太阳能热发电技术经济性分析

1、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二一年六月题目太阳能热发电技术经济性分析华北电力大学本科生毕业设计（论文）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

2、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，技术经济华北电力大学本科生毕业设计（论文）ii solar thermal power genera tion technical and economic analysis abstract energy conservation & consumption reduction is one of the long-time basic national policies in china. solar-thermal power gen

3、eration 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 impro

4、ve the solar-thermal power generation efficiency ， reduce traditional fuels consumption effectively and alleviate the environmental pollution in this article， a study on the compounding generation system about the parabolic trough solar collectors and the coal-fired units is made. an elementary tech

5、nical 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 p

6、ower; technical and economic. 华北电力大学本科生毕业设计（论文）目录中文摘要 abstract.1 绪论11.1 课题背景及研究意义1 1.2 课题研究现状 1 1.3 研究内容 2 2 太阳能与化石燃料混合热发电系统4 2.1 太阳能与化石燃料混合热发电系统类型4 2.2 太阳能布雷顿联合循环5 2.2.1太阳能 预热 空气 5 2.2.2 太阳能 重整 燃气 6 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6 2.4抛物面槽式集热器 7 2.4.1 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9

7、2.5 技术经济评价指标103 集成方案与技术经济性分析12 3.1 集成方案介绍12 3.2 调峰型一体化发电系统 12 3.3 节煤型一体化发电系统 16 3. 4 通 用 计算 模型 18 3.5 敏感性分析 20 4 结论22 参 考文 献 23致谢 24华北电力大学本科生毕业设计（论文）1 1 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

8、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

9、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

10、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

11、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。华北电力大学本科生毕业设计（论文）2 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 10k

12、w 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/kw h，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

13、。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

14、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华北电力大学本科生毕业设计（论文）3

15、 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。华北电力大学本科生毕业设计（论文）4 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

16、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

17、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。

18、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，汽华北电力大学本科生毕业设计（论文）5 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

19、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

20、，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 太阳能重整燃气华北电力大学本科生毕业设计（论文）6 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

21、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

22、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

23、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

24、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。华北电力大学本科生毕业设计（论文）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

25、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

26、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

27、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华北电力大学本科生毕业设计（论文）8 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

28、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

29、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：=*(. )opttakacv*a batti-44. .abskyabttbi( 21 )集热器的光学效率：0.729opt; 入射角修正系数：1;tak华北电力大学本科生毕业设计（论文）9 tak为太阳能直射辐射强度，directi单位 w/m2; 热平衡系数分别为 : 21.9110a12wkm；92.0210b42wkm；36.60810c13jkm；为吸收体发射率：0.15;ab环境风速：4/vms环境温度：at=20=293k 管内流体温度 : 2abttt入 口出 口

30、；( 22 )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

31、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kw h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

32、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。华北电力大学本科生毕业设计（论文）10 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

33、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

34、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

35、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：0()0pttttc ic o( 23 )式中，pt投资回收期；tc i第t年的现金流入；tco第t年的现金流入；若只有初始投资 k，每年的净收益相同，即华北电力大学本科生毕业设计（论文）11 ttcicort=1,2,3n;pktr( 24 )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：00()(1)0ptttttc ic oi( 25 )式中， i基准折现率。华北电力大学本科生毕业设计（论文）12 3 集

36、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2000 998 528 52.9 2005 1388 702 50.6 201

37、0 1500 821 54.7 2020 1728 1055 61.1 2030 1988 1359 68.4 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。根据太阳能集成到燃煤机组成为一体化发电系统目的的不同，可有调峰型和节煤型两种类型12。调峰型一体化发电系统是指燃煤机组在集成太阳能后，燃煤量可维持不变，而机组的功率增大，从而满足燃煤机组的调峰需求。在我国北方干旱地区，夏季白天，尤其是中午时分，灌溉、空调用电负荷很高，此时太阳能辐射强度也恰好处于最高峰。为了分析方便，在后文的分析中，假定太阳能辐射强度的变化

38、正好与用电负荷需求变化相匹配。节煤型一体化发电系统是指在引入太阳能后，维持原来单纯燃煤机组的功率不变，而减少燃煤量的方式1314。3.2 调峰型一体化发电系统现在将对调峰型一体化发电系统进行经济性的计算，并以单位发电成本和投资的静态回收期作为指标进行评价。在此系统中，给水回热的能量来自两部分，一部分来自汽轮机的给水回热抽汽，另一部分来自太阳能集热场产生的蒸汽，其中两部分各占50%，锅炉燃煤量不变，仍为额定工况下的设计值。系统结构如图3-1 所示。华北电力大学本科生毕业设计（论文）13 太阳能集热场#1#2#3#4#5#6#7#8发电机低中高ba图 3-1 600mw 太阳能燃煤混合发电机组在此

