塔式太阳能辅助超超临界燃煤电站耦合方案研究.pdf

为了充分的利用塔式太阳能集热场的能量，提出将塔式太阳能集热场与超超临界燃煤机组耦合的新型发电系统。太阳能可取代的锅炉受热面为省煤器段、低温过热段、一次再热器蒸汽低温段，结合能量梯级利用原理，提出4 种耦合方案，通过Ebsilon热力系统仿真软件进行建模和分析。对于使用二代熔融盐的塔式太阳能热电站与超超临界参数燃煤机组的耦合方案进行研究比较，结果表明：使用太阳能的热量加热锅炉尾部烟道受热面内流经的工质最适宜。同时，集热场中的熔融盐-给水换热器与省煤器并联、熔融盐-蒸汽换热器与一次低温再热器并联的效果最好。相较于原机组，可提高1.98%的机组热效率和1.7%的机组效率，并降低9.4 1 g/(kWh)的机组供电标准煤耗率。关键词：二代熔融盐；超超临界参数；太阳能辅助燃煤发电系统；耦合方案中图分类号：TM621.2文献标志码：A文章编号：1 6 7 2-4 7 6 3（2 0 2 3)0 4-0 0 1 8-0 6Zoschak等 3 学者提出了7 种可能的太阳能0前言热电站与传统燃煤电站耦合的方案。计算得到近年来，随着化石燃料日益减少且对环境的危害不断累积，对能源结构进行调整、提高可再生能源的开发量与利用率，显得十分重要 1。截至2 0 2 0 年，我国新能源发电累计装机容量达到5.3亿kW，在全国发电总装机容量中所占的比重达到了2 4.3%，在2 0 2 0 年我国新能源发电新增装机容量56 1 0 万kW，占全国电源总新增装机容量一半以上，达到6 2.8%2 。太阳能发电根据发电技术不同又可以分为光伏发电和光热发电。光热发电相较于风力发电和光伏发电，可以在外部能量资源波动的情况下实现连续、稳定发电，是一种更具有发展前景的新能源发电技术。太阳能辅助燃煤发电系统是一种可行、环保和高效的发电技术，具有良好的发展前景，对于能源结构以煤为主的中国实现节能减排具有重要的意义。光热发电技术主要有塔式、槽式、菲涅尔式和碟式。槽式光热发电技术是目前应用最为广泛、技术最为成熟的光热发电技术，但塔式光热发电技术相较于其他3 种光热发电技术具有更高的介质温度、光电转化效率和储热价值。收稿日期：2 0 2 1-1 0-0 8作者简介：张锦坤（1 995一），男，硕士研究生，研究方向为大型电站热力系统优化及经济性分析。引出水冷壁加过热器中的蒸汽至太阳能侧进行加热具有最好的机组热效率；从成本和运行控制方面考虑，引出回热系统的给水至太阳能侧进行加热最优。学者Hu等 4 使用太阳能集热场的热量替代汽轮机中抽汽的热量对给水进行加热，在相同的燃料量情况下，太阳能辅助燃煤电站使电厂的发电功率提高3 0%，有效降低CO2的排放量。学者崔映红等 5 研究了不同的耦合方案对太阳能辅助燃煤电站的影响，使用太阳能热量替代高参数的汽轮机抽汽去加热给水，优于使用太阳能热量替代低参数的抽汽去加热给水。学者张茂龙等 6 提出了1 种太阳能部分与锅炉部分并联的双源耦合锅炉模型的2 种耦合方案。2 种方案都可以获得较好的经济效益。使用光热加热过热蒸汽方案的吸纳极限是1 1 9MW，使用光热加热过冷水方案的吸纳极限是9 0MW。学者庞力平等 7 研究了1 0 0 0 MW容量的太阳能辅助燃煤电站，提出了从屏式过热器出口抽取蒸汽送入太阳能侧进行加热，得到额定参数的主蒸汽送入汽轮机的耦合方案，并且提出使用烟气再循环的方法来保证抽汽后锅炉的安全运行。