劉 偉，黨文越，金宏達(dá)，孟繁兵，黃朝陽(yáng)

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

目前，中國(guó)缺少太陽(yáng)直射輻射的長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)數(shù)據(jù)，哈爾濱地區(qū)更加缺乏[1]。美國(guó)NASA SSE6.0數(shù)據(jù)庫(kù)搜集了全球范圍內(nèi)，分辨率在100 km左右的22年期太陽(yáng)法向直射輻射，該數(shù)據(jù)庫(kù)被認(rèn)為可以用以進(jìn)行全球范圍內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電潛力評(píng)估[2]。太陽(yáng)能瞬時(shí)輻射照度的大小及其時(shí)間分布變化是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功率預(yù)測(cè)的重要基礎(chǔ)，對(duì)指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行和發(fā)電功率預(yù)測(cè)尤為重要[3-5]。

隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建與發(fā)展，以及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的設(shè)定，為更好地開發(fā)利用哈爾濱地區(qū)太陽(yáng)能資源，指導(dǎo)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、評(píng)估、運(yùn)行和功率預(yù)測(cè)，以NASA SSE6.0數(shù)據(jù)庫(kù)中22年來(lái)表面氣象和太陽(yáng)能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在研究計(jì)算哈爾濱地區(qū)以時(shí)間節(jié)點(diǎn)為因變量的太陽(yáng)能日、月、年內(nèi)瞬時(shí)輻射照度的基礎(chǔ)上，以光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的靜態(tài)和逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算分析[6-8]。

1 推算原理及性能分析方法

在沒(méi)有實(shí)測(cè)輻射數(shù)據(jù)的情況下，一般是根據(jù)鄰近地區(qū)的實(shí)測(cè)值采用插值法推算，或者利用相對(duì)容易測(cè)量的太陽(yáng)持續(xù)時(shí)間(日照百分率)或云量等數(shù)據(jù)推算，得到月平均日水平面上的輻射量，再進(jìn)行分解，得到相應(yīng)的直射輻射和散射輻射量。若存在可利用的數(shù)據(jù)，可根據(jù)月平均日直射輻射量進(jìn)行計(jì)算，得出太陽(yáng)能瞬時(shí)直射輻射照度，從而得到以小時(shí)為節(jié)點(diǎn)的月代表日的太陽(yáng)直射輻射照度分布，再進(jìn)行月累計(jì)分布計(jì)算以及全年不同輻射照度分布時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)；根據(jù)不同輻射照度下的槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的不同，將變化的指標(biāo)參數(shù)以時(shí)間節(jié)點(diǎn)為因變量連接起來(lái)，得到系統(tǒng)性能每天的變化規(guī)律，從而進(jìn)行逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能分析、年度經(jīng)濟(jì)性分析以及污染物替代計(jì)算[6-8]。

該計(jì)算方法直接利用月平均日直射輻射量來(lái)推算太陽(yáng)能瞬時(shí)直射輻射照度，計(jì)算晴天太陽(yáng)能輻射具有很好的精度。因此，對(duì)于主要是收集晴天太陽(yáng)能直射輻射的拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器，利用該公式計(jì)算的結(jié)果能夠反應(yīng)投射到集熱器上的輻射狀況[9,10]。

該文以NASA SSE6.0數(shù)據(jù)庫(kù)中22年來(lái)月平均日直射輻射量的平均值為基礎(chǔ)，進(jìn)行日瞬時(shí)直射輻射分布、月累計(jì)分布計(jì)算，以及全年不同輻射照度分布時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)分析，以便為哈爾濱地區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電、光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)初設(shè)和運(yùn)行功率預(yù)測(cè)提供參考。具體推算式如下。

(1)

(2)

b=0.660 9-0.476 7sin(ωs-60)

(3)

a=0.409+0.501 6sin(ωs-60)

(4)

(5)

Hh=rtHd

(6)

EDNI=Hh×1 000 000/3 600

(7)

