的太陽能光電轉(zhuǎn)換效率為25.3%.

表4干燥前后機組熱力性能的對比

Tab.4Comparisonoftheunit'sthermalperformancewithandwithoutcoalpre-drying

參數(shù)干燥前機組干燥后機組主蒸汽質(zhì)量流量/(kg·s-1)459．6474．7煙氣質(zhì)量流量/(kg·s-1)632．4620．2機組出功/MW600．7620．4煤耗率/(g·kW-1·h-1)278．3269．4煤耗率降低值/(g·kW-1·h-1)—8．9太陽能光電轉(zhuǎn)換效率/%—25．3

設(shè)置太陽能集熱和低價煤預(yù)干燥單元之后，系統(tǒng)內(nèi)部的能量分配將發(fā)生顯著變化.圖2給出了原系統(tǒng)和太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)的能量流動示意圖.

對比圖2(a)和圖2(b)可以看出：

(1)太陽能集熱側(cè)輸入熱量為78.2 MW，在太陽能集熱單元和低價煤預(yù)干燥單元分別損失39.1 MW和6.1 MW的熱量后，余下熱量全部轉(zhuǎn)換為入爐煤的低位發(fā)熱量和顯熱，因此輸入鍋爐熱量由干燥前的1 361.2 MW增加到干燥后的1 394.2 MW，提高了2.4%；(2)利用太陽能干燥低階煤后，鍋爐排煙中水分減少，排煙溫度降低，因此排煙損失減少，鍋爐熱損失由91.7 MW降低到83.0 MW；(3)系統(tǒng)輸入鍋爐的總能量增加且鍋爐效率提高，因此汽水系統(tǒng)吸收的熱量由1 269.5 MW增加到1 311.2 MW，提高了3.3%；(4)汽水系統(tǒng)吸收的熱量增加后，主蒸汽質(zhì)量流量增加，即汽輪機用于做功的蒸氣量增多，故機組的出功可增加19.7 MW，達到620.4 MW.

(a)原系統(tǒng)能量流動示意圖

(b)所提出系統(tǒng)能量流動示意圖

3 技術(shù)經(jīng)濟性分析

所提出系統(tǒng)需增加太陽能集熱場和流化干燥設(shè)備，初投資費用有所增加，但同時在燃料消耗量不變的情況下機組出功增加，年售電收益增加.因此，該系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性有待進一步討論.本文中，新增設(shè)備總投資C0(萬元)重點考慮太陽能集熱單元和低價煤預(yù)干燥單元，其中太陽能集熱單元采用真空管集熱器，成本約為500元/m2[8,14]；低價煤預(yù)干燥單元主要包括流化干燥設(shè)備、碎煤機和空氣-水換熱器，可通過規(guī)模因子法進行評估，設(shè)備投資計算參數(shù)見表5，計算公式如下：

(16)

表5 設(shè)備投資計算參數(shù)

注：1)參比固定投資參考文獻[10]和文獻[15]中該設(shè)備的投資；2)規(guī)模因子的選取參見文獻[10]和文獻[15].

式中：Si為設(shè)備i實際規(guī)模的參數(shù)；Fi為設(shè)備i在實際規(guī)模下的固定成本，萬元；Si,r為參比規(guī)模的參數(shù)；Fi,r為設(shè)備在參比規(guī)模下的固定成本，萬元；n為所需設(shè)備數(shù)量；fi為規(guī)模因子.

此外，年增加售電收益CI(萬元)計算如下：

(17)

式中：N為太陽能年滿負荷利用小時數(shù)，取3 037 h[7]；ce為上網(wǎng)電價，取0.4元/(kW·h)[10]；Ψ為年運行維護系數(shù)，取4%[6,16].

通過靜態(tài)投資回收期ts簡略分析系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟特性，定義如下[17]：

(18)

表6給出了太陽能預(yù)干燥機組的技術(shù)經(jīng)濟性能.從表6可以看出，雖然固定投資較參比機組增加約8 727萬元，但機組出功增加19.7 MW，年發(fā)電量增加近6.0×104MW·h，年售電收益較參比機組增加約2 051萬元，約4.3 a即可回收投資成本，經(jīng)濟效益較為可觀.

