太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究 姓名：郭仲德 申请学位级别：硕士 专业：动力工程及工程热物理;热能工程 指导教师：张树芳 2011-03 摘 要 i 摘 要 节能减排是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。作为全国煤炭消耗 大户，火力发电厂的节能任务意义重大。太阳能与火电厂一体化发电系统是将太阳 能引入常规燃煤发电机组组成的发电系统，为火电机组的节能减排和太阳能大规模 利用提供新途径。 对太阳能集热器的种类以及太阳能与火电厂不同的集成运行方式进行分析比 较，认为选择利用抛物面槽式集热器收集太阳辐射能最为合理，以及太阳能与火电 厂回热系统的一体化较为可行，从而确定为该一体化系统作为的研究对象。 依照从简单到复杂的分析思路，首先深入研究单纯燃煤机组的定热量等效热降 理论，采用严格的数学推演，推导定热量条件下辅助汽水做功损失的通用矩阵，建 立单纯燃煤机组的定热量等效热降矩阵方程，完善定热量等效热降的理论体系。在 此基础上，应用基于定热量等效热降矩阵方程的分析方法，构建一体化系统的定热 量等效热降矩阵方程，该矩阵方程包含一体化系统的所有信息，与一体化系统结构 一一对应，具有很强的通用性和规律性，适合于计算机编程计算和通用性计算软件 的开发，从而完成太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性分析。 以某 600mw 再热机组为例， 结合每一方面的分析， 给出相应的算例分析结果， 计算结果验证矩阵方程的正确性。 关键词：太阳能，燃煤机组，定热量等效热降，热经济性，矩阵方程 华北电力大学硕士学位论文 ii abstract energy saving and emission reduction is the inevitable choice to construct a resource saving and environment-friendly society. it is significant to save energy on power plant which cost great amount of coals in the country. integration power system of solar and power plants, which integrates solar energy into the conventional coal-fired unit, provides new way to energy conservation in coal-fired plants and large-scale use of solar. contrasting different types of solar collector and different mix-running types of power plant with solar and coal, we find that the integrating system of combining regenerative system in power plant with solar energy which uses parabolic trough solar thermal collectors is the best choice, so we choose this integrating system as investigated subject. according to the analysis method which is from simpler to more complex, the theory of the constant-heat equivalent enthalpy drop is firstly analyzed. via strict deduction and demonstration, a general matrix for the energy loss of auxiliary steam-water components under the constant-heat condition is deduced, and then constant-heat equivalent enthalpy drop matrix equation of coal-fired unit is demonstrated so as to complete constant-heat equivalent enthalpy drop method. based on the analysis of constant-heat equivalent enthalpy drop matrix equation, the constant-heat equivalent enthalpy drop matrix equation of the integrating system is derived. this equation includes all information of