太阳能热发电技术经济性分析.doc

华北电力大学本科生毕业设计（论文）二一年六月太阳能热发电技术经济性分析毕 业 设 计(论文)院 系动力工程系专业班级热能与动力工程专业0609班学生姓名罗敏智指导教师崔映红题 目 i太阳能热发电技术经济性分析摘要节能降耗是我国的长期基本国策。作为全国煤炭消耗大户，火力发电厂的节能任务意义重大。太阳能热发电属于可再生能源发电方式，将其与化石燃料机组组成混合发电系统，不但避免了单纯太阳能热发电系统中由于太阳能辐射不稳定而需要应用的昂贵的蓄热设备，提高了太阳能热发电效率，而且还可以有效减少化石燃料的耗费，减轻环境污染。本文主要进行了抛物面槽式太阳能集热器与燃煤机组混合发电系统的研究，对我国拉萨地区不同集成方案进行了初步的技术经济性计算，为太阳能燃煤混合发电技术在我国的应用进行了有益的探讨。关键词：抛物面槽式集热器，太阳能热发电，太阳能混合发电，技术经济solar thermal power generation technical and economic analysisabstractenergy conservation & consumption reduction is one of the long-time basic national policies in china. solar-thermal power generation system is a mode of renewable energy generation. combinging with traditional fuels units to form a mixed generation system, not only can avoid a simple system of solar-thermal power generation requiring expensive regenerative equipment due to instability in solar radiation，but also can improve the solar-thermal power generation efficiency，reduce traditional fuels consumption effectively and alleviate the environmental pollutionin this article，a study on the compounding generation system about the parabolic trough solar collectors and the coal-fired units is made. an elementary technical and economic calculation about different kinds of mixed generation system in lhasa with a designed radiation intensity are made. this will be a useful attempt of the thermal power generation technology application in chinakeywords: parabolic trough collector; solar thermal power; solar hybrid power; technical and economic.目 录中文摘要abstract.1 绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 课题研究现状11.3 研究内容22太阳能与化石燃料混合热发电系统42.1太阳能与化石燃料混合热发电系统类型42.2太阳能布雷顿联合循环52.2.1太阳能预热空气52.2.2太阳能重整燃气62.3太阳能与化石燃料混合热发电系统在我国的发展前景62.4抛物面槽式集热器72.4.1抛物面槽式集热器简介82.4.2抛物面槽式集热器效率计算82.4.3抛物面槽式集热器蒸汽产生系统92.5 技术经济评价指标103集成方案与技术经济性分析123.1集成方案介绍123.2 调峰型一体化发电系统123.3 节煤型一体化发电系统163.4 通用计算模型183.5 敏感性分析204 结论22参考文献23致谢241 引言1.1 课题的研究背景及意义节能降耗是我国的长期基本国策。