太陽能熱與燃煤電站互補發(fā)電技術綜述

侯宏娟，張 楠，丁澤宇

(1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.國家電投集團電站運營技術(北京)有限公司，北京 102209；3.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102200)

0 引 言

能源消耗帶來的環(huán)境問題日益嚴重，在此背景下，可再生能源發(fā)電技術快速發(fā)展[1]，太陽能光熱發(fā)電技術因功率輸出穩(wěn)定、調(diào)峰性能良好等優(yōu)點而備受關注[2]。但由于光熱發(fā)電需配置大規(guī)模儲熱，發(fā)電成本居高不下[3]。當前光熱電站與燃煤機組均為朗肯循環(huán)[4]，將二者集成可共用一套汽輪機系統(tǒng)，具有一定可行性。我國西部地區(qū)太陽能資源和煤炭資源豐富，因此從地域分布看將燃煤機組與光熱系統(tǒng)集成吻合性良好[5]。與純太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，太陽能熱與燃煤機組互補集成系統(tǒng)可降低初投資及發(fā)電成本；與燃煤機組相比，可減小燃煤量和CO2排放，促進火電機組節(jié)能減碳[6-7]。自20世紀70年代，ZOSCHAK等[8]首次提出太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)(SAPG)的概念后，多位學者針對該技術展開深入探索，包括系統(tǒng)集成方案、系統(tǒng)熱力性能研究、系統(tǒng)運行控制策略分析以及系統(tǒng)經(jīng)濟性能分析等。

1 太陽能熱與燃煤機組發(fā)電集成方案

與燃煤機組互補集成的光熱系統(tǒng)主要為槽式和塔式。因二者太陽能集熱溫度不同，使其與燃煤機組的集成部位有所差別。

1.1 槽式SAPG系統(tǒng)集成方案

槽式光熱系統(tǒng)內(nèi)的導熱工質(zhì)一般為導熱油，工作溫度相對較低，最高溫度通常不超過400 ℃，因此槽式集熱場與燃煤機組的集成部位一般在燃煤機組的回熱系統(tǒng)側(cè)，即利用太陽能熱代替回熱抽汽加熱鍋爐給水。目前槽式SAPG系統(tǒng)的主要耦合方案如圖1所示。

1)耦合方案1：槽式太陽能替代回熱抽汽加熱鍋爐給水[9-10]。該耦合方案中用槽式太陽集熱場代替回熱抽汽加熱鍋爐給水，給水泵給水一部分被攜帶太陽能的導熱油加熱至所需溫度，另一部分給水進入高壓加熱器，由高壓加熱器抽汽加熱至所需溫度，最后2股給水在高壓加熱器出口處匯合進入鍋爐參與后續(xù)循環(huán)。被替代的高壓加熱器抽汽返回汽輪機繼續(xù)做功，因此在汽輪機組輸出功率不變的情況下，可節(jié)省燃煤機組煤量。

2)耦合方案2：槽式太陽能加熱鍋爐給水[11]。給水經(jīng)高壓加熱器抽汽加熱后，進入集熱場繼續(xù)被太陽能加熱，而后從集熱場中流出進入鍋爐參與后續(xù)循環(huán)。在該集成方式中，進入鍋爐內(nèi)的給水溫度相比原燃煤機組有所提高，而鍋爐出口蒸汽參數(shù)不變，節(jié)約了一定煤量。該集成方案優(yōu)點為：結構相對簡單，除槽式太陽集熱系統(tǒng)和燃煤發(fā)電系統(tǒng)連接部分外，系統(tǒng)其他部分均保持原有結構。然而由于進入鍋爐內(nèi)的給水參數(shù)發(fā)生變化，因此對鍋爐效率產(chǎn)生一定影響。除上述2個方案外，槽式SAPG系統(tǒng)還有其他耦合方案，均相似，故不再贅述。

圖1 槽式SAPG系統(tǒng)集成方案1和2系統(tǒng)示意Fig.1 System diagram of trough type SAPG system integration schemes 1 and 2

1.2 塔式SAPG系統(tǒng)集成方案

塔式光熱系統(tǒng)集熱場內(nèi)的導熱工質(zhì)一般為熔融鹽，熔融鹽工作溫度較高(600 ℃左右)，因此塔式集熱場與燃煤機組的集成方案較多，包括塔式太陽能加熱再熱蒸汽(替代全部/部分鍋爐再熱器)、替代回熱抽汽加熱鍋爐給水或幾種耦合方式組合等，具體為：