the integrating system and corresponds with the structure of integration thermodynamic system, so it is universal, regular and suitable for computerization and calculation software development and thermal economic analysis on the integrating system of combining regenerative system in power plant with solar energy is accomplished. taking 600mw reheat unit as an example, the present article analyzes very aspect. results verify that the matrix equation is correct. keywords: solar energy; coal-fired unit; constant-heat equivalent enthalpy drop method; thermal economy; matrix equation 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文太阳能与火电厂回热系统一体化 的热经济性研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性研究 系本人在华北电力大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“”） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及意义 能源是全人类、全世界共同关心的问题，是社会发展和人类活动的物质基础， 随着社会的发展，能源的需求也在不断扩大。从能源的供应结构来看，目前世界上 消耗的能源主要来自煤、石油、天然气三大资源，不仅利用率低，而且对生态环境 造成严重的污染。为了缓解能源矛盾，应积极开发太阳能、风能、潮汐能以及生物 质能等清洁和可再生能源。开发利用新能源和可再生能源是实现能源可持续发展战 略的重要内容之一。其中太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，可利用量巨 大。近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得 了长足发展，成为快速、稳定发展的新兴产业之一。 1.1.1 我国的能源现状 中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。能源供给持续增长，为经济社 会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发 展空间。中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安 全，正在发挥着越来越重要的积极作用。 我国在“十一五”期间提出了单位 gdp 能耗下降 20%的节能目标，我国政府 正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基 本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出 位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作 出更大贡献。节能工作得到了政府前所未有的高度重视。作为每年消耗全国煤炭总 消耗量 50%以上的火力发电厂，节能任务意义重大。 1.1.2 太阳能的特点和优势 目前全球气候变暖和环境污染问题很大一部分原因是由于长期大量化石燃料 能源结构。随着风能、太阳能、生物能等可再生能源的开发与利用，它们在能源结 构中的作用日益重要与比例逐渐提高。其中太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能 华北电力大学硕士学位论文 2 源，它不受地理位置限制、无需消耗燃料、安全可靠、无污染，并且无噪声。但是 昼夜、季节、天气等因素将会影响着太阳能强度的变化，因而仅用太阳能作为唯一 热源要实现连续、稳定的大功率发电，需要建立庞大的蓄热系统与之相配套使用， 从而大大增加了发电成本。太阳能发电技术虽然有商业化应用的业绩，但投资大、 成本高等缺点障碍了太阳能发电技术大范围和大规模商业化的推广。 另一方面，目前，我国正在大力推行着“上大压小”项目，在建设大容量、高 参数、低消耗、少排放机组的同时，相对应地关停一部分小火电机组。但是大发电 机组的效率已接近或达到国际先进水平，通过进一步提高参数、增大容量来提高机 组效率从而降低能源消耗和减少污染排放有赖于金属材料等技术的发展，因此单纯 的依靠机组 “内部” 进一步节能降耗可挖掘的潜力正在逐渐缩小， 应该通过增加 “外 部”能源来进一步减少机组的燃煤消耗，实现深层次的技术节能，而太阳能这一清 洁的可再生能源正是理想的“外部”能源之一1。