左 潞，周 恬，李 闖，戴鵬展，劉子涵，藤盛龍，屈 波

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

為提高單純用于電力生產(chǎn)的太陽(yáng)能煙囪電站（Solar Chimney Power Plant，SCPP）的太陽(yáng)能利用效率[1]和經(jīng)濟(jì)性，本課題組提出了海水淡化-太陽(yáng)能煙囪電站系統(tǒng) （Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，SCPPCSD），并進(jìn)行了初步的理論分析和微型試驗(yàn)研究。由于SCPPCSD中部分能量被凝結(jié)的淡水帶走，導(dǎo)致集熱棚內(nèi)氣流溫度下降，減小了SCPPCSD的內(nèi)外氣流壓差，使得發(fā)電量有所下降。針對(duì)這一問(wèn)題，研究者提出無(wú)動(dòng)力風(fēng)力增壓型海水淡化-太陽(yáng)能煙囪電站系統(tǒng)（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，WSSCPPSD）[4]～[6]，改善了系統(tǒng)內(nèi)外氣流壓差。WSSCPPSD作為SCPPCSD的增效衍生系統(tǒng)，雖然明顯提高了綜合系統(tǒng)的性能，但是其運(yùn)行特性受環(huán)境參數(shù)波動(dòng)的影響仍然較大，導(dǎo)致其電站運(yùn)行功率波動(dòng)較大，系統(tǒng)性能仍有改善的空間。目前，許多學(xué)者將外熱源（地?zé)崮堋煔獾龋┘夹g(shù)與SCPP技術(shù)結(jié)合[7]，[8]，用來(lái)提高SCPP的性能，降低環(huán)境因素對(duì)其性能的影響。基于此，本文提出了聯(lián)合海水淡化和余熱的太陽(yáng)能煙囪電站系統(tǒng)（Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，SCPPDW）和聯(lián)合海水淡化和余熱的風(fēng)力增壓式太陽(yáng)能煙囪電站系統(tǒng)（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，WSCPPDW）[9]。通過(guò)構(gòu)建WSCPPDW數(shù)學(xué)模型及計(jì)算來(lái)分析其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，旨在利用研究所得到的具體數(shù)據(jù)，量化闡明該綜合系統(tǒng)在性能輸出與投資回報(bào)方面的優(yōu)勢(shì)，為其進(jìn)一步商業(yè)化提供一定的指導(dǎo)和參考。

1 物理模型

WSCPPDW是風(fēng)力增壓型海水淡化-太陽(yáng)能煙囪電站（WSSCPPSD）的進(jìn)一步拓展系統(tǒng)，其工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。WSCPPDW的特別之處在于可在盤(pán)式海水蒸餾池下方設(shè)計(jì)并設(shè)置專用螺旋形煙氣加熱流道（SGC），耦合利用火電廠煙氣余熱進(jìn)一步加熱海水。煙氣經(jīng)火電廠煙氣再熱器（GGH）再熱后，進(jìn)入WSCPPDW底部的SGC。為了增加煙氣與海水之間的換熱時(shí)間，充分利用煙氣余熱和土地資源，SGC煙道采用螺旋形布置。煙氣流經(jīng)SGC進(jìn)入導(dǎo)流錐腔，通過(guò)設(shè)置在導(dǎo)流腔內(nèi)的煙氣凈化裝置（濕式除塵器或其他裝置）進(jìn)行凈化，防止煙氣腐蝕煙囪內(nèi)壁和渦輪機(jī)。凈化后的煙氣由導(dǎo)流錐出口處的噴嘴噴射出并進(jìn)入公用煙囪。

WSCPPDW能夠同時(shí)利用太陽(yáng)能、煙氣余熱能和高空風(fēng)能等實(shí)現(xiàn)水、電聯(lián)產(chǎn)，其原理如圖1所示。