1)耦合方案1：塔式太陽能熱替代高溫回熱抽汽加熱給水[11]。該方案與槽式集熱場耦合方案1相似，區(qū)別在于集熱場類型由槽式變?yōu)樗?圖2)。

2)耦合方案2：塔式太陽能熱加熱鍋爐給水[11]。該耦合方式與槽式太陽能耦合方案2類似，利用鹽-水換熱器將太陽能熱傳遞至鍋爐給水，吸收熱量后的給水進入鍋爐省煤器和過熱器吸收熱量達到所需溫度(圖2)。

圖2 塔式SAPG系統(tǒng)集成方案1和2系統(tǒng)示意Fig.2 System diagram of tower type SAPG system integration schemes 1 and 2

3)耦合方案3：塔式太陽能加熱再熱蒸汽和鍋爐給水[12]。該耦合系統(tǒng)中，太陽能熱首先用于加熱再熱冷端的蒸汽，蒸汽從高壓缸流出后進入集熱場的鹽/蒸汽換熱器內(nèi)，被攜帶太陽能的熔融鹽加熱，而后進入再熱器繼續(xù)吸熱直至達到所需參數(shù)。從鹽/蒸汽換熱器流出的熔融鹽(溫度較低)進入鹽/水換熱器中，用于加熱高壓加熱器出口的給水，給水被太陽能加熱后進入鍋爐參與后續(xù)循環(huán)(圖3)。

圖3 塔式SAPG系統(tǒng)集成方案3和4系統(tǒng)示意Fig.3 System diagram of tower type SAPG system integration schemes 3 and 4

4)耦合方案4：塔式太陽能加熱再熱蒸汽并替代高壓加熱器回熱抽汽[13]。該耦合方案與塔式耦合方案3類似，即將太陽能熱分成高低溫2部分，分別加熱再熱蒸汽和鍋爐給水。二者區(qū)別在于該耦合方式中，一段或多段高壓加熱器回熱抽汽被太陽能部分或全部取代，被替代的高壓加熱器抽汽可在汽輪機內(nèi)繼續(xù)做功，在主蒸汽流量不變的情況下，增加電站發(fā)電量(圖3)。

SAPG系統(tǒng)集成方案較多，不局限于上述幾種?？傮w來看，選取方案主要遵循3個原則：① 系統(tǒng)簡單，減少對燃煤機組系統(tǒng)的改造；② 提升SAPG系統(tǒng)的熱力性能和經(jīng)濟性能；③ 滿足提升系統(tǒng)調(diào)峰能力等特殊需求。

2 太陽能熱與燃煤機組發(fā)電系統(tǒng)技術

2.1 系統(tǒng)性能

熱力性能是反映系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標，SAPG系統(tǒng)熱力性能主要從系統(tǒng)靜態(tài)性能和動態(tài)性能2方面分析。

總體來看，研究系統(tǒng)靜態(tài)性能時，多側(cè)重于SAPG系統(tǒng)與純光熱電站之間的性能比較、不同SAPG集成方案下系統(tǒng)的性能差異以及SAPG系統(tǒng)的耦合機理及能量相互影響關系等方面。

目前針對SAPG系統(tǒng)研究中，動態(tài)性能研究成果相比靜態(tài)性能較少。閻秦[32]搭建了槽式集熱器的動態(tài)模型，并以太陽能互補200 MW燃煤機組為例，對氣象條件變化下系統(tǒng)的動態(tài)性能展開研究。侯宏娟等[33]利用Transys軟件平臺構建了槽式SAPG系統(tǒng)的動態(tài)模型，對太陽能直射輻射強度發(fā)生突變時的系統(tǒng)動態(tài)性能展開模擬。呂培鑫等[34]同樣在Transys平臺上搭建了SAPG系統(tǒng)的動態(tài)模型，假設鍋爐和汽輪機效率不變的前提下對系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析。黃暢[35]在STAR-90仿真平臺上搭建了較完善的SAPG系統(tǒng)動態(tài)模型，探究太陽輻照瞬態(tài)變化對系統(tǒng)運行安全性的影響。ZHANG等[36-37]通過STAR-90系統(tǒng)構建槽式SAPG系統(tǒng)的動態(tài)模型，通過制定合理的運行策略仿真模擬了典型日工況下，SAPG系統(tǒng)主要運行參數(shù)隨太陽輻照實時變化的響應規(guī)律，并對集熱場的啟停時機進行優(yōu)化。目前關于系統(tǒng)動態(tài)性能研究多集中在氣象條件變化時，對SAPG系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性分析。

