太陽能光煤互補電站的優(yōu)勢及存在問題

太陽能光煤互補電站的優(yōu)勢及存在問題

0太陽能熱發(fā)電技術(shù)燃料行業(yè)的節(jié)能措施主要分為兩種類型：結(jié)構(gòu)節(jié)能和技術(shù)節(jié)能。目前,我國已新建多座高參數(shù)、大容量的火電機組,其效率已接近或達到國際先進水平,由于材料技術(shù)及投資成本等諸多方面的限制,欲通過結(jié)構(gòu)節(jié)能,即進一步提高機組參數(shù)以實現(xiàn)節(jié)能,其潛力已受限制。而通過技術(shù)節(jié)能,即引入新技術(shù)、新能源以實現(xiàn)節(jié)能,成為當前的首要選擇,同時可實現(xiàn)可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用,太陽能熱利用技術(shù)便是其中的一種重要手段。太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線主要有4種應(yīng)用形式:槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和菲涅耳式系統(tǒng)。槽式太陽能系統(tǒng)由于集熱溫度與燃煤機組熱力系統(tǒng)溫度范圍較為匹配,因此選擇槽式太陽能與燃煤火電進行互補發(fā)電。目前,在國外槽式太陽能已經(jīng)具備工業(yè)化推廣條件,且有歷史運行業(yè)績,在我國也具備推廣條件。本文以我國首個太陽能光煤互補示范電站為研究對象,基于所建立的太陽能光煤互補示范電站分析模型,研究若配建儲能系統(tǒng)的示范電站在典型氣象條件與負荷工況下,電站光場與儲能部分運行模式,并定量分析系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門組的流量分配特性。1太陽能光煤互補電站的工藝流程燃煤電站進行回熱抽汽的目的是加熱給水,減小鍋爐吸熱量與換熱溫差,以提高經(jīng)濟性?；诖?采用太陽能集熱器所產(chǎn)生的熱油作為換熱流體加熱給水,全部或部分取代燃煤消耗熱量。根據(jù)不同熱需求,調(diào)節(jié)熱油流量與溫度,使鍋爐給水溫度達到設(shè)計參數(shù),被取代蒸汽或熱量繼續(xù)在汽輪機中做功,這樣可以達到在不增加鍋爐與系統(tǒng)熱負荷的情況下增加了功量輸出,顯著提高火電機組運行經(jīng)濟性。帶儲熱的太陽能光煤互補電站基本流程如圖1所示,與傳統(tǒng)燃煤機組流程類似,區(qū)別在于增加了由帶儲熱的槽式太陽能集熱器。按照系統(tǒng)流程可將其劃分為太陽能側(cè)與火電機組側(cè)2部分,其中太陽能側(cè)為圖1所示虛框部分,而火電機組側(cè)為虛框外側(cè)部分。太陽能側(cè)主要包括3個部分:集熱循環(huán)系統(tǒng),蓄熱循環(huán)系統(tǒng)和換熱循環(huán)系統(tǒng)。集熱循環(huán)系統(tǒng)部分由長600m的標準槽式集熱器組成,蓄熱循環(huán)系統(tǒng)包括熱熔融鹽罐、冷熔融鹽罐和油鹽換熱器,換熱循環(huán)系統(tǒng)包括油水換熱器。導熱油、熔融鹽和給水在相應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)進行能量交換。閥門A、閥門B、閥門C為控制槽式太陽能系統(tǒng)換熱與儲熱的閥門組。