式中：n為所計(jì)算當(dāng)天在全年中的日數(shù)；δ為赤緯角，(°)；φ為地理緯度，(°)；ω為太陽(yáng)時(shí)角，(°)；ωs為日落時(shí)角，(°)；rt為小時(shí)總輻射與全天總輻射之比；Hd為全天曝輻射量，MJ/m2；Hh為小時(shí)曝輻射量，MJ/m2；EDNI為瞬時(shí)直射輻射照度，W/m2。

2 光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)模型及性能分析方法

太陽(yáng)能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)，即光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)中，以槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)加熱凝結(jié)水泵出水，形成對(duì)應(yīng)參數(shù)的蒸汽。根據(jù)取代抽汽的不同，系統(tǒng)有8種集成方式，每一種集成方式對(duì)應(yīng)一種計(jì)算模型。為說(shuō)明方便，以取代1段抽汽時(shí)的集成方式為例，如圖1所示。燃煤機(jī)組為亞臨界壓力300 MW雙缸雙排汽凝汽式機(jī)組，共設(shè)8級(jí)抽汽，回?zé)嵯到y(tǒng)為“三高四低一除氧”，3臺(tái)高壓加熱器和5號(hào)低壓加熱器裝有蒸汽冷卻器，3臺(tái)高壓加熱器裝有疏水冷卻段，末級(jí)低壓加熱器疏水排向凝汽器，太陽(yáng)能集熱場(chǎng)由拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器組成；太陽(yáng)能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為“燃料節(jié)省型”(功率不變)。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，根據(jù)“溫度對(duì)口，能量梯級(jí)利用”原則，通過(guò)熱系統(tǒng)變工況熱力計(jì)算，得到不同集成方式及不同取代百分比的工況，再分別研究拋物面槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能變化規(guī)律。光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為“燃料節(jié)省型”時(shí)，太陽(yáng)能加熱凝泵來(lái)水后，無(wú)論取代哪一段抽汽，在功率不變的情況下，最終都會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)新汽量等參數(shù)的變化[11-16]。因此，為了評(píng)價(jià)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)性能和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)綜合能耗水平，為太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論依據(jù)，需要擬定性能方程或性能指標(biāo)，主要有計(jì)算式(8)～(13)。

圖1 太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)集成方式

ηsc=ηoptKtα-(a+cvwind)(Tab-Tair)/EDNI-

(8)

(9)

Qsc=Ds×(hb-ha)=AEDNIηse×10-3

(10)

Qs=Qsc/ηse

(11)

(12)

(13)

3 光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)靜態(tài)及逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算分析

引入文獻(xiàn)[1]的數(shù)據(jù)，根據(jù)光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)模型及性能分析方法，代入推算得到的EDNI，即可得到太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)性能參數(shù)。為了進(jìn)一步研究光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能，只需利用EDNI的時(shí)間分布規(guī)律中的時(shí)刻，將對(duì)應(yīng)EDNI下的性能參數(shù)連接起來(lái)，即可得到對(duì)應(yīng)集成方式或工況下的逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能變化規(guī)律。

為方便比較說(shuō)明，列出原燃煤機(jī)組額定工況下的性能參數(shù)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 原燃煤機(jī)組額定工況下的性能參數(shù)

3.1 靜態(tài)性能計(jì)算結(jié)果分析

在選取EDNI等于700 W/m2作為太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)值的前提下，根據(jù)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)引入凝泵來(lái)水，加熱至對(duì)應(yīng)1～8段蒸汽后，取代1～8段抽汽時(shí)集成方式的不同，有8個(gè)工況下的靜態(tài)性能結(jié)果，如表2所示。