2.2 太陽能貢獻度評價方法

太陽能貢獻度通常用SAPG系統(tǒng)中太陽能發(fā)電功率表征，確定系統(tǒng)中太陽能的貢獻度是關鍵。目前，計算太陽能貢獻度的方法主要有熱量比例分配法[38]、抽汽做功能力法、熱經(jīng)濟成本法[11]和太陽能貢獻度解析算法[39]等。

SAPG功率系統(tǒng)分為功率不變型和功率增大型2種。在抽汽做功能力法中，對于功率不變型的SAPG系統(tǒng)，對比與光熱系統(tǒng)集成前后的燃煤機組煤耗量變化，將SAPG系統(tǒng)中燃煤機組煤耗量減少值歸功于光熱系統(tǒng)，從而算出太陽能的貢獻度。對于功率增大型SAPG系統(tǒng)，對比與光熱系統(tǒng)集成前后系統(tǒng)總發(fā)電功率變化，將SAPG系統(tǒng)中增加的發(fā)電功率歸功于光熱系統(tǒng)，從而算出太陽能的貢獻度。

熱量比例分配算法中，將SAPG系統(tǒng)中太陽能的輸入熱量和煤燃燒的放熱量看成等效熱量，利用太陽能熱量在SAPG系統(tǒng)中工質(zhì)吸收的總熱量占比計算太陽能貢獻度。該方法優(yōu)點是計算較簡單，但未對太陽能熱量和煤燃燒熱量品位進行區(qū)分，因此無法精確算出系統(tǒng)中太陽能貢獻度，結果偏大。

太陽能貢獻度解析法和熱經(jīng)濟成本法不僅考慮能量品位，還兼顧了太陽熱能在系統(tǒng)中的不等價特性，是2種相對準確的太陽能貢獻度計算方法。

3 太陽能熱與燃煤機組發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性是系統(tǒng)實用價值的重要體現(xiàn)，SAPG系統(tǒng)經(jīng)濟性能相關研究較多。楊勇平等[40]以300 MW槽式SAPG系統(tǒng)為研究對象，對其經(jīng)濟性進行研究，結果表明，系統(tǒng)發(fā)電成本約0.66元/kWh。崔映紅等[41]對比分析了不同耦合模式的SAPG系統(tǒng)經(jīng)濟性能，討論了集熱場與不同容量燃煤機組的受熱面集成時，系統(tǒng)運行經(jīng)濟性差異。毛劍[42]通過優(yōu)化集熱器工作溫度，獲得系統(tǒng)能源平均成本隨太陽直射輻射強度和換熱溫差的函數(shù)關系，以內(nèi)部收益率、總投資收益率為目標，對不同運行工況下系統(tǒng)經(jīng)濟效益進行敏感性分析。李少寧等[43]以初投資/節(jié)煤比為評價指標，對比分析了太陽能取代不同部位回熱抽汽集成方案的經(jīng)濟性，結果表明：被取代的回熱抽汽參數(shù)越高，系統(tǒng)投資/節(jié)煤比越大，經(jīng)濟效益越好。ZHAO等[44]提出了鏡場面積相對節(jié)省率這一指標，對不同容量SAPG系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析，結果發(fā)現(xiàn)，在相同太陽能發(fā)電量下，與單純光熱電站相比，SAPG系統(tǒng)的鏡場面積低于純光熱電站。綜上所述，SAPG系統(tǒng)光熱系統(tǒng)側(cè)的經(jīng)濟性優(yōu)于純光熱電站。