39、系统中，我们假定汽轮机的各段参数仍为设计工况值，假定蒸汽流量不变，燃煤量不变，机组多出额定发电量的值全为太阳能集热器所发的电。机组的各项参数如下所示：n600/16.67/537/537机组 : p-mpa, h-kj/kg, t-p0=16.67, t0/tzr=537/537, h0=3394.4, hzr=3537.0, zr=0.867 表3-1 600mw 燃煤机组各抽汽口参数hi,kj/kg ti，tsi，1 31243 11969 10719 2 30107 10478 8718 3 33259 8543 7342 4 31146 7207 _ 5 29136 6427 4525

40、 6 27463 4303 3812 7 26452 3691 2647 8 25082 2429 1707 n 23526 1435 _ a 1123.0 2575.5 _ b 1262.0 286.7 _ 表3-2 600mw 机组煤循环抽气系数123456780.07279 0.03417 0.02171 0.03454 0.04087 0.03871 0.08354 0.07279 华北电力大学本科生毕业设计（论文）14 1) 在未接入太阳能场时，额定状态下的汽耗15: ()ijijh=101()hh+202()hh+303()hh+404()hh+505()hh+606()hh+70

41、7()hh+808()hh+(1-i)*0()nhh+2()zrzrhh( 31 )=1277.14kj/kg 汽耗: 0()*eijijmgpdh( 32 )=600, 0001, 718.681, 277.14* 0.99 * 0.994t/h 2)引入太能集热场的计算：110.5,假定其他的各项参数不变() i ji jh=101()hh+202()hh+303()hh+404()hh+505()hh+606()hh+ 707()hh+808()hh+(1-i)*0()nhh+2()zrzrhh( 33 )=1287.55kj/kg 0*epd() *ijijmgh( 34 )=604,

42、892.96kj/h 太阳能场多发出的电为 : eeeppp( 35 )=4,892.96kj/h 3）计算集热场的面积 : 换热效率：=*(. )opttakacv*a batti-44. .abskyabttbibtt出 口=286.7 , att入 口=257.5。286.7257.52abt=272.1 =545.1k 代入数值计算得：0.650* ()2basdhhq( 36 )=33,179.38kj/s 华北电力大学本科生毕业设计（论文）15 为了简化计算，可以利用集热器采光面积与集热器传热效率的简化关系式来确定集热器场面积，进而对系统的运行性能进行分析。关系式如下：*ssqai

43、( 37 )式中，sa为集热器采光面积， m2；sq为太阳能场吸收太阳能的总热量，j/s；i为当地辐射强度， w/m2；c为集热器的有效热效率；为集热器换热效率， 参考公式 2-1；为接收效率，取 0.729。*ssqai29 7 , 7 7 5 . 9 9m4)技术经济性分析：采用国际上通用的比较可再生能源发电装置技术经济成本的公式：(1)(1)ctc rc fc mcc oee( 38 )式中，为等额支付系列的资金回收系数，1( 1)nii( 39 )现值系数i取8%，按照等价支付原则推导， n以为电厂的经济使用寿命， 按30年的使用期计算。 ec为系统年发电量， kw h；tcr为电厂总

44、投资费用的现值，cm(1)为电厂开始投运时年运行维护费用的现值；c为co2的减排费用， 100元/吨。集热场的成本为 1000元/m2，运行维护成本为 0.08元/ kw h，考虑到政策扶持， 设太阳能发电并网价为 1元/kw h。其中固定费率是和寿命、利率、折旧、保险、管理等有关的系数，因为本文主要用于不同发电项目之间的比较， 因此与具体工程有关的因素在本文的分析中不予考虑，而仅考虑设备寿命、利率对成本的影响。 按照“ 等价支付 ” 的原则，总初投资的折旧成本是考虑资金的时间价值，认为每年提取的折旧费用现值相等计算得到。1( 1)nii=0.0889 表3-3 拉萨地区的全年太阳能辐射情况i