圖1 WSCPPDW原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of WSCPPDW

根據(jù)噴射器原理，高速煙氣射流通過(guò)噴嘴高速噴射時(shí)，能夠卷吸渦輪機(jī)出口和集熱棚出口處的空氣，提高集熱棚內(nèi)氣流流速，增大系統(tǒng)內(nèi)空氣質(zhì)量流量。由于空氣與煙氣的混合氣體溫度遠(yuǎn)大于空氣的溫度，經(jīng)過(guò)凈化的高溫?zé)煔馀c集熱棚出口的熱氣流混合后，系統(tǒng)內(nèi)外的溫度差和壓差均顯著增大，提高了渦輪機(jī)壓降和軸功率。

本研究中WSCPPDW的模型尺寸和運(yùn)行工況分別參照西班牙原型SCPP尺寸參數(shù)和典型運(yùn)行工況[9]，煙囪高度194.6 m，直徑10 m，集熱棚直徑244 m，集熱棚進(jìn)口高度1.85 m，出口高度8 m，過(guò)渡段采用鐘形流道設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。煙氣入口溫度358.15 K，煙氣質(zhì)量流量436.3 kg/s。外環(huán)境溫度298.15 K，太陽(yáng)輻照度850 W/m2，煙囪頂部風(fēng)速15 m/s。

2 數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[9]詳細(xì)介紹了WSCPPDW基于熱平衡方程構(gòu)建的傳熱傳質(zhì)和輸出性能計(jì)算模型，利用此模型可計(jì)算得到本文所取的典型運(yùn)行工況下綜合系統(tǒng)的輸出性能。

式中：Ej為各產(chǎn)品年總量；Pj為產(chǎn)品價(jià)格；θ為恒定的通貨膨脹率。

第k年WSCPPDW的總收益Ballk為

式中：下標(biāo)P，C，W，S分別為發(fā)電、碳信用、淡水和原鹽。

第k年WSCPPDW的總成本Callk為

式中：Com1為第1年的操作與維護(hù)費(fèi)用；εom為操作與維護(hù)成本的年增長(zhǎng)率。

研習(xí)已久的中國(guó)悠久歷史，作者貼近讀者的日常心理，以較為客觀平直的態(tài)度陳述這段發(fā)人深省的時(shí)光。而先生所講述的關(guān)于大學(xué)治理以及學(xué)生的教育問(wèn)題，不僅是決定國(guó)家發(fā)展的一股核心力量，同樣也是中國(guó)文化發(fā)展變化的關(guān)鍵因素。

第k年的凈收益NETk

式中：x為貼現(xiàn)率。

WSCPPDW服役期間的總凈現(xiàn)值TNPV為

采用風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整貼現(xiàn)率法分析綜合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，貼現(xiàn)率x為

式中：μ，y和z分別為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)貼現(xiàn)率、風(fēng)險(xiǎn)收益率和風(fēng)險(xiǎn)程度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同綜合系統(tǒng)性能對(duì)比

圖2為在相近的幾何參數(shù)和相似運(yùn)行條件下，WSCPPDW，SCPPDW，西班牙原型SCPP和文獻(xiàn)[11]～[15]提出的能夠?qū)崿F(xiàn)水、電聯(lián)產(chǎn)的綜合系統(tǒng)性能對(duì)比。由圖2可知，WSCPPDW的發(fā)電和產(chǎn)水性能優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)水、電聯(lián)產(chǎn)SCPP綜合系統(tǒng)。SCPPDW的發(fā)電功率、淡水產(chǎn)量和能量利用效率分別為159.3 kW，15.0 t/h和11.7%。WSCPPDW的發(fā)電功率、淡水產(chǎn)量和能量利用效率分別為193.7 kW，17.2 t/h和13.5%。在風(fēng)力增壓裝置的增益效果下，WSCPPDW的發(fā)電量、淡水產(chǎn)量和能量綜合利用效率比SCPPDW分別提高了21.6%，14.7%和15.4%。因此，通過(guò)設(shè)置風(fēng)力增壓裝置，明顯提高了系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[11]提出的綜合系統(tǒng)的產(chǎn)水量明顯大于WSCPPDW，但其發(fā)電量遠(yuǎn)小于WSCPPDW，這是因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)采用的海水淡化基本方法不同，將加濕-除濕系統(tǒng)應(yīng)用于水、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，加濕-除濕法的海水淡化效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)盤(pán)式蒸餾海水淡化方法，所以其系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量大大提升。