我国在“十一五”期间提出了单位gdp能耗下降20%的节能目标，因此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近50%的火力发电厂，节能任务意义重大。太阳能这一可再生能源正是理想的资源之一。如果我们能够把太阳能生产的热量引入常规燃煤电厂，即采用太阳与燃煤一体化发电，必将为火电厂的技术节能开辟一条新的途径。太阳能发电技术主要包括太阳能光伏发电和太阳能热发电两种，当前这两种技术虽然均有商业化的业绩，但投资大、成本高仍然是影响太阳能发电技术规模化应用的主要障碍。据国际能源署预测，在这两种太阳能发电技术中，太阳能热发电技术被认为是未来发电成本有望接近化石燃料发电的技术，具有良好的发展前景。如果将太阳能与常规燃煤电厂相结合，可以利用火电机组调整范围大的优势，省去太阳能热发电中的蓄热系统和透平系统，达到降低发电成本、实现连续稳定发电的目的。可见,太阳能与化石燃料之间存在多方面的互补性，太阳能与燃煤一体化发电系统作为一种高效、环保、切实可行的方式，具有良好的发展前景1。1.2 课题的研究现状太阳能混合发电的概念最开始由lus太阳能国际组织提出。全球环境机构决定在印度、埃及、摩洛哥和墨西哥建四台isccs电站后，太阳能与化石燃料混合发电系统开始逐渐得到关注并在世界范围内得到了一定的推广。国际上许多研究机构对太阳能与化石燃料的结合方式以及其热力性能进行了大量的理论研究，提出了多种混合热发电系统。但总体上主要分为三大类，太阳能与燃气轮机集成、太阳能与蒸汽轮机集成、太阳能重整化石燃料集成。国外针对太阳能与燃气轮机集成发电系统的性能和优化，进行了大量研究，该系统主要通过接收器吸收太阳能热量预热空气实现，最早在consolar、solgate项目中提出，并快速发展。伴随环境污染问题的日益严重以及人们对节能减排的重视，太阳能重整系统也得到越来越多的利用，出现了加入化学链、富氧燃烧、太阳能煤气化等一系列新兴系统。另外，关于太阳能与蒸汽轮机集成发电系统也有一定的研究。如整体太阳能联合循环系统(isccs)、太阳能与传统燃煤机组混合发电等。之前关于此类系统研究大都集中于案例分析、常规经济性评估和可行性分析上面，实际的电厂建设比较少，可以用于两系统之间集成的方法简单，集成性较差。相对于光伏发电，国内对太阳能热发电系统的研究还处于开始阶段2。20世纪70年代开始一些基础性研究，在“七五期间，湘潭电机厂与美国空间电子公司合作，研制了2组5kw的抛物面聚焦型太阳热发电机3。2001年6月中国科学院电工研究所太阳能高温热发电技术研究组成立，标志着我国太阳能利用进入了起步阶段。2004年6月10日在北京通县高温实验场实现了太阳能聚光热发电的实验。这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。2005年1月16日研制成功单碟式太阳能聚光器。2006年8月31日研制成功采光口直径为10米的太阳能多碟聚光器。2004年10月在通县成功组装完成12米长的截光口面积为30平米的10kw单轴全槽式太阳能聚光器。首次将液压驱动应用于太阳能领域。2005年1月开始对塔式热发电站定日镜进行了深入研究。2007年6月1日，在南京的江宁太阳能热发电系统成功发电，这是国内首座70mw的太阳能热发电系统。该系统突破性的将单位发电成本控制到0.6元/kwh，成功的跨过了是太阳能发电商业化应用0.6元一度的门槛。可以看出国内关于太阳能热发电主要集中于小型太阳能热发电装置的研究，关于太阳能与常规能源联合发电系统的研究和实施基本还是空白。因此对于该系统的研究具有有必要性和紧迫性。