45、direct(w/m2) 900 800 700 600 500 400 300 200 t（h）552 548 610 368 486 308 424 122 拉萨地区的全年太阳能辐射情况如表3-3所示，现将全年的发电时间折算成设计工况700w/m2下的辐射时间，当太阳辐射低于200w/m2的时候，太阳能集热场退出运行。华北电力大学本科生毕业设计（论文）16 t=522+548+610+368 （600/700） +486 （500/700） +308 （400/700） +424 （300/700）+122（200/700）=2765.1h 全年发电量 ec=4,892.962765.1=

46、13,529,523 kwh 运行维护成本 cm(1)= 13,529,5230.08=1,082,361.84 元tcr=97,775.991000+1,352,952.3=9.91107元二氧化碳减排费用：共节约用煤4092.14t,减排 co2量为8,536.94t，故co2减排费用 c=8,536.94100=853,694元coe=1cetcr+cf(1)+cm(1)-c =0.668元/ kw h 设每电价为 1元/kw h，系统投资的静态回收期为: 97, 775.99 1000/13,529,523=7.23 年结果表明，在现阶段利用太阳热发电与传统的火电相比较在价格上还处于劣

47、势，并不具备商业竞争力，但是考虑到太阳能发电是一种绿色的新能源，且具有长远的发展潜力，所以国家有必要在政策上和经济上给予一定的扶持，为我国的长期的能源发展提供良好的环境。在整个太阳能发电部分的成本中，由于和火电机组使用的是同一套汽轮机发电机组，故节省了配套发电设备的成本，所以最为主要的成本为太阳能集热场的投资，随着太阳能发电技术的推广，集热器的生产将会进入大规模的商业化，届时成本将大大降低。3.3 节煤型一体化发电系统现从投资的回收期考虑节煤型一体化发电系统的技术经济性：已知该机组的主要热力参数为：主汽（4.9mpa，470，3365.13 kj/kg） ，进入除氧器的二段抽汽参数（ 0.2

48、mpa，2793.42 kj/kg） ，排汽参数为（ 0.00613mpa，2382.5 kj/kg） ，给水火用 635.54 kj/kg，其中二段抽汽和排汽火用的计算假定了汽轮机相对内效率为80%，75t 吨循环流化床锅炉热效率为88%。根据所给资料，拟采用的方式为：利用太阳能将水从50加热到 100 ，取代进入除氧器的抽汽。计算过程：利用太阳能加热供到除氧器的补水，该补水从（大气压、50、208.98kj/kg）加热到（100 ,419.1 kj/kg,80t/h） 。利用太阳能热量为：80 （419.1-208.98）/3.6=4669.8kw 这部分太阳能热量导致汽轮机的抽汽减少：8

49、0 (419.1-208.98)/(2793.42-419.1)=7.08t/h 华北电力大学本科生毕业设计（论文）17 该部分抽汽返回汽轮机做功为：7.08 (2793.4-2382.5)/3.6=808.1kw 发电量为：808.1 0.99 0.985=788.02 kw 为维持主机功率不变，则需要减少主汽流量从而使燃煤量减少，减少的燃煤量为：808.1 3.6 （3365.13-635.54）/（3365.13-2382.5）/88%/29270=0.3136t/h 假定设计太阳能辐射强度为： 700w/m2， 集热器的设计效率为55%， 集热器场的面积为：4669.8 103/700

50、/55%=12130 m2当地的太阳能辐射资源为：4751mj/a，年集热器效率为 50%，则年利用太阳能热量为：4751 12130 50%=28815gj/a 故全年节煤为：28815 106/4669.8/36000.3136=537.49t/年（标志为第 1 种方式）如将太阳能热量直接折合为煤的热量，则节煤为：28815 106/29270/1000=984.6 t/a （标志为第 2 种方式）如以太阳能发电量来考虑，则年发电量为：28815 106/4669.8/3600788.02=1.354 106kw h （标志为第 3 种方式）以 1000元/ m2集热器的价格计算，则集热器

51、场投资费用为：12130 1000=12.13 106元以常压水池考虑水池的成本，则水池的成本为：50 2500=0.1 106元总投资费用为： 12.23 106元如煤价为 850元/吨，co2减排收益单价为100元/吨，另外每吨煤减排co2为 2.5 吨，则节煤收益为：537.49 （850+2.5 100）=0.591 106元/年（第 1 种方式）对于把太阳能热量直接折算为煤的热量，则节煤收益为：984.5 （850+250）=1.08 106元/年（第 2 种方式）或年发电收益为（上网电价为 1 元/ kw h） ： 1.354 106元/年（第 3 种方式）对于上述三种情况，得到的