如果我们能够把太阳能产生的热 量直接引入常规燃煤电厂，从而降低投煤量，即采用太阳能与燃煤的一体化发电， 必将大大提高火电厂的效率，为火电厂的节能工作开辟一种全新的途径。采用太阳 能与燃煤的一体化发电， 可以解决可再生能源不连续的问题， 并促进太阳能的应用， 同时可以缓解化石能源紧张减少环境污染。 1.1.3 国内外研究现状 太阳能发电技术按利用方式主要分为太阳能光发电和太阳能热发电，光伏发电 则是利用光生伏打效应，将太阳辐射直接转换为电能。在这两种发电模式中，人们 普遍认为热电技术能比光伏系统更快地发出投资效益比的电力。本文主要研究的是 利用太阳能热发电的技术。太阳能热发电是未来利用太阳能进行大规模发电的一个 重要技术途径。从 20 世纪 70 年代初石油危机后，世界主要发达国家如美国、西班 牙、德国等都逐步开始大规模太阳能热发电的研究，取得了大量的成果。由于关键 技术有待重大突破，目前国外塔式、槽式、碟式系统都还面临着投资大、成本高的 问题。 由中国工程院院士、南京市科协主席张耀明主持研制的中国首座 70 千瓦塔式 太阳能热发电系统昨天通过专家验收鉴定。这个取名为“东方一号”的示范工程填 补了我国太阳能热发电技术空白，走出了我国太阳能热发电技术多年徘徊不前的困 境，揭开了太阳能热发电技术研究全新一页，为国家建设兆瓦级太阳能热发电系统 奠定了基础。发展太阳能热发电技术是国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020 年)规划的重要研究任务。 “十一五”期间，国家 863 计划设立了“太 阳能热发电技术及系统示范”重点项目，其目标是完成容量为 1mwe 的太阳能塔式 华北电力大学硕士学位论文 3 实验电站建设，建立太阳能热发电实验系统和实验平台。 但是单纯太阳能热发电系统因其高额的初投资和较低的热力性能一直阻碍着 它进一步的商业化进程。在单纯燃煤机组的设计基础上，合理集成太阳能热量的太 阳能辅助燃煤热发电系统， 可大大降低太阳能热发电的投资和风险2-4， 是太阳能大 规模利用和火电机组技术节能的一个有效途径5-11。同时，与化石能源相结合的多 能源综合利用的总能系统不仅可以缓解化石能源储量的有限性，减少对环境的污 染，而且可以利用化石能源的可调整性来解决太阳能固有的间歇性问题。为此，太 阳能与化石能源结合的复合热发电系统得到了广泛关注。自 1997 年，国际能源署 iea 和 solarpaces 根据能源可持续发展战略，将太阳能与化石能源相结合的集热 式太阳能复合热发电系统列为二十一世纪近期和中期太阳能热利用的发展目标。近 年来，国外关于太阳能与化石燃料机组混合发电技术的研究比较多，而且还建有一 定的试验机组12-18。1996 年，全球环境署(global environment facility)同意为在印 度的整体太阳能联合循环系统抛物面槽式工程提供 49 百万美元的资助；之后又决 定为在埃及、摩洛哥和墨西哥的 isccs 系统分别提供 50 百万美元的资助。除与燃 气蒸汽联合循环复合发电之外，近年来一些研究机构还进行了与燃煤电站复合的研 究。 澳大利亚与德国的太阳能热动力公司(shpeurope)合作， 拟在澳大利亚建立太阳 能燃煤联合发电厂，整个联合发电装置的总装机容量达到 2000mw。 近年来，国外关于太阳能与化石燃料机组混合发电技术的研究比较多，主要对 太阳能与燃气-蒸气联合循环、 太阳能与化石燃料锅炉以及与火电机组热力系统结合 的系统进行了研究。这些研究在案例分析、常规的经济性评估和可行性分析上做了 大量的工作。日前，我国仍未建有太阳能-燃煤联合发电厂，但我国有学者在耦合方 式和集成方法中取得了研究成果19，同时，杨勇平等人成功申请了“太阳能和燃煤 机组混合的热发电系统”和“太阳能辅助燃煤火电厂一体化回热装置”的发明专利 20,21，侯宏娟等人成功申请了“抛物面槽式太阳能集热器辅助燃煤锅炉的混合热发 电系统”的发明专利22。日前我国在太阳能与燃煤机组混合发电的研究仍处于起步 阶段。 1.1.4 本课题研究的意义 目前，针对火电厂热力系统的分析与计算，方法较多，其中传统的热平衡方法 最为基础和精确，但传统热平衡方法的使用显得繁琐复杂，可变性较差。其它方法 在探讨太阳能加入热力系统后对机组运行性能的影响程度时通用性不尽理想，造成 计算机处理实现上的困难。而目前针对太阳能与火电厂一体化热发电系统的热经济 性分析的矩阵方程更是少见，因此研究出一种使热力系统结构特性完全转化为数字 华北电力大学硕士学位论文 4 语言，降低使用者专业知识的要求，避免使用过程中过多的人为判断而造成的主观 错误，从而能够更方便便捷地使用于计算机编程，为解决太阳能与火电厂一体化热 发电系统的热经济性分析提供更为科学和方便实用的技术手段，对太阳能与火电厂 一体化热发电系统的长期发展具有重要的意义，为太阳能与火电厂一体化系统的热 经济性分析提供新方法。 1.2 热力系统节能理论的研究现状 1.2.1 热力系统节能理论概况 火电机组热力系统热经济性节能理论是火电厂节能降耗的理论分析基础，其研 究具有重要的意义，具有很高的应用价值。它既是热力系统设计、节能改造的理论 基础，又是火电厂热力系统优化运行在线监测的实用理论。