关于电厂经济性分析方法，热力学第一定律比较成熟，针对热效率的电厂节能研究和实施已经十分广泛的展开。近几年火用分析迅速发展起来，电厂节能的计算与分析也逐渐转移到火用效率的分析上面。同时还不断发展起来的还有热经济学，将能量转移成价格，能流、火用流转变为价格流，比火用分析方法更能体现系统真实的节能潜力，避免了节 火用不省钱的情况的发生。1.3 研究内容通过太阳能热利用系统将太阳能热量引入常规燃煤机组，集成太阳能与燃煤混合热发电系统，称为太阳能与燃煤机组一体化热发电系统。太阳能热利用系统与燃煤机组集成方案的选取及性能研究是太阳能与燃煤机组一体化热发电系统实施的重要基础。目前太阳能热利用系统投资成本很高，系统发电成本与热经济性能同样是集成方案选取和系统性能分析时必须考虑的因素。本文以太阳能热利用系统与600mw燃煤机组集成的太阳能辅助燃煤发电系统为例，进行分析。主要内容如下：1) 集成方案的提出及集成机理的研究选取抛物面槽式集热技术引入太阳能热量，提出太阳能热利用系统与燃煤机组的集成方案。即从热力系统的哪个部位抽出工质进入太阳能热利用子系统，经过太阳能集热系统加热后的工质又以何种方式进入热力系统的何部位。结合热力性分析结果与系统流程结构，探索太阳能与火电机组一体化热发电系统的集成机理。2)技术经济性分析对太阳能辅助燃煤机组发电系统的热经济性能进行分析。分别使用调峰型和节煤型两种集成方案，以太阳能热发电单位成本以及系统投资成本回收期作为技术经济性评价指标， 并编写excel通用表格计算对于不同机组,不同的太阳能联合方式,输入它们对应的相应的数值,即可计算出此系统的资金回收期限。第二章 太阳能与化石燃料混合热发电系统介绍2.1 太阳能与化石燃料混合热发电系统类型太阳能与化石燃料混合热发电系统是在常规能源发电系统的基础上合理引入太阳能热量的发电系统，它具有降低太阳能热发电成本、解决太阳能不连续、缓解化石能源紧张、减少环境污染等特点。目前大体分为两大类4，一类是利用太阳能加热给水或蒸汽，与朗肯循环结合：另一类是利用太阳能加热空气或者重整燃料(煤、天然气)生成合成气体，与布雷顿循环结合。本文主要探讨的是太阳能与朗肯循环的联合。2.1.1 太阳能与朗肯循环联合太阳能与朗肯循环联合的热发电系统主要分为两类，太阳能与单纯的朗肯循环联合、太阳能与底部朗肯循环联合。分别介绍如下：1) 太阳能与单纯的朗肯循环联合5太阳能与单纯的朗肯循环联合是在单纯燃煤机组的基础上，选取合理的位置投入太阳能集热系统的热发电系统。按照集热系统连接方式的不同，大致可分为以下三种：回热系统并联：给水泵出来的给水分两路预热，一路经过锅炉的回热系统，另一路经过太阳能集热系统，生成的饱和蒸汽与锅炉回热的蒸汽混合进入汽包；与锅炉受热面并联：给水泵出来的给水先进回热系统，从末级高加出来后分两路，一路送入锅炉受热面，另一路送入太阳能集热系统，同时加热给水，生成过热蒸汽混合进入汽轮机；与回热系统、锅炉受热面并联：给水泵出来的给水分两路，一路送入高加预热，之后进入锅炉产生过热蒸汽，另一路直接送入太阳能集热系统产生过热蒸汽。这种方式可以看作是前两种方式的综合。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，汽轮机作功总量增加，集热系统与锅炉受热面并联产生过热蒸汽，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，化石燃料消耗降低。2）太阳能与底部朗肯循环联合太阳能与底部朗肯循环联合的热发电系统是在燃气蒸汽联合循环的基础上，投入太阳能集热系统取代蒸汽朗肯循环中的某一段来加热工质的热发电系统。按照太阳能的功能不同，太阳能集热系统与底部朗肯循环可有两种结合方式，燃料节省型和功率增大型。燃料节省型系统中，太阳能取代燃料加热部分给水，发电量不变，燃料量降低。功率增大型系统中，太阳能和燃料共同加热给水，燃料量不变，蒸汽量增加，发电量提高。对两种结合方式进行了详细的分析比较。功率增大型系统中，随着负荷的升高蒸汽量有所增加，汽轮机及之后的设备容量需要相应增大。