表2 不同集成方式下的靜態(tài)性能結(jié)果分析

由表2數(shù)據(jù)分析可知，在EDNI一定的情況下，隨著取代1～8段抽汽的不同，集熱場(chǎng)面積和工質(zhì)流量不同；集熱場(chǎng)工質(zhì)吸熱量取決于工質(zhì)進(jìn)出口溫度，同時(shí)和Ds有關(guān)；集熱場(chǎng)換熱效率變化幅度不大；集熱場(chǎng)吸收的太陽(yáng)能熱量、太陽(yáng)能所產(chǎn)生的電能以及太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換效率變化明顯；熱耗率和標(biāo)準(zhǔn)煤耗較原燃煤機(jī)組均發(fā)生了明顯降低；混合發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)煤節(jié)省量，取代1段抽汽時(shí)最大，取代8段抽汽時(shí)最小。

因?yàn)槿〈?段抽汽標(biāo)煤節(jié)省量最為明顯，所以，以取代1段抽汽為基礎(chǔ)，又分析了取代份額不同時(shí)的靜態(tài)性能，如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可知，隨著1段抽汽取代份額的降低，機(jī)組性能參數(shù)有向原燃煤機(jī)組回歸的趨勢(shì)，即取代份額越小，太陽(yáng)能引入機(jī)組的熱量越小，混合發(fā)電系統(tǒng)煤耗越接近原燃煤機(jī)組煤耗，節(jié)省煤量越小，在滿足溫度對(duì)口的條件下，集熱場(chǎng)面積也會(huì)減??；由于取代份額變化對(duì)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)進(jìn)出口介質(zhì)參數(shù)影響不大，外加EDNI不變，環(huán)境參數(shù)不變，因此太陽(yáng)能集熱器換熱效率變化不大。

表3 取代1段抽時(shí)不同取代份額下的靜態(tài)性能結(jié)果分析

3.2 逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能結(jié)果分析

根據(jù)前文分析，太陽(yáng)能熱取代1段抽汽時(shí)，單位發(fā)電量下的節(jié)煤量最大，因此在進(jìn)行太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能分析時(shí)，以取代1段抽汽的集成方式為基礎(chǔ)。由于一天內(nèi)不同時(shí)刻瞬時(shí)直射輻射強(qiáng)度不同，為便于進(jìn)行逐時(shí)穩(wěn)態(tài)分析，選取EDNI等于700 W/m2作為太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)值的前提下，計(jì)算的太陽(yáng)能集熱場(chǎng)面積為105 565.35 m2，當(dāng)EDNI發(fā)生變化時(shí)，集熱場(chǎng)面積不再變化。對(duì)應(yīng)集熱場(chǎng)面積一定，EDNI不同區(qū)段下的太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)靜態(tài)性能如表4所示。

表4 取代1段抽時(shí)不同EDNI下的靜態(tài)性能結(jié)果分析

由表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)太陽(yáng)能集熱場(chǎng)面積一定的情況下，隨著EDNI的降低，集熱器換熱效率降低，在滿足溫度對(duì)口的條件下，Ds勢(shì)必降低，太陽(yáng)能引入機(jī)組的熱量降低，太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)效率降低，混合發(fā)電系統(tǒng)的熱耗和煤耗增加，機(jī)組性能參數(shù)同樣有向原燃煤機(jī)組回歸的趨勢(shì)，即EDNI越小，混合發(fā)電系統(tǒng)煤耗越接近原燃煤機(jī)組煤耗，節(jié)省煤量越小，直到EDNI降低到一定程度，關(guān)停集熱場(chǎng)換熱，光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)切換成原燃煤機(jī)組正常發(fā)電。

結(jié)合表4的數(shù)據(jù)，以6月11日一天內(nèi)太陽(yáng)能EDNI變化為例，太陽(yáng)能集熱場(chǎng)及光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能如圖2所示。

