熱槽式太陽(yáng)能輔助燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析

熱槽式太陽(yáng)能輔助燃煤熱發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析

0太陽(yáng)能系統(tǒng)熱發(fā)電發(fā)電技術(shù)中國(guó)長(zhǎng)期以來的能源結(jié)構(gòu)主要是煤炭。作為一個(gè)大型的煤炭和二氧化碳排放大國(guó)，火電站面臨著巨大的節(jié)能和排放壓力。中國(guó)需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q這個(gè)問題。燃煤電廠通過改變參數(shù)、提高機(jī)組容量等內(nèi)部措施實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的潛力有限,找到替代能源減少煤耗的外部方法已經(jīng)成為一個(gè)深層次節(jié)能的發(fā)展方向。我國(guó)是個(gè)太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家,利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電能夠解決化石能源短缺、環(huán)境污染等問題。目前,太陽(yáng)能熱發(fā)電主要有3種方式:槽式、塔式和碟式。本文選取商業(yè)化程度最高的槽式太陽(yáng)能集熱器作為研究對(duì)象。將槽式太陽(yáng)能集熱器集成于燃煤電廠后能夠利用燃煤電廠的可調(diào)整性彌補(bǔ)太陽(yáng)能的間歇性,在降低太陽(yáng)能熱發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多能源的互補(bǔ)利用,在減少燃煤消耗的同時(shí)不改變機(jī)組的發(fā)電量。近年來,太陽(yáng)能系統(tǒng)熱輔助燃煤熱發(fā)電的方式受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Odeh等提出了太陽(yáng)能系統(tǒng)集成于燃煤機(jī)組鍋爐側(cè)的3種方式,并分別分析了集成后的經(jīng)濟(jì)性。Patnode等建立了槽式太陽(yáng)能熱油集熱模型,并用熱力系統(tǒng)靜態(tài)模型評(píng)價(jià)集熱系數(shù)各參數(shù)的影響。崔映紅等提出多種槽式太陽(yáng)能集成燃煤機(jī)組方案,并對(duì)不同方案進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性分析。然而目前對(duì)于太陽(yáng)能集成燃煤機(jī)組發(fā)電的研究主要集中在輔機(jī)側(cè)和鍋爐側(cè),對(duì)其節(jié)煤成本和CO2減排成本的研究較少,因此本文以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ),結(jié)合變熱量等效焓降法建立集成方式的矩陣方程,對(duì)不同容量機(jī)組集成后的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析。1太陽(yáng)能集熱發(fā)電系統(tǒng)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是目前成本最低,風(fēng)險(xiǎn)最小的技術(shù),一般有兩種方式:蒸汽直接產(chǎn)生系統(tǒng)和間接換熱系統(tǒng)。前者的集熱介質(zhì)為水,產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)最高可達(dá)10MPa/400℃;后者的集熱介質(zhì)一般為導(dǎo)熱油等,無壓力參數(shù)限制。本文采用的是蒸汽直接產(chǎn)生系統(tǒng),將給水直接引入槽式太陽(yáng)能集熱器場(chǎng)進(jìn)行加熱,直到產(chǎn)生要求參數(shù)的蒸汽后引回原燃煤系統(tǒng)。圖1是槽式太陽(yáng)能輔助燃煤熱發(fā)電系統(tǒng),該集成方式具體為:從凝結(jié)水泵出口引出部分給水進(jìn)入槽式太陽(yáng)能集熱器加熱,直到產(chǎn)生的蒸汽達(dá)到某級(jí)加熱器的抽汽參數(shù)時(shí),再引入該級(jí)加熱器汽側(cè),從而部分或全部替代該級(jí)加熱器抽汽加熱給水,排擠的抽汽則返回汽輪機(jī)做功。圖1所示為集成于1號(hào)高加的方案,由于除氧器的特別功能,為了保證其正常工作,集成方案不考慮替代除氧器的抽汽,而與其余加熱器集成時(shí)與此類似。