通過分配不同閥門流量,可以實現(xiàn)互補發(fā)電模式下的太陽能資源最大化利用。2自然恢復運行工況受天氣、季節(jié)等自然條件的影響,太陽能輻照強度存在較大的不穩(wěn)定性。為了保證太陽能光煤互補電站穩(wěn)定運行,避免出現(xiàn)收集太陽能不能有效利用等情況,可以采取蓄熱措施。實際運行中,根據(jù)太陽能輻射強度,將運行工況分為3類:輻射強度高于臨界值、輻射強度低于臨界值和輻射強度為0。其中,太陽能輻射臨界值定義為設(shè)計工況下?lián)Q熱器中設(shè)定油水換熱出口溫度時所需要的熱量。2.1集熱器流量計計算當太陽輻射資源充足,即太陽直射總強度G大于太陽直射強度臨界值Gm時,集熱器吸收太陽輻射后與換熱流體交換的熱量Q3已經(jīng)能滿足換熱器中油水換熱所需要的熱量Q4。換熱流體從集熱器獲得的熱量分成2部分,一部分用于滿足換熱器的換熱需求,另一部儲存于蓄熱器中。為便于計算,假設(shè)換熱流體在管道中流通時沒有熱量損失。閥門A流量qm1為式中:THTF為換熱流體溫度;T6為換熱器出口油溫。該流量流向為集熱器流向換熱器。閥門B流量qm2為式中:qm3為集熱器出口流量,即為閥門C流量。該流量流向為集熱器流向蓄熱器。2.2蓄熱器放熱狀態(tài)當太陽輻射較弱,即G小于Gm時,此時,集熱器收集的熱量Q3不足以滿足換熱器中油水換熱所需的熱量Q4,即Q3<Q4。若(Qsto+Q3)>Q4,則蓄熱器和集熱器同時向換熱器提供熱量,此時蓄熱器處于“放熱”狀態(tài)。其中,Qsto為蓄熱器所貯存的熱量。閥門B流量qm2為式中:Tsto為蓄熱器儲熱罐中的溫度。該流量流向為蓄熱器流向換熱器。閥門A流量qm1為該流量流向為蓄熱器流向換熱器。若(Qsto+Q3)<Q4,此時蓄熱器內(nèi)貯存的熱量和集熱器吸收的太陽輻射熱量總和都不足以提供換熱器油水換熱所需的熱量Q4,則關(guān)閉閥門A,開啟閥門B,集熱器吸收太陽輻射熱量Q3流入蓄熱器,蓄熱器處于“充熱”狀態(tài)。閥門B流量qm2=qm3,由集熱器流向蓄熱器。閥門A流量qm1=0。2.3qm1[c]此時,集熱器無法對換熱器充熱,也無法向換熱器提供熱量。如果Qsto>Q4,則關(guān)閉閥門C,閥門A和閥門B流量相等,即qm1=qm2=(Q4-Q3)/[c(Tsto-T6];如果Qsto<Q4,則關(guān)閉閥門A、B、C,切斷太陽能驅(qū)動油水換熱系統(tǒng),恢復原火電熱力系統(tǒng)運行工況。3具有蓄熱式太陽能光煤互補站的功能特點3.1系統(tǒng)主要參數(shù)本文以某50MW燃煤機組為研究對象,通過建立帶蓄熱的太陽能驅(qū)動油水換熱器的太陽能光煤互補發(fā)電系統(tǒng)模型,研究機組在不同氣象條件下的運行模式。該50MW機組的主要系統(tǒng)流程如圖1所示。本文選取的光煤互補電站槽式太陽能光場為4組聚光器組成的聚光集熱系統(tǒng)回路。每個聚光器由12個相同模塊組成,共約150m長,開口長度為5.77m,集熱器間距為16m。聚光集熱系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。光煤互補電站站址位于典型的中國大陸性荒漠,海拔1500m左右,中溫帶干旱氣候區(qū),具有降水少、蒸發(fā)大、日照長、風沙大、植被稀少等特征。根據(jù)相關(guān)資料,年均氣溫為6.7~7.7℃,年日照3000h以上,太陽能資源豐富,屬于我國太陽能資源較為豐富的一類地區(qū)。