4 SAPG系統(tǒng)工程應用與發(fā)展趨勢

4.1 SAPG系統(tǒng)工程應用

現(xiàn)階段SAPG技術研究多集中于理論階段，實際工程相對較少，且已建成的電站多分布于國外，全球范圍部分SAPG電站建設情況見表1。2010年，全球首座Xcel光煤互補電站在美國科羅拉多州建成，該電站集熱場為8列150 m的槽式集熱系統(tǒng)，集熱場與49 MW燃煤機組集成[45]。2012年，澳大利亞Nova1光煤互補電站完成調(diào)式，其中集熱場容量為9.3 MW，采用菲涅爾式技術路線[46]。澳大利亞的Kogan Creek Solar Boost同樣采用菲涅爾式技術，但其光熱系統(tǒng)容量達44 MW[47]。2019年7月，印度國家電力公司在北方邦的達德里發(fā)電廠建設了全球首個商業(yè)運行的光煤互補電站，其中集熱場為33 000 m2的菲涅爾式鏡場[45]。我國境內(nèi)光煤互補電站實際工程較少，首個項目“大唐天威嘉峪關光煤互補項目”于2011年動工，2014年完成系統(tǒng)工程建設，該項目光熱系統(tǒng)容量為1.5 MW，采用槽式導熱油技術，由于多種原因，目前該項目已停止運營[48]。2015年，位于山西國金的1 MW塔式光熱系統(tǒng)集成350 MW燃煤機組項目，由東方鍋爐廠設計完成，該項目是我國第1個塔式光煤互補發(fā)電實際工程項目[49]。

表1 全球部分SAPG電站

4.2 未來發(fā)展方向

1)為解決大規(guī)模新能源電力的消納問題，電網(wǎng)運行中需充分釋放各類發(fā)電電源的調(diào)峰能力。SAPG系統(tǒng)中，燃煤機組和光熱系統(tǒng)均具有較好的調(diào)峰性能，將二者以適當方式耦合，在相應運行策略下，利用光熱系統(tǒng)中的蓄熱裝置與燃煤機組聯(lián)動運行，提高燃煤機組的調(diào)峰深度及負荷跟蹤速率，是未來SAPG系統(tǒng)的主要研究方向之一。

2)目前針對SAPG技術研究多集中于電力能源供應，雖部分文獻涉及系統(tǒng)熱電聯(lián)供探索，如DING等[50]構建了新型太陽能與供熱機組耦合模型，通過引入太陽能實現(xiàn)供熱機組的熱電解耦，提升了供熱機組側(cè)的調(diào)峰能力，但關于SAPG系統(tǒng)冷/熱電聯(lián)供技術的研究仍較少。在SAPG系統(tǒng)中，燃煤機組側(cè)可提供品質(zhì)較高的蒸汽用以工業(yè)制冷/熱或供汽，光熱系統(tǒng)側(cè)可提供品質(zhì)相對較低的熱水/蒸汽用于居民供暖。研究SAPG系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供技術，可大幅提升系統(tǒng)的能源利用率，是未來發(fā)展方向之一。

5 結語及展望

SAPG技術作為多能互補的重要利用形式之一，應用前景廣闊。本文著重介紹了目前SAPG技術的發(fā)展現(xiàn)狀，包括系統(tǒng)集成方案、熱力性能研究、經(jīng)濟性能研究、太陽能貢獻度等，并對未來發(fā)展趨勢進行分析。與燃煤機組集成的太陽能集熱場分為槽式和塔式技術2種。因集熱場換熱工質(zhì)的工作溫度不同，槽式SAPG系統(tǒng)的集成部位多集中于回熱抽汽側(cè)，塔式SAPG系統(tǒng)的集成部位既可在回熱抽汽側(cè)，也可在鍋爐側(cè)。目前SPAG電站的實際工程較少，針對SAPG系統(tǒng)的探索多集中于理論研究。研究表明，SAPG系統(tǒng)的熱力性能和經(jīng)濟性能均優(yōu)于純光熱機組，在眾多太陽能貢獻度計算方法中，太陽能貢獻度解析算法和熱經(jīng)濟成本法計算較準確。

通過合理的集成方式，利用光熱系統(tǒng)提升燃煤機組的深度調(diào)峰能力，降低太陽能熱發(fā)電成本，可能成為SPAG技術未來的發(fā)展方向之一；挖掘SAPG系統(tǒng)的熱電聯(lián)供技術，提高系統(tǒng)能源利用率，也將成為SAPG技術的重點研究課題之一。