2計(jì)算的熱量2.1集熱器加熱系統(tǒng)為了計(jì)算該集成方式的節(jié)煤量,本文采用變熱量等效熱降法計(jì)算圖1所示機(jī)組。由等效熱降法可知,各級(jí)抽汽等效熱降的公式為:再熱熱段以后:再熱冷段及其以上:其中,i為回?zé)峒訜崞骶幪?hào),r為加熱器i后更低壓力抽汽編號(hào);如果i為匯集式加熱器,則Ar=τr;如果i為疏水自流式加熱器,則i以下直到(包括)匯集式加熱器Ar=γr,而在匯集式加熱器以下Ar=βrτr。對(duì)圖1所示的系統(tǒng)圖進(jìn)行分析,寫成矩陣方程:即:其中,[A]為n階上三角形矩陣,n為加熱器級(jí)數(shù),該矩陣各元素為:當(dāng)i>j時(shí),aij=0;當(dāng)i=j時(shí),aij=qi;當(dāng)i<j時(shí),若第j級(jí)加熱器接收第i級(jí)加熱器疏水,則aij=γj,其余的aij=τj。[η]為抽汽效率矩陣;為抽汽焓降矩陣,如果抽汽在再熱冷段及其以上,則,若在再熱熱段以后,則系統(tǒng)輔助成分做工損失∑∏包括給水泵損失功和輔汽損失功兩部分,具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)。因此,凈等效熱降為:由等效焓降理論分析可知,由凝結(jié)水泵出口引出一部分工質(zhì)αj,經(jīng)過槽式太陽(yáng)能集熱器加熱后成為某級(jí)同等參數(shù)的蒸汽hj,全部替代該級(jí)蒸汽在加熱器里加熱給水,相當(dāng)于蒸汽攜帶熱量進(jìn)機(jī)組,由于焓值與原抽汽相同,不產(chǎn)生疏水變化,則做功量增加ΔH1,即:對(duì)于再熱之前的抽汽替代,會(huì)引起循環(huán)吸熱量的變化,設(shè)再熱焓增為σ,ΔQ=Δαzrσ,Δαzr公式見文獻(xiàn)。另外,因凝結(jié)水量不變,則該種集成方式下的裝置效率總的相對(duì)增加為:在未引入槽式太陽(yáng)能集熱器前,原機(jī)組耗煤量為:2.2pe及h系機(jī)組發(fā)電功率及運(yùn)行時(shí)間模型在引入槽式太陽(yáng)能集熱器集成方案后,節(jié)煤量δb為:與此對(duì)應(yīng)的有標(biāo)煤節(jié)約成本bc、CO2減排量(CO2)m和CO2節(jié)約成本(CO2)c,方程為:其中,Pe和h分別為原機(jī)組發(fā)電功率及年運(yùn)行時(shí)間,年運(yùn)行時(shí)間取為5500h;mcp和mdp分別為標(biāo)煤價(jià)格及CO2減排價(jià)格,分別取為662元/t及249元/t。3集成方式對(duì)小機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響以某350MW和600MW機(jī)組為例計(jì)算,兩機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)都為“三高四低一除氧”。將該槽式集熱器按上述集成方式分別作用于兩個(gè)機(jī)組,假設(shè)集成后的主蒸汽流量不變,取代抽汽比例為βi,則取代抽汽份額αsi=βiαi,則由上述方程進(jìn)行計(jì)算,若全部取代兩機(jī)組各級(jí)抽汽,即βi=1時(shí),得到結(jié)果如圖2~圖6所示。圖2和圖3是機(jī)組在集成槽式太陽(yáng)能后,節(jié)煤量和裝置效率相對(duì)提高值隨著集成位置不同所得的變化關(guān)系,兩圖表明,當(dāng)槽式太陽(yáng)能集成到高加側(cè)時(shí)節(jié)煤量要比集成到低加側(cè)時(shí)高得多,這是因?yàn)樘娲呒觽?cè)的抽汽后,被排擠的蒸汽返回汽輪機(jī)做功,而高加側(cè)的蒸汽品質(zhì)要比低加側(cè)高。槽式太陽(yáng)能集熱器集成于1號(hào)高加時(shí),機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性最好,350MW機(jī)組能節(jié)煤16.65g/(kW·h),600MW機(jī)組能節(jié)煤13.76g/(kW·h),裝置效率相對(duì)提高值分別為0.056和0.045。光從這兩個(gè)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來評(píng)價(jià)的話,350MW機(jī)組集成后的熱經(jīng)濟(jì)性要更好,這是因?yàn)?600MW機(jī)組的參數(shù)更高、容量更大,使得其熱力過程較為完善,原熱經(jīng)濟(jì)性較高,導(dǎo)致其集成后的節(jié)能潛力沒有350MW機(jī)組那么明顯。