第4 期1受热面耦合分析就塔式太阳能与超超临界参数锅炉耦合方案进行研究。熔融盐流程为：经吸热塔加热后进人蓄热罐，在系统工作时，经过换热器加热燃煤侧；换热后进人蓄冷罐，然后进人吸热塔完成循环。在耦合处通过分流阀将原进入锅炉的蒸汽（给水)部分分流至太阳能侧进行加热，加热后的蒸汽（给水）再进人锅炉侧。方案中锅炉内部受热面主要为：（1)锅炉过热器受热面，采用辐射-对流式，由四部分组成，包括顶棚和尾部烟道的四壁以及尾部的隔墙、布置在尾部烟道内的水平对流低温过热器、上部的屏式过热器部分、炉膛与末级高温过热器上方火焰折角。（2 一次再热器受热面，采用对流式，由尾部前烟道内的水平对流低温再热器和水平烟道末端的高温再热器组成。（3)二次再热器受热面，对流式，位于水平烟道内一次高温再热器与末级高温过热器之间。（4)省煤器位于锅炉尾部烟道内，分别安装在前后分竖井的下部 8 。锅炉各受热面内工质设计工作温度如表1 所示。表1 锅炉各受热面内工质设计工作温度单位：项目温度省煤器进口给水温度320省煤器出口给水温度360低温过热器蒸汽进口温度435给水一低温过热器蒸汽出口温度过热屏式过热器蒸汽进口温度蒸汽段屏式过热器蒸汽出口温度高温过热器蒸汽进口温度高温过热器蒸汽出口温度高温段蒸汽进口温度一次高温段蒸汽出口温度再热器低温段蒸汽进口温度蒸汽段低温段蒸汽出口温度二次再热蒸汽进口温度器蒸汽段蒸汽出口温度根据表1 中锅炉各受热面设计工作温度的不同，可以将炉内受热面分为两部分，即工作温度超过二代熔融盐最高稳定工作温度56 5的受热面，称其为高温受热面，主要有高温过热器、一次再热器蒸汽高温段和二次再热器蒸汽段三部分锅炉受热面；另一部分称为低温受热面，其主要有省煤器、低温过热器、屏式过热器和一次再热器蒸汽低温段四部分锅炉受热面。张锦坤，等：塔式太阳能辅助超超临界燃煤电站耦合方案研究发生超温爆管现象 9。因炉膛受热面内流经的蒸汽分流部分到太阳能侧，炉膛受热面内流经蒸汽减少。这将导致炉膛的热负荷加重，增大了炉膛受热面发生超温爆管的概率。因尾部烟道受热面内流经的蒸汽分流部分到太阳能侧，有效降低了尾部烟道受热面的吸热量。此时不需要太高的炉膛出口烟温来保证尾部烟道受热面的吸热量，可有效降低炉膛的热负荷。综上，在使用太阳能的热量分流加热锅炉受热面内流经的蒸汽时，应尽量避免分流加热炉膛460受热面内流经的蒸汽，保证炉膛内受热面有充足450的蒸汽流过，以避免管道的超温爆管；应尽量分539流加热尾部烟道受热面内流经的蒸汽，以减少尾523部烟道受热面的吸热量，进而可以降低炉膛出口60050062043751040762019对于高温受热面，集热场无法将蒸汽加热到与高温受热面内流动蒸汽相同的温度。且两股蒸汽温度相差太大，其混合时会产生较大的损失以及对管道产生较大的热应力。高温受热面不适宜采用太阳能分流加热部分蒸汽的方式进行集热场与燃煤机组的集成。对于低温受热面，集热场能够将蒸汽加热到与低温受热面内流动蒸汽相同的温度。可以采用太阳能分流加热部分蒸汽的方式进行集热场与燃煤机组的集成。二次再热锅炉增加了水平烟道上的二次再热蒸汽受热面，进入尾部烟道的烟温降低，容易使得尾部烟道上的受热面吸热量不足。而提高炉膛烟温，会使炉膛内的热负荷增加，炉膛受热面所受热应力增加。受热面所受热应力更大，易烟温，有效减轻炉膛内的热负荷。