表6 技術(shù)經(jīng)濟性分析結(jié)果

同時，系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性能會受到設(shè)備總投資、上網(wǎng)電價等因素的影響.設(shè)備總投資受物價水平影響，而上網(wǎng)電價則受發(fā)電側(cè)熱源類型影響.筆者提出的系統(tǒng)在常規(guī)燃煤發(fā)電系統(tǒng)中耦合了太陽能，根據(jù)當(dāng)前國家政策，上網(wǎng)電價將享受一定補貼[18].圖3和圖4給出了設(shè)備總投資和上網(wǎng)電價的浮動對靜態(tài)投資回收期的影響.從圖3和圖4可以看出，靜態(tài)投資回收期隨設(shè)備總投資的增加而增加，設(shè)備總投資每提高10%，靜態(tài)投資回收期約增加0.5 a.靜態(tài)投資回收期隨著上網(wǎng)電價的增加而減少，上網(wǎng)電價每增加0.1元/(kW·h)，靜態(tài)投資回收期約減少0.1～1.0 a.因此，當(dāng)本文提出系統(tǒng)享受電價補貼時，技術(shù)經(jīng)濟性能有望進一步提升，以當(dāng)前太陽能熱發(fā)電上網(wǎng)電價1.1元/(kW·h)為例[18]，約1.4 a即可回收系統(tǒng)投資成本.

圖3 靜態(tài)投資回收期隨設(shè)備總投資的變化曲線

Fig.3 Variation of static investment payback period with total equipment investment

圖4 靜態(tài)投資回收期隨上網(wǎng)電價的變化曲線

Fig.4 Variation of static investment payback period with on-grid power tariff

4 所提出系統(tǒng)太陽能熱利用的特點

當(dāng)前太陽能熱利用主要集中在直接熱發(fā)電，由于集熱溫度與循環(huán)工質(zhì)溫度受限(以槽式太陽能發(fā)電為例，集熱溫度通常為390 ℃，主蒸汽溫度通常只能達到370 ℃左右[19])，因此循環(huán)效率低，導(dǎo)致太陽能光電轉(zhuǎn)換效率較低，槽式太陽能直接熱發(fā)電的太陽能光電轉(zhuǎn)換效率僅能達到9%～14%[7,19].另外，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為了解決太陽能不連續(xù)的問題，通常增加大規(guī)模儲熱系統(tǒng)，極大地增加了發(fā)電成本.因此，其高額的初投資和較低的熱力性能一直制約著其大規(guī)模的商業(yè)化利用.為了解決這些問題，有學(xué)者提出利用太陽能輔助燃煤機組發(fā)電，即將太陽能集熱場與成熟燃煤發(fā)電機組耦合，利用200～390 ℃的導(dǎo)熱油替代高壓加熱器回?zé)岢槠訜峤o水，太陽能光電轉(zhuǎn)換效率可達到15%～24%[7,13,17]，熱力性能及經(jīng)濟性通常優(yōu)于單純的太陽能熱發(fā)電.但加熱給水替代的回?zé)岢槠桥蛎涀龉蟮恼羝?，因此通過利用太陽能節(jié)省回?zé)岢槠绕涫枪?jié)省較低參數(shù)的回?zé)嵴羝?，往往不能帶來較為可觀的節(jié)能效果.

所提出的系統(tǒng)也是一種太陽能耦合發(fā)電系統(tǒng)，但較上述2個系統(tǒng)有獨特的優(yōu)勢：(1)系統(tǒng)太陽能光電轉(zhuǎn)換效率高：低品位的太陽能通過預(yù)干燥過程轉(zhuǎn)化成煤的高品位燃燒熱，可理解為太陽能產(chǎn)生的熱量直接加熱高參數(shù)主蒸汽，大幅度提升太陽能與常規(guī)燃煤發(fā)電熱耦合利用水平，太陽能光電轉(zhuǎn)換效率可達到25.3%；(2)可進一步提高常規(guī)燃煤電站發(fā)電效率：太陽能預(yù)干燥低價煤發(fā)電系統(tǒng)減少了煤中的水分，使得鍋爐排煙溫度和煙氣量下降，鍋爐排煙損失降低，鍋爐效率提高，從而提高常規(guī)燃煤電站發(fā)電效率；(3)集熱溫度低，僅為100 ℃左右；投資小，單位發(fā)電成本有望降低到太陽能直接熱發(fā)電的20%～25%[20]；(4)加入太陽能集熱單元和低價煤預(yù)干燥單元后具有對原系統(tǒng)影響小和切換方便等優(yōu)點，即使不投入干燥，機組也可安全穩(wěn)定運行.