而由圖4~圖6的3個(gè)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可知,600MW機(jī)組在集成后的節(jié)煤成本、CO2減排量、CO2減排成本最高分別為3006萬元/年、111250t/年、2770萬元/年,350MW機(jī)組在集成后的節(jié)煤成本、CO2減排量、CO2減排成本最高分別為2121.8萬元/年、78525.6t/年、1955.3萬元/年,因此,從這3個(gè)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)來看,600MW機(jī)組能節(jié)省更多成本,環(huán)保潛力更大,這是由于成本和減排量都涉及到了機(jī)組功率,在節(jié)煤量相差不多的情況下,600MW機(jī)組能體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也說明了高參數(shù)的大機(jī)組才是火電的發(fā)展方向,而小機(jī)組在不改變自身容量的情況下,集成槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電是節(jié)能減排的解決辦法。目前我國(guó)小機(jī)組較多,將槽式太陽(yáng)能集熱器按本文介紹的集成方式對(duì)小機(jī)組進(jìn)行改造可以實(shí)現(xiàn)深層次的節(jié)能,因此有必要研究在不同的取代抽汽比例下,小機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的變化情況。以350MW機(jī)組為例,分別取βi=0.2、0.4、0.6、0.8和1.0,經(jīng)計(jì)算可得該集成方式下的結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,槽式太陽(yáng)能集成于350MW機(jī)組后,隨著取代抽汽比例的增加,集成機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均有不同幅度增加,高加側(cè)增加幅度大于低加側(cè),這是由于取代抽汽比例增加后,被排擠回汽輪機(jī)的抽汽就越多,做功也就越多,在機(jī)組功率不變的情況下,就會(huì)減少耗煤量,從而CO2排放指標(biāo)也相應(yīng)減少。在取代抽汽比例為1時(shí)(即該級(jí)抽汽為0),各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)達(dá)到最大值。當(dāng)取代抽汽比例一定時(shí),槽式太陽(yáng)能集成于高加側(cè)的熱經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于集成于低加側(cè),這是因?yàn)楦呒觽?cè)抽汽品位較高,返回汽輪機(jī)后做功更多。以βi=0.6為例,高加側(cè)的平均節(jié)煤量13.86g/(kW·h)遠(yuǎn)高于低加側(cè)的平均節(jié)煤量3.4375g/(kW·h);高加側(cè)的平均節(jié)煤成本1766.25萬元/年遠(yuǎn)高于低加側(cè)的平均節(jié)煤成本419.58萬元/年;高加側(cè)的平均CO2減排量65367.2t/年遠(yuǎn)高于低加側(cè)的平均CO2減排量16212.1t/年;高加側(cè)的平均CO2減排成本1627.6萬元/年遠(yuǎn)高于低加側(cè)的平均CO2減排成本403.7萬元/年。因此,建議將槽式太陽(yáng)能集熱器作用于高加側(cè),而從3個(gè)高加側(cè)進(jìn)行對(duì)比可知,作用于1號(hào)高加時(shí)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最高,接下來是2號(hào)、3號(hào)。這是因?yàn)?雖然1號(hào)高加與2號(hào)高加抽汽量基本相同,但是1號(hào)高加的抽汽焓值較高,也就是蒸汽品位較高,所以1號(hào)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)于2號(hào),而3號(hào)高加抽汽雖然焓值較高,但是抽汽量少,所以低于1號(hào)、2號(hào)。由此看出,在槽式太陽(yáng)能集熱器作用于燃煤機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)汽側(cè)時(shí),最優(yōu)方案是作用在1號(hào)高加汽側(cè)。4熱經(jīng)濟(jì)性分析(1)將槽式太陽(yáng)能集熱器引入不同容量機(jī)組時(shí),350MW機(jī)組在節(jié)煤量和裝置效率相對(duì)提高值兩個(gè)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)方面優(yōu)于600MW機(jī)組,而在節(jié)煤成本、CO2減排量、CO2減排成本3個(gè)熱經(jīng)