根據(jù)當?shù)爻Ｄ隁庀髷?shù)據(jù)與美國國家可再生能源實驗室數(shù)據(jù),經(jīng)測算年均直接輻射值為1970kW·h/m2,水平總輻射值為1699kW·h/m2,平均風速3.1m/s。選取夏季某天太陽輻照強度參數(shù)作為典型日,其輻照強度隨時間變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出,05:30后太陽出山,太陽輻照強度繼續(xù)增強,并在12:30~01:30達到最大值。隨后,輻照強度迅速降低,在晚上20:00時太陽落山。3.2以太陽輻照強度為調(diào)節(jié)和放熱過程的運行過程由于光煤互補電站太陽能光場提供熱量有限,為便于說明帶蓄熱的系統(tǒng)的運行模式。研究中采用圖1中示意圖的連接方式,且通過閥門分流20t/h給水用于進入槽式太陽能系統(tǒng),未分流部分給水仍然通過原火電機組熱力系統(tǒng)流程。經(jīng)模擬計算,電動閥門A、B、C處的流量隨時間變化曲線如圖3所示,其中假設(shè)對蓄熱器儲熱時,流過電動閥B的流量為正值,反之為負。計算過程中忽略了過程損失和換熱損失。由圖3可知,太陽出山之前,即06:30以前關(guān)閉閥門A、B、C,火電側(cè)按原火電熱力系統(tǒng)運行方式運行。在06:30~07:30太陽輻射較弱時,閥門A流量為0,即閥門A閉合,閥門B、C逐漸開啟。此時,槽式太陽能集熱器所吸收熱量不足以支持機組熱需求,收集到的熱量全部存儲到蓄熱器中,火電側(cè)仍然按原火電熱力系統(tǒng)運行方式運行。07:30~09:30,隨著太陽輻照強度的不斷增強,雖然集熱器所提供的熱量不足以滿足油水換熱器的需求,但集熱器和蓄熱器熱量之和足以滿足所設(shè)定的油水換熱器需求,則開啟閥門A、B、C,由集熱器和蓄熱器同時供應(yīng)熱量與鍋爐給水換熱,此時閥門B的流量為負值,即放熱過程。10:30~17:30,隨著太陽輻照強度的進一步增強,集熱器吸收到熱量可以滿足設(shè)定的油水換熱器需求,此時閥門A、B、C均開啟,集熱器對鍋爐給水提供換熱的同時對蓄熱器進行蓄熱。18:30~19:30,太陽輻照強度下降,此時蓄熱器和集熱器共同向油水換熱器提供熱量。開啟閥門A、B、C,此時閥門B的流量數(shù)值為負值,即放熱過程。19:30~20:30太陽落山后,由于蓄熱器內(nèi)有足夠維持油水換熱器運行的熱量,由蓄熱器單獨提供油水換熱。開啟閥門A、B,關(guān)閉閥門C,蓄熱器處于放熱狀態(tài)。待21:30以后,雖沒有太陽能輻射熱量,但蓄熱器內(nèi)熱量可以維持油水換熱器6h換熱,蓄熱器處于放熱狀態(tài)。之后由于熱量不足滿足熱需求,電廠機組切換回原運行狀態(tài)。從圖3中還可以看出,光煤互補電站若加入了蓄熱器,并采用了合理的運行,流過閥門C的流量保持穩(wěn)定,太陽能側(cè)提供給鍋爐給水的換熱量也可以一直維持穩(wěn)定,因此可以確?；痣姍C組熱力系統(tǒng)穩(wěn)定運行,延長設(shè)備使用壽命。4帶儲熱光煤互補電站運行模式利用太陽能集熱系統(tǒng)輸出熱量與燃煤機組熱力系統(tǒng)耦合,以油水換熱器為熱交換樞紐將太陽能熱量輸入燃煤機組熱力系統(tǒng)取代部分燃煤熱量,從而實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電的目的。本文基于實際太陽輻照強度和某50MW燃煤火電系統(tǒng)參數(shù),研究特定的帶儲熱光煤互補電站在不同的太陽能輻