圖2 WSCPPDW和其他綜合系統(tǒng)的性能對(duì)比Fig.2 Performance comparison between WSCPPDW and other integrated systems

在一定程度上，WSCPPDW性能優(yōu)于其他系統(tǒng)，因此WSCPPDW的尺寸參數(shù)可以適當(dāng)減小，從而降低了建造難度。WSCPPDW耦合了高溫?zé)煔庥酂崂眉夹g(shù)，選址不局限于太陽(yáng)輻射充足的地區(qū)，因此更加靈活。此外，WSCPPDW將火電廠煙囪和太陽(yáng)能煙囪相結(jié)合，減少了投資，提高了經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了SCPP技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。

3.2 總收益分析

圖3為SCPPDW和WSCPPDW服役期間總凈利潤(rùn)TNET和總凈現(xiàn)值TNPV的對(duì)比情況。由圖3可知，WSCPPDW的TNET和TNPV分別為41.9×106元和5.5×106元；SCPPDW的TNET和TNPV分別為29.4×106元和2.7×106元。在風(fēng)力增壓裝置的作用下，WSCPPDW的TNET和TNPV顯著提高，分別增大了42.8%和102%。這是由于在風(fēng)力增壓裝置的作用下，WSCPPDW的發(fā)電量和產(chǎn)水量明顯提高，分別增大了21.6%和14.7%。

圖3 SCPPDW與WSCPPDW的TNET和TNPV對(duì)比Fig.3 Comparison of TENT and TNPV between SCPPDW and WSCPPDW

3.3 經(jīng)濟(jì)性能的逐年變化規(guī)律

圖4為在系統(tǒng)服役期間內(nèi)，SCPPDW及WSCPPDW年凈收益的變化規(guī)律。

圖4 服役期間內(nèi)SCPPDW及WSCPPDW的年凈收益變化規(guī)律Fig.4 Changes in the annual net income of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由圖4可見(jiàn)，隨著工作時(shí)長(zhǎng)的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均呈遞增趨勢(shì)，WSCPPDW的年凈收益始終大于SCPPDW。SCPPDW的年凈收益只有在綜合系統(tǒng)開(kāi)始工作的前4 a為負(fù)值，在余下工作時(shí)間內(nèi)均大于零。而WSCPPDW的年凈收益只有在綜合系統(tǒng)工作的第1年小于零。這是因?yàn)?，在通貨膨脹率的影響下，SCPPDW和WSCPPDW的售電收益、碳信用收益、淡水收益、原鹽收益均逐年增加。此外，由于每年需償還固定數(shù)額的貸款費(fèi)用，剩余所需償還貸款逐年減少，所以每年需要償還的貸款年利息也逐年減小。因此，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均逐年增大。