火电机组热力系统节能 理论种类繁多，比较典型的有：常规热平衡法23、循环函数法24、等效热降法25、 常规热平衡简捷算法(q- 方程，亦称汽水分布矩阵方程)26 、质量单元矩阵分析 法27、基于能效分布矩阵分析法28、自由路径法、热(汽)耗变换系数法、热量品位 系统法等。其中常规热平衡法、循环函数法和等效热降法比较成熟，被广泛使用于 生产和研究领域。这里重点介绍这三种方法以及矩阵分析法。 1.2.2 常规热平衡法 常规热平衡法是电厂热力系统分析的基本方法，其基本理论依据是能量平衡和 质量平衡，是热力学第一定律在火电厂热力系统计算中的直接表述。对加热器从高 压到低压逐级求解抽汽系数，再代入吸热方程和功率方程得到系统的热经济指标。 其原理概念清晰，计算精度高，其计算结果往往用于其他方法有效性验证的参考和 标准。但该方法计算较为复杂繁琐，尤其目前大容量，高参数机组系统更是趋于复 杂，使得热平衡方程变得越来越复杂，增加了计算难度，进入 20 世纪 90 年代，随 着计算机的发展和普及，计算工作量大已不是制约该方法广泛应用的主要问题。并 且常规热平衡法通用性不佳，当系统发生变化或者需要分析设备对系统热经济性的 影响时，需要重新全盘地作整体计算进行比较分析，这无疑增加了计算机编程的工 作量，而且编程过程中可能造成遗漏。因此，它较少直接用于热力系统热经济性的 在线分析计算。 华北电力大学硕士学位论文 5 1.2.3 循环函数法 循环函数法是由马芳礼高级工程师所创立的一种新型的热力系统分析方法。循 环函数法是根据热力系统的参数，用热平衡方法列出计算系统热经济性的基本和综 合特性系数的函数以及计算方程式，用以分析和比较热力系统或系统及其局部热力 系统变化所引起的热经济性的变化。 复杂的循环可以分解为若干个较简单的循环，同理由多个简单或较简单的独立 循环亦可叠加组成一个复杂的循环，循环是闭合的。循环函数法是将任一复杂的热 力循环及其系统，分解为主循环和若干相互耦合的辅助循环。主循环是不考虑任何 附加成分的回热系统，分别计算主辅循环的热经济指标，最后综合成实际的整个热 力循环的热经济指标。该方法能够较好适应计算复杂热力系统，也适用于局部定量 分析，它采用单元进水系数来计算凝汽系数，无需联立求解(z+l)元方程，只要给定 循环参数和热力系统，可根据相应的通式直接列出其函数方程，将有关的汽水参数 值代入即可求出，简化了计算。但是，由于循环函数法对使用者的专业理论知识要 求较多，推导繁琐，通用性仍不够理想，在进行实际热力系统的分析计算时，往往 会由于对某些辅助循环考虑的不周或遣漏，从而造成最终计算结果的误差，也是制 约其广泛应用的不可忽视的因素。 1.2.4 等效热降法 等效热降法是在70年代逐步发展起来形成了完整的理论体系的一门热工理论。 在我国，该方法在热力系统节能分析中得到了推广应用。作为一种新的热工理论， 其前提是新蒸汽流量不变，以新蒸汽流量不变为前提，要求循环的初终参数和汽轮 机汽态过程线保保持不变，而以内功率的变化(等效热降 hj)来分析热力系统的热经 济效益。在热力系统分析中，首先求出等效热降 hj和抽汽效率 j，并将它们视为一 次性参数给出。等效热降法既可用于整体热力系统的计算，也适用于热力系统局部 定量分析。它摒弃了常规热平衡法的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统变化 的经济效益。即用简捷的局部运算代替整个系统的复杂运算。另外，在考虑了附加 成份后，该方法可单独求出这些附加成份对整个系统热效率的影响，从而大大简化 的分析过程。但是在分析设备对热力系统热经济性影响时，加热器进出口焓可能发 生了改变而使得各级等效热降 hj和抽汽效率 j，这时如果那将各级等效热降 hj和 抽汽效率 j视为一次参数，则计算结果具有近似性。 华北电力大学硕士学位论文 6 1.2.5 矩阵分析法 矩阵分析法是多种方法的统称，它们的一个共同点在于应用矩阵的数学形式。 其中以常规热平衡简捷算法汽水分布矩阵方程研究较为广泛。它是以系统的热平衡 原理为基础列出热平衡线性方程组，将其组成热力系统的结构矩阵进行求解，因而 具有非常高的精确度。当热力系统的结构发生改变时，只需调整矩阵的维数和系数 矩阵即可应用，使热力系统的计算更加简明、层次清楚。随着计算机的普及及计算 技术的发展，这类分析方法是当前热力系统分析计算方法的主流研究方向，研究较 为活跃。这类分析方法突出特点是“数”与“形”的结合，即：矩阵结构与热力系统结 构一一对应，矩阵中矩阵元素数值与热力系统中相关热力参数一一对应。在进行热 力系统计算时，主系统、辅助汽水系统输出和接受外热等都有各自的结构矩阵。针 对不同的热力系统，将这些矩阵变化后叠加，就得到需要计算的矩阵模型。其良好 的通用性使其能够很好的适用于计算机的编程计算。矩阵分析法计算热力系统热经 济性指标，将在领域内更多地被推广应用。 1.3 本文的主要研究内容 针对我国以煤炭为主的能源资源现状和太阳能热发电技术的特点，进行太阳能 -燃煤混合发电系统的研究具有十分重要的意义。 通过太阳能热利用系统将太阳能热 量引入常规燃煤机组的回热系统可集成太阳能与燃煤混合热发电系统，称为太阳能 与火电厂回热系统一体化热发电系统。太阳能热利用系统与燃煤机组集成方案的选 取是太阳能与燃煤机组一体化热发电系统实施的重要基础。 