两种结合方式的系统流程相同，下面以单倍压再热的系统为例来介绍，系统结构见图2-1。 图2-1太阳能集热技术与燃气蒸汽联合循环复合的系统系统循环过程为，给水通过预热后，一路进入蒸汽发生器，利用槽式集热器吸收的太阳热量来加热，产生微过热蒸汽。另一路进入余热锅炉继续加热。两路分别加热给水共同生成过热蒸汽。太阳能蒸汽发生器取代了部分燃气蒸汽联合循环中余热锅炉的蒸汽产生量，进入蒸汽轮机发电。2.2 太阳能布雷顿联合循环太阳能与布雷顿循环联合的热发电系统主要有三种方式，预热空气、重整燃气和煤气化6。2.2.1 太阳能预热空气太阳能预热空气系统是在常规的燃气循环中，利用太阳能集热装置加热其中的空气，从而达到利用太阳热能的一种方式。系统流程为：空气经压气机进入塔式太阳能接收器，当被加热至一定温度时，送入燃烧室与常规燃料按一定的比例混合燃烧，生成合成气体，之后引入布雷顿循环发电。该系统一般选用塔式集热装置，与槽式集热装置相比，塔式集热装置可以将空气加热到更高的温度 800。当然，太阳能预热空气系统也可以用于预热常规燃气蒸汽联合循环系统中的空气，此时相当于一种 isccs 系统。和太阳能与朗肯循环联合发电系统相比，太阳能预热空气联合发电系统中工质可以被太阳能加热到更高温度，太阳能部分的发电效率提高：工质作功能力增强，系统热效率增加，系统投资的回收期限也进一步降低。但是，接收器高温运行对设备的材质要求也比较高。2.2.2 太阳能重整燃气目前现有的太阳能重整燃气分为传统方式和加入化学链重整燃气方式，后者是在前者的基础上实现的，就实现系统而言具有相关性。其目的都是为了在单纯燃气循环的基础上，利用太阳能热量来加热燃气，通过改变其化学成份来提高燃气品质提高发电量。1)传统的太阳能重整燃气传统的太阳能重整燃气循环中目前常用的是利用太阳能让h2o或者co2与甲烷反应，太阳能作为高温热源提供甲烷重整所需热量，将太阳能热能转化成燃气的化学能，燃气以更高的品质引入常规燃气循环，提高了系统效率。反应式如下：主反应:ch4+h2o=3h2+co或ch4+co2=2h2+2co；副反应为:co+h20=h2+co2；2)加入化学链的太阳能重整燃气 该系统是在传统的太阳能重整燃气系统的基础上实现的，以消除污染为目的的新型联合发电系统。通过加入金属氧化物(如nio或fe2o3)来实现尾气零污染。反应温度在450550之间，一般选用槽式集热装置。系统循环过程为，甲烷与氧化镍混合反应，温度530，由太阳能提供。太阳能通过化学反应转化成高品质的化学能，反应如下：ch4+4nio=4ni+co2+2h2o；4ni+2o2=4nio;总之，加入化学链的太阳能重整系统最主要的优点就是完全消除了co2污染。金属氧化物的加入改善了燃气成分，实现了co2的全部回收。同时，冷凝回收co2不需要任何额外耗功，优于传统的co2回收分离。最后，太阳能转换成化学能，品位提高，太阳能部分发电效率提高。但是系统中太阳能集热装置比较复杂，成本比较昂贵。2.3 太阳能与化石燃料混合热发电系统在我国的发展前景我国地域辽阔，拥有丰富的太阳能资源，其中多处于中低纬度，每年接收太阳辐射总量在33008300mjm2之间，相当于2.4108亿吨标准煤，具有极大的开发前景。其中西北地区尤其是青藏高原，那里日照时数长，再加之空气稀薄，是我国大力开发太阳能发电的理想场所。随着人们生活水平的不断提高和社会经济的不断发展，人们对能源的需求量极度加大，传统的化石能源面临着消耗殆尽的情况，使全世界面临严重的能源危机。在我国，主要的能源由煤炭提供，其中火电厂作为最主要的耗煤用户，2003年就已经占到全国总耗煤的一半以上，因此关于电力系统的节能工作意义重大。太阳能一体化发电可以大大降低火电厂煤耗，是实现我国火电厂节能的一个有效途径。不同的结合方式，发电系统的特点不同，发展潜力也不同。结合我国目前的能源、消费结构来看，太阳能与朗肯循环联合的混合热发电系统具有一定的发展潜力7。我国目前以燃煤电厂为主，所以现阶段最有现实意义的是在现有机组的基础上进行改建，使系统拥有更广阔的发展空间。与此同时，相对于布雷顿循环，集热设备中工质的出口温度较低，但是该设备运行较稳定。