郭凌云，馬 超，陳 龍

（1.廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，潮州521000；2.南京工程學(xué)院 能源與動力工程學(xué)院，南京211167）

電力工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的能源產(chǎn)業(yè)。 近幾年來，我國所面臨的化石能源短缺與污染物排放問題日益突出。 太陽能與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方面的研究始于1975 年，文獻(xiàn)[1]以800 MW 燃煤電站作為研究對象， 分析了7 種不同的替代方式，綜合成本、技術(shù)和運(yùn)行等方面的因素，以替代給水加熱器的方案最優(yōu)。 文獻(xiàn)[2]對互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步研究；文獻(xiàn)[3-5]對互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模型及變工況特性做了諸多研究。 通過模擬將太陽能熱分別引入（200～1000）MW 等多個不同容量的亞臨界或超臨界機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電。 結(jié)果表明，被引入的燃煤機(jī)組容量越大，太陽能的光熱轉(zhuǎn)化效率就會越高。

綜上所述，利用太陽能輔助燃煤發(fā)電并預(yù)熱燃煤電廠給水為一種高效、 經(jīng)濟(jì)的太陽能熱利用方式，既可以降低煤耗、污染物排放和碳排放，也可以提高太陽能發(fā)電量的比例和整個系統(tǒng)的熱效率。 同時，相比純太陽能機(jī)組，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)擁有更優(yōu)的變工況特性和經(jīng)濟(jì)性。

1 太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)

目前，燃煤機(jī)組在朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，大多采用回?zé)嵯到y(tǒng)和再熱系統(tǒng)來提高平均吸熱溫度和整個系統(tǒng)的熱效率。 典型的槽式太陽能輔助燃煤發(fā)電的系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 太陽能與燃煤電廠互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of complementary power generation system between solar and coal-fired power plants

該系統(tǒng)主要由鍋爐、汽輪機(jī)、給水加熱器、發(fā)電機(jī)、凝汽器等部件構(gòu)成。 來自凝汽器的凝結(jié)水通過給水泵加壓和若干級加熱器預(yù)熱后進(jìn)入鍋爐，隨后在鍋爐中吸收煤粉燃燒釋放的熱量產(chǎn)生高溫高壓蒸汽（又稱主蒸汽）。 主蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸膨脹做功，其中一部分主蒸汽被逐級抽取進(jìn)入高壓給水加熱器預(yù)熱給水，未被抽取的高壓缸排汽（又稱再熱蒸汽）則再次進(jìn)入鍋爐再熱。 與主蒸汽類似，進(jìn)入汽輪機(jī)中低壓缸的再熱蒸汽一部分被逐級抽取進(jìn)入除氧器和低壓給水加熱器預(yù)熱給水，剩余的部分則膨脹做功， 其排汽則進(jìn)去凝汽器冷卻成為冷凝水，完成整個蒸汽循環(huán)過程。

槽式太陽能集熱系統(tǒng)和油水換熱器則是原燃煤機(jī)組經(jīng)改造后新增的系統(tǒng)，其中，槽式太陽能集熱系統(tǒng)主要由槽式太陽能集熱場和儲熱系統(tǒng)構(gòu)成。 經(jīng)過槽式太陽能集熱場吸收的太陽能加熱傳熱介質(zhì)（通常用導(dǎo)熱油），傳熱介質(zhì)通過油水換熱器加熱部分給水， 從而將太陽能熱引入到燃煤機(jī)組，達(dá)到替代部分汽輪機(jī)抽汽量的作用，被“節(jié)省”的抽汽可以留在汽輪機(jī)繼續(xù)做功，從而增加單位蒸汽量的做功量。當(dāng)太陽能提供的熱量超出燃煤機(jī)組所能接納的范圍時，多余的熱量則被儲能系統(tǒng)儲存，以便在太陽能輻照不足時，為集熱系統(tǒng)補(bǔ)充能量。

2 子系統(tǒng)建模

2.1 太陽能集熱場子系統(tǒng)

拋物面槽式集熱場輸出的凈太陽能熱等于集熱場吸收的太陽能減去集熱場的熱損失，即：

2.2 汽輪機(jī)及回?zé)嶙酉到y(tǒng)

如圖1 所示，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的回?zé)嶙酉到y(tǒng)是由典型的“三高四低一除氧”結(jié)構(gòu)組成。 太陽熱的引入將導(dǎo)致汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的流量發(fā)生變化，即：

2.3 鍋爐子系統(tǒng)

鍋爐子系統(tǒng)模型主要基于熱力學(xué)第一定律：煤燃燒所放出的熱量等于主蒸汽和再熱蒸汽吸收的熱量之和。 即

2.4 評價指標(biāo)

3 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)特性

將國內(nèi)某330 MW 機(jī)組為研究對象， 以我國西藏拉薩地區(qū)的氣象條件為例進(jìn)行案例研究。

3.1 太陽能熱輸入對主蒸汽流量的影響

互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在x%（x=100，75，50）負(fù)荷下，流量隨太陽能熱輸入的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同工況下主蒸汽流量隨太陽能輸入量的變化Fig.2 Variation of main steam flow rate with solar input under different working conditions

如圖可見， 每張圖中都有2 個拐點(diǎn)，Q1，x%為剛好替代第3 級抽汽所需要的太陽能熱輸入量，Q2，x%為剛好替代全部高壓加熱器所需的太陽能熱輸入量；每張圖均展現(xiàn)了相似的變化趨勢；每張圖均被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個區(qū)域：

①當(dāng)0≤Qsolar，x%

②當(dāng)Q1，x%≤Qsolar，x%

③當(dāng)Q2，x%≤Qsolar，x%<時， 全部高壓抽汽被太陽能完全取代， 系統(tǒng)已無法接納更多的太陽能熱輸入，太陽能輸入量繼續(xù)增加時，主蒸汽、再熱蒸汽流量相等并保持不變。 多余的太陽能將被舍棄或被儲蓄系統(tǒng)儲存。

3.2 太陽能熱輸入對太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率的影響

太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率定義為太陽能熱輸入與太陽能發(fā)電量的比值。 它與太陽能熱輸入量的變化情況如圖3 所示。

類似地，對于100%，75%和50%，同樣被Q1，x%和Q2，x%分為以下3 個區(qū)域：

①當(dāng)0≤Qsolar，x%

②當(dāng)Q1，x%≤Qsolar，x%

③當(dāng)Q2，x%≤Qsolar，x%時，隨著太陽能熱輸入量的增加，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率大幅下降。

圖3 不同工況下太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率隨太陽能輸入量的變化Fig.3 Variation of conversion efficiency of solar energy with solar input under different operating conditions

基于3.1 節(jié)所得結(jié)論， 被太陽能取代的抽汽分別為第3 級、第2 級和第1 級。 隨著被替代抽汽壓力的增加，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率也逐漸提高。 但當(dāng)太陽能輸入量超過Q2，x%，多余的太陽能輸入將被儲存或舍棄，因此太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率下降。

4 結(jié)語

以太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)進(jìn)行了模型建立，并對不同負(fù)荷下的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了瞬態(tài)模型研究，基于年性能進(jìn)行了蓄熱量的優(yōu)化研究。 研究發(fā)現(xiàn)，太陽能的主蒸汽、再熱蒸汽流量隨著太陽能熱引入量的變化分為3 個區(qū)域；當(dāng)太陽能熱剛好替代全部高壓加熱器時，太陽能熱電轉(zhuǎn)化效率最高。