主要内容如下： (1) 研究槽式、塔式、碟式太阳能热利用的特点、应用现状和发展趋势。分析 和比较典型的太阳能和燃煤机组的集成方式、应用条件的基础上，选择出合理的集 成系统和方式作为主要研究对象。 (2) 分析现有典型的常规火电机组热力系统的热经济性定量分析方法，针对计 算模型所存在的近似性，提出一种新的改进算法，与矩阵法结合起来，通过严格数 学推导，构建一种适于热经济性定量分析的矩阵计算方程。 (3) 在上述分析研究的基础上，详细分析研究太阳能集热器在所提出的矩阵分 析计算方法中的表达形式，将太阳能集热器适当地表达在所构造的矩阵方程中，构 建太阳能与火电厂回热系统一体化热发电系统热经济性分析的矩阵方程，并探讨方 程的结构特性及使用规则。 华北电力大学硕士学位论文 7 (4) 以国内典型火电机组的技术数据为依托，计算、验证所推导的矩阵方程的 正确性，并分析太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性。 华北电力大学硕士学位论文 8 第 2 章 集热系统和集成方式的比较与选择 太阳能具有储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和经济性等优点，但 由于受到昼夜、季节等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机天气因素的影响 而具有间歇性的缺点。 如果单纯利用太阳能发电， 则往往需要配置昂贵的蓄能系统， 以维持太阳能热发电系统的稳定运行，避免系统频繁的启停机和频繁的负荷变动。 昂贵的导热油蓄热介质，大大增加了发电系统的投资和发电成本。如果能将太阳能 引入常规燃煤电厂组成太阳能与燃煤机组一体化发电系统，则供应太阳能补入燃煤 电厂可以降低燃煤机组的煤耗，缓解化石能源紧张；在太阳能供应不足时，完全由 燃煤机组进行发电。这样，成熟的燃煤发电技术与太阳能优势互补，有效地解决太 阳能利用的间歇性问题，降低了开发利用太阳能的成本，降低二氧化硫和二氧化碳 的排放从而减少环境污染。太阳能集热器的选择和集成方式的选取和研究是太阳能 辅助燃煤热发电系统实施的重要基础。 2.1 太阳能集热系统 当前的太阳能热发电系统可以分为单纯太阳能热发电系统和与其他化石燃料 互补的混合太阳能热发电系统。不论哪种发电模式，都是采用太阳能集热器收集太 阳能热量，之后进行热功转换。 集热器是吸收太阳辐射能转换为热能的装置。主要包括聚光装置、接收器和跟 踪机构等部件。不同的功率和不同的工作温度有其合适的结构。100以下的小功 率装置，多为平板式集热器。对于在高温条件下工作的太阳能热发电系统来说，必 须采用聚光集热装置来提高集热温度，从而提高系统效率。太阳能热发电系统中， 按照集热器收集太阳能辐射的方式不同集热器可以分为塔式太阳能集热器和碟式 太阳能集热器，槽式太阳能集热器。 2.1.1 塔式系统 塔式太阳能集热器在很大面积的场地上装有许多台大型反射镜（定日镜） ，利 用这些独立地准确跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器 上， 产生高温。 1982 年， 美国在南加州巴斯托建成了第一座塔式太阳发电系统装置， 华北电力大学硕士学位论文 9 太阳塔采用水-蒸汽系统，发电功率为 10mw。1992 年，装置经过改装，用于示范 熔盐接收器和储热系统。由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高 达 65%。熔盐在接收器内由 288加热到 565，然后用于发电。第二座太阳塔系 统于 1996 年建成开始发电，试运行三年进行评估，实践不仅证明熔盐技术的正确 性，而且将进一步加速 30-200mw 范围的塔式太阳能系统的商业化进程。近年来， 以色列 weizmanm 科学研究所正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的 定日镜，将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜抛物镜上，然后由其将阳 光向下反射到位于初级反射镜下面的次级反射镜复合抛物聚光器，最后由复合 抛物聚光器将阳光聚焦在其底部的接收器上。 通过接收器被加热到 1200的气体推 动一台汽轮发电机组，而 500左右的排气可以用于推动另一台汽轮发电机组，从 而使系统的总发电效率提高到 2528%。 图 2-1 塔式系统 2.1.2 碟式系统 碟式系统由盘状抛物面反射镜聚光集热器组成，接收器在抛物面的焦点上，由 于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，接收器内的传热工质被加热到 750左右， 进而驱动发动机进行发电。这种系统可以独立运行，适用于无电边远地区作为独立 电站，一般功率为 1025kw。25kw 是经济规模，因此成本更加低廉，而且适用于 更大规模的离网和并网应用。碟式（又称盘式）太阳能热发电系统是世界上最早出 现的太阳能动力系统。近年来，盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量比更 小的空间电源。1996 年美国在电力部门进行实验，1997 年开始运行。