作为中低温集热技术的一种，抛物面槽式集热技术是目前世界上投入商业运行，成本最低、技术最成熟的技术之一。按照太阳能与化石燃料的主辅关系，太阳能与化石燃料混合热发电系统可以分为太阳能辅助化石燃料热发电系统和化石燃料辅助太阳能热发电系统两大类7。太阳能辅助化石燃料热发电系统，是在常规化石燃料发电机组的设计基础上合理的集成太阳能。该系统可以充分利用化石燃料发电机组的可调整性来弥补太阳能的不连续性和不稳定性，也可以大大降低太阳能热发电的投资风险。化石燃料辅助太阳能热发电系统，是在单纯太阳能机组的设计基础上，投入合适的化石燃料辅助太阳能运行的热发电系统。该系统最为常见的是加入辅助锅炉以达到当主蒸汽参数低于额定参数加热主蒸汽，当再热蒸汽参数低于额定参数加热再热蒸汽的目的，使日落以后整个发电系统继续运行。本文以太阳能辅助燃煤发电系统为例，对太阳能与燃煤机组混合发电系统的集成机理和技术经济性能进行研究。2.4 抛物面槽式集热器2.4.1抛物面槽式集热器简介槽式集热器是实现我国火电机组技术节能和太阳能大规模利用的一种有效途径。抛物面槽式集热器作为中温太阳能集热器的一种，是聚光类集热器唯一在商业化基础上进行大规模生产的技术。太阳能热发电主要是借助槽式抛物面聚光集热器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本相对较低的特点，适合商业并网发电。基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统8。吸收器、聚光器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的集热装置，其结构图如图2-2所示。图2-2槽式抛物面聚光集热器结构吸收器一般采用中间被抽成真空的双层结构以减少热量的辐射损失，它被置于抛物面聚光器焦线上，内侧为热载体。热载体可以是水蒸气，高温油或熔融状态的盐，一般能加热到400。聚光镜是一种表面上涂有聚光材料的抛物镜面，它的作用是将分散的低密度太阳光聚焦到吸收器上以产生高温。一般的太阳能发电站都采用单轴跟踪方式使抛物面对称平面绕南北方向的纵轴转动。与太阳照射方向始终保持0.04夹角，以求用最佳的接受角度收集到更多的热量。整个系统由多个槽式抛物面聚光器组成的太阳能场将太阳光聚焦到吸收器用于加热管中的受热载体，并储存到蓄热设备中，然后和来自动力系统中的冷工质进行热交换。大多数的冷工质是水，水被加热成水蒸气到汽轮机做功，做功后的水再到蓄热设备中吸热，如此往复循环。2.4.2槽式集热器效率计算槽式集热器的结构如图2-3所示，太阳辐射通过反射器、玻璃管到吸收管。最后加热流动的集热介质。在各个接触面上都存在着一定的热损失，主要包括：玻璃管、吸收管间的辐射换热损失；残余气体在玻璃管、吸收管间的对流损失；玻璃管与周围空气间的换热损失；穿过吸收管时的热损失图2-3槽式集热器结构示意图由于存在这些热损失以及集热器本身的光学效率，决定了集热器的热量传导不可能达到100%，即集热器的传热效率受集热器各种热损失和集热器光学效率影响， s.d.odeh在他的著作中提出了集热器热效率的计算公式9：=*- 集热器的光学效率： ;入射角修正系数： 为太阳能直射辐射强度，单位 w/m2;热平衡系数分别为:；为吸收体发射率： 环境风速：环境温度： =20=293k管内流体温度: 由公式可知，槽式太阳能集热器的效率随着应用环境的不同而不同，在运行中，工质进入和流出集热器的设计参数不同，接收到的太阳能辐射强度不同，都可以导致集热器效率有所改变。2.4.3 槽式集热器蒸汽产生系统槽式集热器按蒸汽产生系统的不同可以分为双循环蒸汽产生系统、瞬时蒸汽产生系统、直接蒸汽产生系统1）双循环蒸汽产生系统双循环蒸汽产生系统有两套循环管路，主循环管路以油为循环工质，油循环通过抛物槽集热器的吸收管时，被反射器汇聚的太阳光加热到120380，若采用合成油则可被加热到400。次循环管路以水和水蒸汽为工质，与主循环管路通过一个热交换器进行热量传递。这套系统已经得到实际的应用，并取得了很好的经济效益。