圖2 集熱場(chǎng)及混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能

由圖2中太陽(yáng)能集熱場(chǎng)和光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能變化規(guī)律知，隨著時(shí)刻的變化，EDNI、Ds、Qc、Qs、Pes、Δbs均呈現(xiàn)先增大后降低的變化規(guī)律，在正午時(shí)刻達(dá)到峰值，太陽(yáng)能發(fā)電量Pes相對(duì)平滑；集熱器換熱效率η和太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換效率ηse在日出時(shí)刻均有階躍性上升，日落時(shí)刻均有階躍性下降，在整個(gè)日照時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出比較平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)；混合發(fā)電系統(tǒng)熱耗q和煤耗bs均呈現(xiàn)先降低后增大的變化規(guī)律，在正午時(shí)刻達(dá)到低谷。

3.3 年內(nèi)各月性能比較分析

為了進(jìn)一步比較年內(nèi)各月之間的性能變化規(guī)律，特進(jìn)行了月平均日內(nèi)性能參數(shù)各時(shí)刻平均化或累計(jì)處理，其中平均化處理和累計(jì)處理后，統(tǒng)計(jì)后計(jì)算的年內(nèi)各月之間的性能結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著年內(nèi)月份的變化，各月平均輻射總量呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律；各月平均的集熱器換熱效率和太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換效率變化呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)；各月平均的集熱場(chǎng)工質(zhì)流量和混合系統(tǒng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗呈現(xiàn)類似變化規(guī)律，3～9月較大，1、2、10、11、12月較小；集熱場(chǎng)工質(zhì)吸熱月累計(jì)量、集熱場(chǎng)吸收的太陽(yáng)能熱月累計(jì)量、太陽(yáng)能發(fā)電月累計(jì)量呈現(xiàn)類似變化規(guī)律，均先增加后減小，在6月份達(dá)到峰值；混合發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，混合發(fā)電系統(tǒng)的月累計(jì)節(jié)省標(biāo)煤量呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，夏季節(jié)省標(biāo)煤量大，春秋季次之，冬季最少，年節(jié)省標(biāo)煤累計(jì)總量達(dá)9471.47 t，若1 t標(biāo)煤產(chǎn)生NOx、CO2、SO2、粉塵，分別按0.006 t、2.126 7 t、0.004 1 t、0.000 2 t計(jì)，年減少污染物排放量NOx為56.828 8 t，CO2為20 142.975 2 t，SO2為38.833 0 t，粉塵為1.894 3 t。

圖3 集熱場(chǎng)及混合發(fā)電系統(tǒng)月平均性能

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能輻射觀測(cè)站現(xiàn)狀和光-煤發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行功率預(yù)測(cè)的需要，研究并分析了光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)性能、逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能和年內(nèi)各月性能的變化規(guī)律。

1)光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)性能分析表明，光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)所列集成方式中取代1段抽汽的集成方式最優(yōu)，單位發(fā)電節(jié)省標(biāo)煤耗19.84 g/(kW·h)；

2)光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)的逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能分析表明，隨著時(shí)刻的變化，光煤發(fā)電系統(tǒng)熱耗和煤耗均呈現(xiàn)先降低后增大的變化規(guī)律，在正午時(shí)刻達(dá)到低谷；隨著年內(nèi)月份的變化，各月平均輻射總量呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律；混合發(fā)電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤耗呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，系統(tǒng)的月累計(jì)節(jié)省標(biāo)煤量呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，年節(jié)省標(biāo)煤累計(jì)總量達(dá)9 471.47 t，減少了污染物排放量。

3)該計(jì)算方法可在太陽(yáng)能光伏發(fā)電或光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)初設(shè)和運(yùn)行功率預(yù)測(cè)中參考和應(yīng)用，不僅可以推算出各月內(nèi)或年內(nèi)每一天的集熱場(chǎng)和太陽(yáng)能燃煤混合發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)穩(wěn)態(tài)性能變化規(guī)律，還可以比較年內(nèi)各月之間的性能差異；同時(shí)，該方法為哈爾濱地區(qū)太陽(yáng)能利用提供了對(duì)應(yīng)模型下的氣象與功率廣域時(shí)空關(guān)聯(lián)性，填補(bǔ)了光-煤混合發(fā)電系統(tǒng)工程應(yīng)用中的功率預(yù)測(cè)方法。