由于碟式系 华北电力大学硕士学位论文 10 统光学效率高，启动损失小，效率高达 29%，效率之高在三类系统中位居首位。从 技术角度讲，碟式太阳能热发电系统相对于槽式和塔式系统技术难度高。hf 公司 目前正在研发的是一种新型的碟式发电系统，现已完成太阳能接收器技术的开发和 测试，接下来将重点详细设计和构建碟式聚光器，以及研发接收器、涡轮机和碟式 聚光器一体化技术。中国科学院电工研究所和某公司公司于 2004 年 6 月研制成功 的多碟式太阳能聚光器。这也是我国首次采用碟式太阳能聚光技术进行的太阳能热 发电。 图 2-2 碟式系统 2.1.3 槽式线聚焦系统 槽式线聚焦系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并 将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，进而推动常规汽轮机发电。其特点是 聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面镜聚光集热器串、并联组成。载热介质在 单个分散的聚光集热器中被加热或形成蒸汽汇集到汽轮机。槽形抛物面镜聚光集热 器就一种线聚焦集热器，其取光比较塔式系统低得多，吸收器的散热面积也较大， 因而集热器所能达到的介质工作温度一般不超过 400，属于中温系统。系统容量 华北电力大学硕士学位论文 11 可大可小，不像塔式系统只有大容量才有较好的经济效益；其集热器等装置都布置 于地面上，安装和维护比较方便；特别是各聚光集热器可同步跟踪，使控制成本大 为降低。 luz 公司 1980 年开始开发此类热发电系统， 5 年后实现了商业化。 可生产 14-80 mw 的系列化发电装置。该公司于 1985-1991 年间先后在美国加利福尼亚州南部 mojave 沙漠地区建成的 9 座大型商用槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统 （segsi-segsix），总容量 354mw，年发电总量 8 亿 kwh。随着技术不断发展， 系统效率由起初的 11.5提高到 13.6。建造费用由 5976 美元/kw 降低到 3011 美 元/kw，发电成本由 26.3 美分/kwh 降低到 12 美分/kwh29。 图 2-3 槽式系统 2.2 太阳能与燃煤机组的集成方式 太阳能与燃煤机组集成时，不同方案的选取需要考虑参数匹配，常规燃煤循环 中工质温度变化范围广泛，从几十度到 500 多度，为太阳能的集成选取提供了多种 方案。 燃煤机组做功工质水的吸热过程可分为预热、汽化和过热 3 个部分，分别在给 华北电力大学硕士学位论文 12 水回热加热器及省煤器、水冷壁和过热器中完成。这 3 个阶段中水的热力学性能是 不同的。太阳能热量用于不同的过程，其热经济性也不同。考虑到过热段的温度较 高且改造较为困难，主要在给水预热段和汽化段采用太阳能热能，引入太阳能的地 点不同从而形成三种不同的集成方式30。 (1) 太阳能场与机组回热系统并联的方式。 此模式中，太阳能集热器作为给水加热器运行，连接在凝汽器出口和锅炉省煤 器入口之间，如图 2-4。机组的凝结水从凝汽器流出后分为 2 股，一部分经由原来 的回热系统加热，另一股则经与回热系统并联的太阳能集热器场加热后，将凝结水 加热到最高一级高压加热器出口蒸汽参数相同，与回热系统出口的给水汇合，共同 输送给锅炉。对于这种方式，利用太阳能热辐射进行给水加热，由于太阳能场热量 的引入，在主蒸汽流量不变的情况下，几乎不影响锅炉的吸热量，但会影响汽轮机 通流部分的流量，减少了抽气量，从而可以使汽轮机组的做功增加，增加发电量。 1 号 太阳能集热器 2 号 3 号 4 号5 号6 号 7 号8 号 图 2-4 太阳能场与机组回热系统并联 (2) 太阳能场与锅炉汽化段的并联。 集热器场并行连接于传统燃料锅炉如图 2-5，从机组最高一级回热加热器输出 的给水，分成 2 部分，一部分经由原来在燃煤机组锅炉中设置的省煤器、水冷壁后 加热到饱和汽的状态；另一部分经由太阳能集热器场，利用太阳能加热到饱和汽的 状态后进入锅炉汽包，然后与前一部分混合后进入锅炉的过热器进一步被加热成过 热蒸汽，达到汽轮机进口温度。这种方式中，汽轮机中做功蒸汽是由太阳能集热器 和燃料锅炉共同加热的，即太阳能集热器代替锅炉部分放热，在主蒸汽流量不变的 情况下，只会影响锅炉的吸热量从而节省部分燃煤，做功蒸汽量不变的条件下，不 影响汽轮发电机组的发电量，并且能减少温室气体的排放量。 华北电力大学硕士学位论文 13 太阳 能集 热器 1 号 2 号 3 号4 号5 号 6 号7 号 8 号 图 2-5 太阳能场与锅炉汽化段并联 (3) 太阳能场与机组回热系统以及锅炉汽化段的并联。 将集成方式(1)、 (2)的布置方式相结合， 太阳能集热器与锅炉及给水回热加热器 并列运行如图 2-6。即从凝汽器出口流出的凝结水分为 2 股，其中一股经由太阳能 集热器场， 直接由其加热至给水压力所对应的饱和蒸汽状态， 之后输送入锅炉汽包， 与常规的锅炉汽包的饱和蒸汽汇合进入过热器再进一步加热。这种集成方式相当于 整合了前两种集成方式，因此汽轮发电机组的发电量也是增加的，同时，锅炉的吸 热量减小，减少了二氧化碳和二氧化硫的排放。 