因此，伴隨著我國低階煤大規(guī)模的開采使用與太陽能資源的廣泛利用，筆者提出的系統(tǒng)有望為太陽能耦合常規(guī)燃煤電站提供一種熱力性能優(yōu)良、技術(shù)經(jīng)濟可行的新思路.

5 結(jié) 論

(1)所提出系統(tǒng)通過太陽能預(yù)干燥低價煤后，入爐煤水分減少、溫度提高，系統(tǒng)將低品位的太陽能部分轉(zhuǎn)化為煤的高品位燃燒熱，從而在燃料輸入量不變的條件下，輸入鍋爐熱量增加，同時排煙溫度和煙氣量降低，排煙損失減少，鍋爐效率提高.

(2)對于案例機組，當(dāng)利用太陽能將煤中水分由25.0%干燥至10.0%時，機組的出功增加19.7 MW，達到620.4 MW，煤耗率可降低8.9 g/(kW·h)，同時太陽能光電轉(zhuǎn)換效率可達到25.3%.

(3)集成太陽能預(yù)干燥低階煤發(fā)電系統(tǒng)后，案例機組年售電收益較參比機組約增加2 051萬元，約4.3 a即可回收投資成本；若以當(dāng)前太陽能熱發(fā)電上網(wǎng)電價1.1 元/(kW·h)享受補貼時，約1.4 a即可回收投資成本，經(jīng)濟效益可觀.

[1] 付喜亮, 王彥剛, 王榮, 等. 600 MW機組摻燒褐煤設(shè)備改造應(yīng)用實踐[J].動力工程學(xué)報, 2013, 33(5): 335-339.

FU Xiliang, WANG Yangang, WANG Rong, et al. Equipment retrofit for co-combustion of lignite in a 600 MW unit[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2013, 33(5): 335-339.

[2] 宋維健, 宋國良, 張海霞, 等. 準(zhǔn)東高鈉煤熱解過程中鈉的遷移特性實驗研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報, 2015, 43(1): 16-21.

SONG Weijian, SONG Guoliang, ZHANG Haixia, et al. Experimental study on alkali metal transformation during high-sodium Zhundong coal pyrolysis[J].JournalofFuelChemistryandTechnology, 2015, 43(1): 16-21.

[3] 王春波, 李偉. 300 MW煙煤/高爐煤氣混燃鍋爐摻燒褐煤燃燒特性的數(shù)值模擬及經(jīng)濟性分析[J].動力工程學(xué)報, 2013, 33(6): 413-418.

WANG Chunbo, LI Wei. Numerical simulation on combustion characteristics of a 300 MW bituminous coal/BFG co-firing boiler mixed with lignite and the economic analysis[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2013, 33(6): 413-418.

[4] 宋景慧, 闞偉民, 許誠, 等. 電站鍋爐煙氣余熱利用與空氣預(yù)熱器綜合優(yōu)化[J].動力工程學(xué)報, 2014, 34(2): 140-146.

SONG Jinghui, KAN Weimin, XU Cheng, et al. Comprehensive optimization of air preheater for boiler flue gas heat recovery[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2014, 34(2): 140-146.

[5] XU Cheng, XU Gang, ZHAO Shifei, et al. An improved configuration of lignite pre-drying using a supplementary steam cycle in a lignite fired supercritical power plant[J].AppliedEnergy, 2015, 160: 882-891.

[6] LEVY E, SARUNAC N, BILIRGEN H, et al. Use of coal drying to reduce water consumed in pulverized coal power plants[R]. Bethlehem, PA: Energy Research Center Lehigh University, 2006.

[7] HONG Hui, ZHAO Yawen, JIN Hongguang. Proposed partial repowering of a coal-fired power plant using low-grade solar thermal energy[J].InternationalJournalofThermodynamics, 2011, 14(1): 21-28.