圖5為SCPPDW及WSCPPDW凈現(xiàn)值的變化規(guī)律。

圖5 服役期間內(nèi)SCPPDW及WSCPPDW的凈現(xiàn)值變化規(guī)律Fig.5 Changes in the NPV of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由圖5可知，在服役期間的前15 a，SCPPDW的凈現(xiàn)值逐年增大，隨后凈現(xiàn)值逐年減??；在服役期間的前11 a，WSCPPDW的凈現(xiàn)值逐年增大，隨后凈現(xiàn)值逐年減小。SCPPDW的凈現(xiàn)值在綜合系統(tǒng)工作的前4 a小于零，在剩余服役時(shí)間內(nèi)均大于零。而WSCPPDW的凈現(xiàn)值只有在綜合系統(tǒng)工作的第1年小于零，比SCPPDW提前3 a開(kāi)始盈利，WSCPPDW的凈現(xiàn)值始終大于SCPPDW的凈現(xiàn)值。這是因?yàn)椋瑑衄F(xiàn)值主要受到年凈收益和貼現(xiàn)率的影響。由前文可知，凈現(xiàn)值與凈收益呈正相關(guān)關(guān)系，與貼現(xiàn)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由上述分析知，SCPPDW在運(yùn)行的前15 a內(nèi)，SCPPDW的年凈收益逐年增大，且凈收益為影響凈現(xiàn)值變化的主導(dǎo)因素，所以SCPPDW的凈現(xiàn)值逐年增大；隨著服役時(shí)長(zhǎng)的增加，貼現(xiàn)率對(duì)凈現(xiàn)值的影響逐漸顯著，在運(yùn)行了15 a后，貼現(xiàn)率成為影響凈現(xiàn)值變化的主導(dǎo)因素，SCPPDW的凈現(xiàn)值逐年減小。同理，WSCPPDW和SCPPDW凈現(xiàn)值的變化規(guī)律相同，均為先增大后減小。由于年維修費(fèi)用與凈現(xiàn)值呈負(fù)相關(guān)，因此WSCPPDW凈現(xiàn)值開(kāi)始減小的拐點(diǎn)比SCPPDW稍有提前。此外，由于SCPPDW在服役期前4 a的年凈收益小于零，所以其凈現(xiàn)值也小于零；由于WSCPPDW的年凈收益始終大于SCPPDW，所以WSCPPDW的凈現(xiàn)值也始終大于SCPPDW。

4 結(jié)論

本文利用文獻(xiàn)[9]中所構(gòu)建的SCPPDW和WSCPPDW性能輸出數(shù)學(xué)模型及現(xiàn)金流計(jì)算構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)分析數(shù)學(xué)模型，探討了SCPPDW和WSCPPDW的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，得到以下結(jié)論。

①在西班牙原型SCPP的運(yùn)行參數(shù)和尺寸參數(shù)下，煙氣余熱的利用，使得SCPPDW和WSCPPDW的發(fā)電和產(chǎn)水性能優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)水、電聯(lián)產(chǎn)SCPP綜合系統(tǒng)。因此WSCPPDW的尺寸參數(shù)可以適當(dāng)減小，降低了建造難度。

②風(fēng)力增壓裝置能夠顯著提高綜合系統(tǒng)的性能。SCPPDW發(fā)電量為159.3 kW·h，產(chǎn)水量為15.0t/h，能量綜合利用效率為11.7%；WSCPPDW的發(fā)電量為193.7 kW·h，產(chǎn)水量為17.2 t/h，能量綜合利用效率為13.5%。與SCPPDW相比，WSCPPDW的能量綜合效率提高了15.4%。

③在煙囪頂部增設(shè)的風(fēng)力增壓裝置可使綜合系統(tǒng)總凈利潤(rùn)和總凈現(xiàn)值明顯增大。與SCPPDW相比，WSCPPDW的總凈利潤(rùn)和總凈現(xiàn)值分別增大了21.6%和14.7%。

④隨著工作時(shí)長(zhǎng)的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年凈收益均呈逐年遞增的趨勢(shì)，二者的年凈現(xiàn)值均先增大后減小，分別在第15年和第11年達(dá)到最大值，WSCPPDW的年凈收益和年凈現(xiàn)值始終大于SCPPDW。SCPPDW的年凈收益和年凈現(xiàn)值在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的前4 a為負(fù)值，增設(shè)風(fēng)力增壓裝置后的WSCPPDW的年凈利潤(rùn)和年凈現(xiàn)值在系統(tǒng)開(kāi)始工作的第1年為負(fù)值，在剩余的服役期間內(nèi)均大于零，比SCPPDW提前3 a開(kāi)始盈利。

⑤WSCPPDW同時(shí)利用了多種形式的能源，提高了綜合系統(tǒng)的能量綜合利用效率；煙氣余熱的利用使系統(tǒng)在低輻射狀態(tài)下以及夜間、雨天能夠連續(xù)、穩(wěn)定地工作，輸出可觀的淡水和發(fā)電功率；WSCPPDW耦合了高溫?zé)煔庥酂崂眉夹g(shù)，選址更加靈活；WSCPPDW將火電廠煙囪和太陽(yáng)能煙囪相結(jié)合，減少了投資，提高了經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了SCPP技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。