太阳能辅助燃煤发电系统的瞬态特性研究

郭凌云，马 超，陈 龙

（1.广东大唐国际潮州发电有限责任公司，潮州521000；2.南京工程学院 能源与动力工程学院，南京211167）

电力工业是我国经济发展中最重要的能源产业。 近几年来，我国所面临的化石能源短缺与污染物排放问题日益突出。 太阳能与燃煤电厂互补发电系统方面的研究始于1975 年，文献[1]以800 MW 燃煤电站作为研究对象， 分析了7 种不同的替代方式，综合成本、技术和运行等方面的因素，以替代给水加热器的方案最优。 文献[2]对互补发电系统的经济性进行了初步研究；文献[3-5]对互补发电系统动态模型及变工况特性做了诸多研究。 通过模拟将太阳能热分别引入（200～1000）MW 等多个不同容量的亚临界或超临界机组进行联合发电。 结果表明，被引入的燃煤机组容量越大，太阳能的光热转化效率就会越高。

综上所述，利用太阳能辅助燃煤发电并预热燃煤电厂给水为一种高效、 经济的太阳能热利用方式，既可以降低煤耗、污染物排放和碳排放，也可以提高太阳能发电量的比例和整个系统的热效率。 同时，相比纯太阳能机组，互补发电系统拥有更优的变工况特性和经济性。

1 太阳能辅助燃煤发电系统

目前，燃煤机组在朗肯循环的基础上，大多采用回热系统和再热系统来提高平均吸热温度和整个系统的热效率。 典型的槽式太阳能辅助燃煤发电的系统如图1 所示。

图1 太阳能与燃煤电厂互补发电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of complementary power generation system between solar and coal-fired power plants

该系统主要由锅炉、汽轮机、给水加热器、发电机、凝汽器等部件构成。 来自凝汽器的凝结水通过给水泵加压和若干级加热器预热后进入锅炉，随后在锅炉中吸收煤粉燃烧释放的热量产生高温高压蒸汽（又称主蒸汽）。 主蒸汽在汽轮机高压缸膨胀做功，其中一部分主蒸汽被逐级抽取进入高压给水加热器预热给水，未被抽取的高压缸排汽（又称再热蒸汽）则再次进入锅炉再热。 与主蒸汽类似，进入汽轮机中低压缸的再热蒸汽一部分被逐级抽取进入除氧器和低压给水加热器预热给水，剩余的部分则膨胀做功， 其排汽则进去凝汽器冷却成为冷凝水，完成整个蒸汽循环过程。

槽式太阳能集热系统和油水换热器则是原燃煤机组经改造后新增的系统，其中，槽式太阳能集热系统主要由槽式太阳能集热场和储热系统构成。 经过槽式太阳能集热场吸收的太阳能加热传热介质（通常用导热油），传热介质通过油水换热器加热部分给水， 从而将太阳能热引入到燃煤机组，达到替代部分汽轮机抽汽量的作用，被“节省”的抽汽可以留在汽轮机继续做功，从而增加单位蒸汽量的做功量。当太阳能提供的热量超出燃煤机组所能接纳的范围时，多余的热量则被储能系统储存，以便在太阳能辐照不足时，为集热系统补充能量。

2 子系统建模

2.1 太阳能集热场子系统

抛物面槽式集热场输出的净太阳能热等于集热场吸收的太阳能减去集热场的热损失，即：

2.2 汽轮机及回热子系统

如图1 所示，互补发电系统的回热子系统是由典型的“三高四低一除氧”结构组成。 太阳热的引入将导致汽轮机回热系统的流量发生变化，即：

2.3 锅炉子系统

锅炉子系统模型主要基于热力学第一定律：煤燃烧所放出的热量等于主蒸汽和再热蒸汽吸收的热量之和。 即

2.4 评价指标

3 互补发电系统的瞬态特性

将国内某330 MW 机组为研究对象， 以我国西藏拉萨地区的气象条件为例进行案例研究。

3.1 太阳能热输入对主蒸汽流量的影响

互补发电系统在x%（x=100，75，50）负荷下，流量随太阳能热输入的变化情况如图2 所示。

图2 不同工况下主蒸汽流量随太阳能输入量的变化Fig.2 Variation of main steam flow rate with solar input under different working conditions

如图可见， 每张图中都有2 个拐点，Q1，x%为刚好替代第3 级抽汽所需要的太阳能热输入量，Q2，x%为刚好替代全部高压加热器所需的太阳能热输入量；每张图均展现了相似的变化趋势；每张图均被Q1，x%和Q2，x%分为以下3 个区域：

①当0≤Qsolar，x%

②当Q1，x%≤Qsolar，x%

③当Q2，x%≤Qsolar，x%<时， 全部高压抽汽被太阳能完全取代， 系统已无法接纳更多的太阳能热输入，太阳能输入量继续增加时，主蒸汽、再热蒸汽流量相等并保持不变。 多余的太阳能将被舍弃或被储蓄系统储存。

3.2 太阳能热输入对太阳能热电转化效率的影响

太阳能热电转化效率定义为太阳能热输入与太阳能发电量的比值。 它与太阳能热输入量的变化情况如图3 所示。

类似地，对于100%，75%和50%，同样被Q1，x%和Q2，x%分为以下3 个区域：

①当0≤Qsolar，x%

②当Q1，x%≤Qsolar，x%

③当Q2，x%≤Qsolar，x%时，随着太阳能热输入量的增加，太阳能热电转化效率大幅下降。

图3 不同工况下太阳能热电转化效率随太阳能输入量的变化Fig.3 Variation of conversion efficiency of solar energy with solar input under different operating conditions

基于3.1 节所得结论， 被太阳能取代的抽汽分别为第3 级、第2 级和第1 级。 随着被替代抽汽压力的增加，太阳能热电转化效率也逐渐提高。 但当太阳能输入量超过Q2，x%，多余的太阳能输入将被储存或舍弃，因此太阳能热电转化效率下降。

4 结语

以太阳能辅助燃煤发电系统为研究对象，对系统的主要子系统进行了模型建立，并对不同负荷下的互补发电系统进行了瞬态模型研究，基于年性能进行了蓄热量的优化研究。 研究发现，太阳能的主蒸汽、再热蒸汽流量随着太阳能热引入量的变化分为3 个区域；当太阳能热刚好替代全部高压加热器时，太阳能热电转化效率最高。