52、静态投资回收期分别为：第 1 种方式： 12.23/0.591=20.7年第 2 种方式： 12.23/1.08=11.3年第 3 种方式： 12.23/1.354=9.0年考虑运行维护费用，按0.08 元/ kw h计算，则年运行维护费用为0.11 106元，对应的静态投资回收期分别为：第 1 种方式： 12.23/（0.591-0.11）=25.4 年华北电力大学本科生毕业设计（论文）18 第 2 种方式： 12.23/（1.08-0.11）=12.6 年第 3 种方式： 12.23/（1.354-0.11）=9.8 年此模型主要是从投资的成本回收期考虑太阳能热电厂的技术经济性，相对于单位

53、发电的成本，此种方式计算方便，同时也便于不同机组或者相同机组间的比较，因为该模型计算相对简单，结果也很明了。3.4 建立通用计算模型结合两个模型分析建立通用表格的必须条件为：主蒸汽的参数，锅炉热效率，汽轮机内效率，用煤发热量，排气参数，太阳能集热场蒸汽参数，取代抽汽参数，给水参数。以投资的回收期限作为评价标准,编写 excel 计算表格如下：表 3-5 太阳能燃煤混合发电机组技术经济性计算已知：锅炉热效率0.88 汽轮机内效率0.8 煤发热量 ,j 29270 主蒸汽压力 ,mpa 4.9 温度 ,470 焓值 kj/kg 3365.13 排汽压力 ,mpa 0.00613 温度 ,焓值 kj

54、/kg 2382.5 太阳能集热场进口压力，mpa 温度 ,50 焓值 kj/kg 208.98 太阳能集热场出口压力，mpa 温度 ,100 焓值 kj/kg 419.1 取代抽汽初参数：压力，mpa 0.2 温度 ,焓值 kj/kg 2793.42 取代抽汽终参数：压力，mpa 温度 ,焓值 kj/kg 419.1 给水温度 ,焓值 kj/kg 635.54 集热场水流量,t/h 80 计算过程利用太阳能热量为,kw 4669.333 这部分太阳能热量导致汽轮机的抽汽减少,t/h 7.079753 该部分抽汽返回汽轮机做功为,kw 808.1145 发电量为 ,kw.h 788.0329

55、主机功率不变，减少主汽流量使燃煤量减少值为,t/h 0.313745 假定设计太阳能辐射强度为i,w/m2，集热器的设计效率为 ，集热器场的面积为s,m2i,w/m2700 :0.55 s,m212128.14 当地的太阳能辐射资源为,mj/a 4751 年集热器效率为: 0.5 华北电力大学本科生毕业设计（论文）19 表 3-5（续）则年利用太阳能热量为,gj/a 28810.39307 故全年节煤为,t/年537.7361296 标志为第1 种方式太阳能热量直接折合为煤的热量则节煤为 ,t/年984.2976793 标志为第2 种方式如以太阳能发电量来考虑则年发电量为, kw h /年13

56、50629.206 标志为第3 种方式集热器的价格,元/ m21000 集热器场投资费用为,元12128138.53 以常压水池考虑水池的成本水池的成本为：100000 总投资费用为：12228138.53 煤价 ,元 /t 850 co2减排收益单价 ,元/t 100 每吨煤减排co2 ,元/t 2.5 则节煤收益为,元/t 591509.7425 第 1 种方式把太阳能热量直接折算为煤的热量节煤收益为 ,元/t 1082727.447 第 2 种方式上网电价 ,元/ kw h 1 年发电收益为,元/a 1350629.206 第 3 种方式对于上述三种情况，得到的静态投资回收期分别为：(单

57、位：年）第 1 种方式：20.6727593 第 2 种方式：11.29382889 第 3 种方式：9.053660676 运行维护费用,元/ kw h 0.08 年运行维护费用,元/ kw h 108050.3 加入运行成本，对应的静态投资回收期分别为：(单位：年）第 1 种方式：25.08615693 华北电力大学本科生毕业设计（论文）20 表 3-5（续）第 2 种方式：12.44323725 第 3 种方式：9.840935518 其中黄色底纹部分为已知，灰色底纹部分为最终求取结果，此通用模型能够对不同容量和集成方式的混合发电机组的投资回收期进行计算。3.3 敏感性分析选用上面的计算表格， 选取拉萨地区的 600mw 的太阳能燃煤混合发电机组作为模型，分别取代 17 段回热抽汽，求太阳能热发电部分的资金回收期限。图 3-2 取代 600mw 机组不同抽汽段的投资回收期图 3-3 50mw 、 300mw 、600mw 的四段抽汽投资回收期如图 3-