采用这种循环的电厂都成功地利用了太阳能发电，总发电功率达350mw，每年产生的电量约占世界太阳能发电总量的80以上。到目前为止，这些太阳能发电厂已经累计生产约75亿kwh的电量。双循环系统的主要优点是主循环系统仅需要1.6mpa的压力，因此可以在管子的联接处使用软管；缺点是油的成本高、在高温下易老化、一旦泄露将会出现污染环境和引起火灾等问题，另外，由于油的温度和油循环系统中所需构件的限制，使系统性能的提高和成本的降低受到限制。为了进一步提高系统的性能和降低成本，提出了以水(软化水)代替油为工质的抛物槽集热器系统，主要有瞬间蒸汽产生系统和直接蒸汽产生系统。2）瞬间蒸汽产生系统水在循环在通过集热区时被一个循环泵加压并保持在需要的压力下，以避免水沸腾。水在集热区被加热到180220，然后流经一个蒸汽产生器，由于蒸汽产生器中的压力低于管中的压力，水的一部分转化为蒸汽被送入蒸汽管路中，剩余的水再次循环通过集热区。由蓄水箱给系统补水，一般来说，一次有4%6%的水能转变成水蒸汽。瞬间蒸汽产生系统的优势在于：a水作为工质比油有优势；b由于不需要热交换器，系统成本相对较低；c避免了在直接蒸汽产生系统中工质稳定性的问题。3）直接蒸汽产生系统(dsg)在直接蒸汽产生系统集热器的接收器中存在两相流，当两相流通过汽水分离器时，蒸汽与水分离。直接蒸汽产生系统比双循环系统和瞬间蒸汽产生系统有更大的优势。就热特性而言，直接蒸汽产生系统预计比双循环系统每年多产生13的净能，比瞬间蒸汽产生系统每年多产生12的净能。就成本而言，直接蒸汽产生系统预计比双循环系统低15，与瞬间蒸汽产生系统的成本差不多。2.5 技术经济评价指标技术经济分析10的工作内容，是对拟采用的工程技术方案进行经济效益计算和评价，即将方案的有用劳动成果与劳动耗费作比较，衡量他们的所得与所费，投入与产出之间的经济合理性。为了保证决策的正确性和科学性，研究紧急效益的评价指标和方法是非常必要的。技术经济评价的指标是多种多样的，他们从不同角度反映工程技术方案的经济性。这些指标分为三大类：第一类是以时间作为计量单位的时间型指标，如投资回收期、借款偿还期等；第二类是以货币金额表示的价值型指标，如净现值、净年值等；第三类是反映资源利用率的效率型指标，如投资利润率、内部收益率、投资净现值率等。本文计划采用投资回收期作为评价指标。投资回收期又称投资返本期，是指工程项目从开始投资年算起，到用每年的净收益回收全部投资所用的时间，通常用“年”表示。投资回收期能反映方案偿还投资的能力和投资回收的快慢，其概念明确，计算简单、直观，它的选择方案的标准是回收资金的速度，速度越快越好，表明了投资需要多少年才能收回，便于投资者衡量风险。对投资者来说，投资回收期越短越好，从而减少投资的风险。投资回收期的计算按是否考虑资金的时间价值分为静态投资回收期和动态投资回收期。静态投资回收期(不考虑时间因素)一般表达式为： 式中， 投资回收期；第t年的现金流入；第t年的现金流入；若只有初始投资k，每年的净收益相同，即 t=1,2,3n 现金流量见图2-4图2-4投资回收期资金流量图动态投资回收期(考虑时间因素)一般表达式为： 式中，i基准折现率。3 集成方案与技术经济性分析3.1 集成方案介绍我国一次能源资源的特点是“多煤缺油少气，是世界上少数几个以煤炭为主要一次能源的国家，是世界最大煤炭生产国与消费国，绝大多数的电厂是以煤炭作为主要燃料的11。根据有关方面对全国原煤产量的预测，我国煤炭资源丰富，品种齐全。随着新能源的采用和发电用煤技术的提高，煤电在电力能源消费总量的比例逐年下降(见表3-1)。尽管如此，以煤电为主的发电格局仍然不会改变，煤炭发电仍起着主导作用。表3-1发电用煤量及其比例年度煤炭总量/106t发电用煤量/106t煤电占总量的比例200099852852.92005138870250.62010150082154.720201728105561.120301988135968.4根据上述资料所示，我国煤电比例过重，应该大大加强太阳能热发电技术。为了改善太阳能辐射的不稳定性，可设计成与燃煤互补的混合发电系统。根据