太陽能發電效益淺析

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2種方案的熱經濟性分析

鍋爐集成太陽能熱會使鍋爐的運行工況將發生變化，燃煤量減少，汽水分配發生變化，根據能量平衡和物質平衡，鍋爐的減溫水將減少。在機組定功率并帶額定負荷、汽機側不受影響、鍋爐的出口蒸汽流量與參數不發生變化的情況下，由于鍋爐集成太陽能熱使減溫水減少的部分(即給水的增加量)，將由減溫水集熱器場加熱至鍋爐給水的溫度。為了便于比較，假定2種方案中的減溫水集熱器場工質流量相同，來比較2種連接方案的熱經濟性。表2給出了2種集成方案的熱經濟性模擬結果。

1）省煤器前方案中減溫水集熱器場與鍋爐側集熱器場由于各自工質進入和離開集熱器場的溫度不發生變，而在流量發生變化時，集熱效率保持不變。省煤器后方案中減溫水集熱器場入口和出口溫度不變，在流量發生變化時集熱效率保持不變，但鍋爐側集熱器場的集熱效率隨流量增大而升高。這主要是由于隨集成太陽能熱增加，鍋爐所需燃煤量減少，省煤器出口溫度降低，即鍋爐側集熱器場入口工質溫度降低，而鍋爐側集熱器場出口溫度不變所致。

2）隨著鍋爐集成太陽能熱增加，2種集成方案中鍋爐側集熱器場和減溫水集熱器場工質流量增加。在減溫水集熱器場流量相同時，省煤器后方案的鍋爐側集熱器場比省煤器前方案中的工質流量大，而集成熱量略低于省煤器前方案。這是因為當減溫水集熱器場流量相同時，鍋爐運行受到的熱量擾動影響相同，但由于省煤器后方案中給水首先經過省煤器，吸收了部分尾部煙氣的熱量，與省煤器前方案相比，集成的熱量小一些。又由于省煤器前方案的鍋爐側集熱器場工質入口溫度低于省煤器后方案的工質入口溫度，而省煤器前方案和省煤器后方案的鍋爐側集熱器場出口溫度相同，因此省煤器前方案的鍋爐側集熱器場效率高于省煤器后方案，同時又由于省煤器后方案的鍋爐側集熱器場中的單位工質所需汽化能量小，因此經模擬計算，在減溫水集熱器場流量相同時，省煤器后方案中鍋爐側集熱器場工質流量比較大。

3）鍋爐集成太陽能熱導致鍋爐偏離了設計工況，鍋爐效率降低。根據式(4)—(5)，由于有效太陽能熱引入鍋爐系統后，引起的系統不足歸到了太陽能熱利用系統。在減溫水集熱器場工質流量相同時，省煤器后方案中鍋爐側集熱器場由于工質經過省煤器后吸收了部分尾部煙氣的熱量，鍋爐效率要高于省煤器前方案，集成太陽能熱引起的系統不足低于省煤器前方案。因此，經模擬計算，隨著鍋爐集成太陽能熱增加，省煤器前方案和省煤器后方案的有效太陽能熱發電效率降低，但省煤器后方案的有效太陽能熱發電效率高于省煤器前方案。太陽能系統發電效率是集熱器場效率和有效太陽能熱發電效率的共同的作用結果。隨著鍋爐集成太陽能熱增大，省煤器前方案和省煤器后方案的太陽能系統發電效率都降低。在減溫水集熱器場工質流量相同時，省煤器前方案太陽能系統發電效率高于省煤器后方案。這是由于省煤器后方案中減溫水集熱器場的效率較低所致。

技術經濟性分析

LEC計算

根據上述分析計算，在機組定功率并帶額定負荷、汽機側不受影響、鍋爐的出口蒸汽流量與參數不發生變化的情況下，隨著鍋爐集成太陽能熱增大，機組所需燃煤量減少，機組所需的減溫水量減少，減溫水集熱器場流量增大。如果在減溫水量減少為零時，仍繼續增大集成太陽能熱量，則機組所需燃煤量進一步減少，根據能量平衡和物質平衡，則鍋爐出口的過熱蒸汽的溫度將降低，不能保持參數不變。因此當減溫水量為零時，鍋爐系統集成的太陽能熱為最大。但考慮到減溫水對鍋爐和機組運行的重要性，本文以下分析把減溫水減少為總減溫水量90%時，鍋爐所集成的太陽能熱量視為最大。這樣可保留10%的減溫水的調節量，以保證鍋爐與機組運行的穩定。以呼和浩特地區太陽能輻射資源為例進行分析，太陽能輻射強度與所需技術經濟分析的相關參數如表3和表4所示，計算結果如表5所示。省煤器前方案和省煤器后方案的集成熱量分別為45.173MW和45.17MW。盡管省煤器后方案的有效太陽能熱發電效率高于省煤器前方案，集成太陽能引起的系統不足低于省煤器前方案，但省煤器前方案的年節約標煤量高于省煤器后方案，這主要是由于省煤器后方案工質流量較大，泵功消耗較大所致。綜合考慮各因素后經模擬計算，省煤器前方案的LEC為0.689￥/(kWh)，省煤器后方案LEC為0.699￥/(kWh)，低于單純太陽能發電方式(0.14$/(kWh)[12])。如果計入碳減排收益(文中碳減排收益為CO2減排收益)，則省煤器前方案的LEC為0.663￥/(kWh)，省煤器后方案的LEC為0.673￥/(kWh)。

設計輻射強度對LEC的影響

由于太陽能輻射強度隨時發生變化，設計輻射強度的選取將會影響鍋爐集成太陽能熱的經濟性。省煤器前方案與省煤器后方案隨設計輻射強度變化的LEC如圖2所示。隨著設計輻射強度增加，2種方案的LEC逐漸降低。這主要是由于輻射強度對集熱場效率的影響，以及太陽能集熱器場有效運行面積變化所造成的(太陽能集熱器場有效面積是指偏離設計輻射強度時，實際運行的太陽能集熱器場面積)，如圖3和圖4所示。當太陽能輻射強度低于設計輻射強度時，鍋爐側集熱器場有效運行面積為設計輻射強度下集熱器場面積，而減溫水集熱器場的有效面積小于設計輻射強度下集熱器場面積，隨著太陽能輻射強度降低而降低，省煤器后方案減溫水集熱器場的有效面積減少較快；而當太陽能輻射強度大于設計輻射強度時，減溫水集熱器場與鍋爐側集熱器場的有效面積都小于設計輻射強度下集熱器場面積，隨著太陽能輻射強度增大而降低。由于太陽能集熱器場有效面積的變化和集熱器效率隨設計輻射強度增大等因素，使太陽能熱利用系統的LEC降低。根據圖4所示，設計輻射強度應該選擇盡可能高的輻射強度，這樣可以減少太陽能集熱場面積和投資。而且根據鍋爐側集熱器場與減溫水集熱器場面積的變化規律，減溫水集熱器場可以與汽機側、輔機側集成太陽能熱進行優化。

其他因素對LEC的影響

除了設計輻射強度的影響外，LEC還受到集熱器成本、煤炭價格、碳(CO2)價格和系統壽命的影響，圖5—8所示。LEC隨單位集熱器成本增大而增大，分別隨煤價、碳(CO2)價格和系統壽命增加而降低。

本文作者：趙軍楊昆作者單位：華北電力大學