太阳能集热器 1 号 2 号 3 号4 号5 号6 号 7 号8 号 图 2-6 太阳能场与机组回热系统以及锅炉汽化段的并联 对于这三种混合发电模型，太阳能集热系统与回热系统并联产生蒸汽，部分回 热抽气返回汽轮机，汽轮机作功增加；集热系统与锅炉汽化段并联产生饱和蒸汽， 锅炉受热面吸热量减小，煤耗降低。与单纯的朗肯循环相比，发电量相同的条件下， 燃煤消耗降低。集热系统与机组回热系统以及锅炉汽化段的并联运行方式最为理 华北电力大学硕士学位论文 14 想，发电量增加的同时，燃煤消耗量降低。 2.3 集成方案的确定 2.3.1 集热器的选择 碟式系统效率最高，但槽式系统技术风险最低，适合于大功率、大规模地应用 于发电。20 世纪 90 年代以来，美国能源部通过“太阳能发电计划”，对槽式线聚 焦系统进行了考察和分析，确定了系统运行、维修的优化方案，对系统的自动化、 可靠性以及集热器的对准和净化等进行了分析。认为槽式电站的运行和维修成本可 以降低 30%左右，已可步入商业化应用。三种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了 商业化，其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能和前景29。槽式系统技术最 为成熟， 成本也比较低， 槽式太阳能集热器电站的性能和年效率也是三种中最高的。 槽式太阳能热发电系统结构紧凑，其太阳能热辐射收集装置占地面积比塔式和碟式 系统的要小 30%50%；且槽形抛物面集热装置的制造所需的构件形式不多，容易 实现标准化，适合批量生产。用于聚焦太阳光的抛物面聚光器加工简单，制造成本 较低，耗材最少。因此，虽然三种系统均可单独使用太阳能运行，也可安装成燃料 混合系统。但是经过综合考虑，本文采用槽式太阳能集热系统应用于燃煤电厂，进 行联合发电。 抛物面槽式集热器作为目前成本最低、技术最成熟的一种太阳能集热器，主 要有两种方式31,32，直接蒸汽产生系统和间接换热蒸汽产生系统。直接蒸汽产生系 统是抛物面槽式技术的一项先进技术，作为循环工质的水直接引入集热器场，利用 太阳热能直接加热后生成蒸汽或热水，其工质参数要求不高于 400/10mpa33。与 燃煤机组集成时，二者不仅有热量的传递，还有循环工质的交换，要同时考虑物质 流和能量流的匹配。另外，国外还建造了一定的试验电站对其进行了大量的试验和 研究34,35。间接换热蒸汽产生系统中中间介质吸收了太阳能后，加热朗肯循环的做 功工质水，工质参数可达到 375，在与燃煤机组集成时, 两系统间仅有热量的传 递。前者投资小，运行费用低，且换热效率高，是抛物面槽式技术的一个发展方向。 但后者压力参数不受限制。 2.3.2 一体化发电集成方式的选择 文献30，36-39对一体化集成发电系统进行了热经济分析。集成方式(2)即太阳 华北电力大学硕士学位论文 15 能场与锅炉受热面并联的集成方式最好，其燃料节省率最高，即燃料消耗率最低， 热发电效率也是最高的。太阳能场与机组回热系统并联时，其燃料节省率最低，即 燃料消耗率最高。 虽然太阳能场与锅炉受热面并联的集成方式能取得最大的效益，但是实现起来 非常困难，难点在于烟气量（投煤量）与负荷难以匹配，例如，考虑极限条件，如 果全部给水都引入太阳能集热器， 这时如果不投煤， 过热器和再热器的烟气量不足， 如果投煤水冷壁温度过高，同时省煤器中没有给水通过危及省煤器的安全运行。即 使正常运行下仅有一定比例的锅炉给水通过太阳能集热器时，要同时考虑水冷壁可 承受的温度和过热器与再热器烟气需求量的匹配是难以协调的，这可能需要锅炉受 热面的重新计算和布置，尤其对于改造机组难以实现。 在一体化系统中认为太阳能属外部热量，本文中外部热量利用按余热利用原理 处理。所谓按余热利用处理，是指余热不利用就废弃了，若给予利用，则利用一点 就回收一点，表现在装置效率的计算上，就是只计作功收益而不计热量支出。因而 尽管余热品位虽低，但毕竟有一部分转变为功，转变一点，作功就增加一点，装置 效率总是提高的。当然，这样的提高完全不同于热力学的提高，但有利于推动节能， 鼓励利用余热。虽然太阳能场与机组回热系统并联的模式，太阳能热品位较低由于 其排挤回热抽汽增加了冷源损失，但太阳能的引入增加了作功，太阳能利用按余热 利用原理处理，效率总是提高的。虽然太阳能从回热系统加入比从锅炉加入时品位 低，太阳能从回热系统加入比从锅炉加入时对效率的提高得较之低，但是考虑到从 回热系统加入不需要锅炉受热面的重新计算和布置，而且对新机组的设计和对机组 的改造都比从锅炉加入太阳能更容易实现，因此，选择太阳能与回热系统并联的一 体化发电模式。 同时给水不能绕过除氧器，所以在图中将太阳能集热器群分为两个，一个与低 压加热器并联， 然后在除氧器前汇集后一并流入除氧器； 另一个与高压加热器并联， 给水从除氧器出来后，一部分流向高压加热器，一部分流往太阳能集热器，最后汇 集于最高一级加热器出口，如图 2-7。1 号太阳能集热器内工质压力较高，应采用间 接换热蒸汽产生系统，2 号太阳能集热器内工质压力挺低，可以采用成本和性能的 更为优越的直接蒸汽产生系统。 