[8] 李俊賢. 蛇形管平板式太陽能集熱器試驗研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2011.

[9] 王修彥. 工程熱力學(xué)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.

[10] XU Cheng, XU Gang, YANG Yongping, et al. An improved configuration of low-temperature pre-drying using waste heat integrated in an air-cooled lignite fired power plant[J].AppliedThermalEngineering, 2015, 90: 312-321.

[11] 周強泰. 鍋爐原理[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[12] XU Gang, HUANG Shengwei, YANG Yongping, et al. Techno-economic analysis and optimization of the heat recovery of utility boiler flue gas[J].AppliedEnergy, 2013, 112: 907-917.

[13] 吳靜, 王修彥, 楊勇平, 等. 太陽能與燃煤機組混合發(fā)電系統(tǒng)集成方式的研究[J].動力工程學(xué)報, 2010, 30(8): 639-643.

WU Jing, WANG Xiuyan, YANG Yongping, et al. Study on integrated modes of solar-coal hybrid power generation systems[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2010, 30(8): 639-643.

[14] 陳曉明. 南方住宅太陽能熱水器的技術(shù)經(jīng)濟性分析[D]. 衡陽: 南華大學(xué), 2010.

[15] XU Gang, XU Cheng, YANG Yongping, et al. A novel flue gas waste heat recovery system for coal-fired ultra-supercritical power plants[J].AppliedThermalEngineering, 2014, 67: 240-249.

[16] 傅秦生. 能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2005.

[17] HOU Hongjuan, WU Junjie, YANG Yongping, et al. Performance of a solar aided power plant in fuel saving mode[J].AppliedEnergy, 2015, 160: 873-881.

[18] CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng). 光熱示范項目電價初定1.1元/kWh[EB/OL]. (2016-06-19). http://www.cspplaza.com/article-7316-1.html. (2016-06-28)

[19] QU Hang, ZHAO Jun, YU Xiao. Simulation of parabolic trough solar power generating system for typical Chinese sites[J].ProceedingsoftheCSEE, 2008, 28(11): 87-93.

[20] 趙軍, 楊昆. 燃煤鍋爐集成太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性分析[J].中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(增刊1): 93-100.

ZHAO Jun, YANG Kun. Economic analysis of the solar thermal power generation system integrated with a pulverized coal fired boiler[J].ProceedingsoftheCSEE, 2012, 32(Sup1): 93-100.

Performance Analysis of a Power Generation System Using Solar Energy to Pre-dry the Low-rank Coal

XUCheng,BAIPu,YANGZuoxun,WANGChunlan,XUGang,YANGYongping

(National Thermal Power Engineering & Technology Research Center,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As northwest China is rich in solar energy and low-rank coal resources, a low-rank coal fired power generation system was proposed using solar energy integrated low-rank coal pre-drying technology. Taking a typical 600 MW supercritical unit as an object of study, heat balance models were established for the solar collection unit and the low-rank coal pre-drying unit, so as to analyze the changes of the coal mass flow and heat value with and without coal pre-drying, evaluate the comprehensive thermal performance of the proposed system from aspects of coal consumption and solar-to-electric efficiency, and finally to study the effects of total equipment investment and on-grid power tariff on the economic performance of the system with static investment payback period as the evaluation criteria. Results show that the coal consumption rate of the coal-fired power plant could be reduced remarkably by using low-grade solar energy to pre-dry the low-rank coal. As the moisture of low-rank coal reduces from 25.0% to 10.0%, the coal consumption rate would be lowered by 8.9 g/(kW·h), when the solar-to-electric efficiency could reach 25.3% with only 4.3 years of static investment payback period, indicating remakable economic benefit of the system.

solar energy; low-rank coal; pre-drying; performance analysis

2016-08-01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2015CB251504)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51476053)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目(2017MS013，2015ZZD10)

許 誠(1987-)，男，回族，遼寧沈陽人，講師，博士，主要從事燃煤電站節(jié)能、低階煤高效清潔利用、太陽能熱利用等方面的研究. 徐 鋼(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel．)：13693391352；E-mail：xgncepu@163.com．

1674-7607(2017)09-0757-07

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