华北电力大学硕士学位论文 16 太阳能集热器 太阳能集热器 1 号 2 号 3 号4 号5 号 6 号7 号8 号 1 号 2 号 图 2-7 太阳能与火电厂回热系统一体化 2.4 本章小结 本章介绍的目前三种主要的太阳能集热器系统：槽式太阳能集热器，塔式太阳 能集热器和碟式太阳能集热器，并分析了它们目前的优缺点。通过比较分析，确定 收集太阳能所用的集热器为槽式太阳能集热器。 阐述了太阳能与燃煤机组的三种集成方式：太阳能场与机组回热系统并联的方 式、 太阳能场与锅炉汽化段并联、 太阳能场与机组回热系统以及锅炉汽化段的并联。 分析三种集成方式的可行性，确定将来一体化系统最可能采用太阳能场与机组回热 系统并联的集成方式，论文将以该类型的一体化系统作为主要研究对象。 华北电力大学硕士学位论文 17 第 3 章 常规火电机组热经济性分析方法的研究 太阳能与火电厂回热系统的一体化系统是一个复杂的发电系统，如果直接对其 进行热经济性研究，直接寻找一体化系统通用的、规律性强的热经济性分析方法无 疑是非常困难的。因此，依照从简单到复杂的分析原则，本章先对单纯的燃煤机组 进行热经济性方法的研究，在后续的章节中再进行集成太阳能后的热经济性分析。 同时，本章的热经济性分析方法将用于太阳能与火电厂回热系统一体化的热经济性 分析。 等效热降理论已成为火电厂节能诊断和节能改造分析的重要手段，得到了广泛 的应用。 在对再热机组的热力系统的定量分析计算中， 又分为定热量法和变热量法。 定热量等效热降的分析原则和计算结果经实践证明是完全正确的，但仍有三点需要 改进： 1) 计算抽汽等效热降(或抽汽效率)时，所需的循环效率要用常规方法事先确定 25。因此用定热量等效热降算出的循环效率仅能当作一种检验计算，定热量等效热 降实质上无法独立的完成热力系统的整体计算。 2) 在有外置式蒸汽冷却器的系统中，确定其等效热降有一定困难25。 3) 抽汽效率作为一次性参数。 再热后的抽汽效率仅与主系统节点参数(抽汽焓， 加热器水侧的出口和入口焓， 疏水焓)有关， 但再热前的抽汽效率还受循环效率的影 响。若有两股或两股以上辅汽叠加时，第二股辅汽叠加前应以第一股辅汽叠加后的 循环效率重算再热前各级的抽汽效率，再进行下一股辅汽的叠加分析，但这样增加 了计算工作量。如以抽汽效率作为一次性参数，第一股辅汽以后各股辅汽的局部定 量分析如发生在再热前某级加热器则存在计算近似性问题。 相对于变热量等效热降而言，定热量等效热降保持循环吸热量不变，简化了分 析过程，有利于计算机语言表达。为此文40在探究定热量等效热降法数学基础的 过程中，提出定热量等效热降的矩阵分析模型。但其建立的矩阵模型仅能解决主系 统的循环效率和抽汽效率计算问题，对于实际热力系统仍有待进一步研究，同时在 局部定量分析中仍需计算转换系数 ， 计算较为复杂。 文41应用等效热降理论将主 系统矩阵化表示，但当考虑辅助汽水成分时，并非应用等效热降的计算规则，而是 利用热平衡方程通过等价变换构建虚拟主系统来代替实际热力系统。因此它在本质 上并非是针对定热量等效热降的改进，而是常规热平衡的等价变换，同时由于在应 用中需要构建虚拟主系统使得方程复杂化。 华北电力大学硕士学位论文 18 为此，本章对定热量等效热降理论进行深入研究，寻找完善和改进定热量等效 热降法的理论体系的方法，为通用性计算软件的开发提供了新的理论基础。 3.1 基本概念 3.1.1 加热器分类 按照回热系统的各级加热器的不同功能，将加热器分为两类：疏水放流式加热 器和汇集式加热器。 疏水放流式加热器：指疏水方式为逐级自流的疏水放流式加热器，对于最低压 力的一级不带疏水泵的低压加热器，当其疏水自流入凝汽器本体时，属于表面式加 热器。 汇集式加热器：指混合式加热器或带疏水泵的表面式加热器，其疏水汇集于本 加热器的进口或出口者；但是，对于最低压力的一级不带疏水泵的低压加热器，当 其疏水自流并汇集于凝汽器热井或凝结水泵的入口时，由于疏水热量得以返回系 统，则属于汇集式加热器。 hwi hw(i-1) hi hdihd(i-1) hwihw(i-1) hi hd(i-1) hwi hw(i-1) hi hdi hd(i-1) (a)疏水放流式加热器 (b)汇集式加热器 图 3-l 加热类型 3.1.2 原始资料的整理 在实际热力系统热经济性在线或离线分析计算中，需要将采集到的压力、温度 信号转化为二次参量：抽汽放热量 qi、给水焓升 i、疏水放热量 i；对于辅助汽水 流，辅汽从汽侧进入系统的放热量 fi q和从水侧进入系统的放热量 i q。 对不同型式的加热器定义抽汽放热量qi、给水焓升i及疏水放热量i如下： 对疏水放流式加热器： 华北电力大学硕士学位论文 19 (1) (1) (1) iwiw i iidi id idi fifidi ifiw i hh qhh hh qhh qhh + + = = = = = (3-1) 对汇集式加热器： (1) (1) (1)(1) (1) (1) iwiw i iiw i id iw i fifiw i ifiw i hh qhh hh qhh qhh + + + + + = = = = = (3-2) 采用此规定的好处在于，不但不影响加热器的热平衡和物质平衡，而且人为地 造成了加热器进、出口工质相等的条件，因而消除了一个加热器给水侧进口流量系 数，有效避免了求解联立方程的问题，使抽汽份额的计算能由高到低逐个计算。 3.1.3 加热器边界的划定原则 火电厂热力系统定量分