2耦合方案根据$1 可以得到，太阳能可取代的锅炉受热面为：（1)省煤器段；（2）低温过热段；（3）一次再热器蒸汽低温段。结合能量梯级利用原理，提出以下耦合方案。2.1方案一：熔融盐-给水换热器与省煤器并联系统简图如图1，其中高压加热器简称高加，下同。在原有基础上，在前置式蒸汽冷却器之前加设熔融盐-给水换热器，与省煤器并联，将原本进人锅炉省煤器的给水分流，一部分给水流经熔融盐-给水换热器，吸收集热场中热熔融盐的热量，另一部分通过省煤器，吸收锅炉内烟气的热量。20太阳吸热器储热罐镜场熔融盐泵就储冷罐熔融盐泵熔融盐一给水换热器电前置蒸汽冷却器2如果用熔融盐的热量加热从省煤器进口到低温过热器出口这段过程的全部给水，就是用熔融盐的热量将流量为7 1 0 kg/s的给水，从3 2 0 加热到4 6 0。虽然热熔融盐温度能够达到需求，但是对热熔融盐的流量需求大于7 1 0 kg/s，集热场加热熔融盐的流量只有3 0 0 kg/s左右，此时就需要从储热罐流出热熔融盐，会造成储热罐流出的熔融盐流量大于流人的熔融盐流量，由于储热罐容积有限，因此无法在该工况下长时间运行。为了使互补系统其他部分热力特性尽量保持不变，根据仿真计算可以得到，集热场无法使给水温度达到过热器出口4 6 0，所以耦合方案太阳高压缸锅炉超高库缸中压缸吸热器储热罐蒸汽换热器熔融盐一镜场一次低温再热器省煤器储冷罐前置汽高如高2 高3高加4 除氧器低咖6 低加7低加8 低加9低加1 0冷划器！熔融盐泵熔融盐给水换热器前置蒸汽冷却器2对于燃煤侧的工质流经换热器的流程为：前置式蒸汽冷却器出口的给水一部分进人集热场的熔融盐-给水换热器，另一部分进人燃煤侧的省煤器，混合后进人水冷壁。超高压缸出口的冷一次再热器蒸汽一部分进人集热场的熔融盐-蒸汽换热器，另一部分进人燃煤侧的一次低温再热器，混合后进人一次高温再热器。方案中，太阳能的热量被分为高温和低温两部分，高温被用于加热温度较高的一次再热蒸汽，加热之后剩余的低温热量部分加热锅炉给水。较高的换热温差会引起高的不可逆损失，应优先使用太阳能的热量加热一次再热蒸锅炉技术锅炉超高压缸高压缸中压缸省煤器，前置表汽高加高加2 高加3 高如4 除氧器冷却！H小汽轮机给水泵图1 方案一热力系统简图只使用集热场中热熔融盐的热量加热流经省煤器的部分锅炉给水。2.2方案二：熔融盐-给水换热器与省煤器并联，熔融盐-蒸汽换热器与一次低温再热器并联热力系统简图如图2，以原有燃煤发电系统为基础，除了加设熔融盐-给水换热器与省煤器并联,另外再加设一个熔融盐-蒸汽换热器，与一次再热器蒸汽低温段并联。太阳能侧的熔融盐-蒸汽换热器与熔融盐-给水换热器串联布置，使得吸热之后的高温熔融盐首先经过熔融盐-蒸汽换热器进行放热，再经过熔融盐-给水换热器进行放热。低压缸小汽轮机给水泵图2 方案二热力系统简图汽，满足一次再热蒸汽的加热后，低温加热锅炉给水。2.3方案三：熔融盐-给水换热器与省煤器并联，熔融盐-蒸汽换热器与一次低温再热器并联，取消1 号高压加热器热力系统简图如图3，燃煤侧的1 号高压加热器被取消，从2 号高压加热器出来的给水直接进入前置式蒸汽冷却器1 进行加热，加热后一部分进人集热场的熔融盐-给水换热器，另一部分进人燃煤侧的省煤器，吸热后在熔融盐-给水换热器出口和省煤器出口的连接处进行混合，混合后进人水冷壁进行下一步吸热。第54 卷低压缸低压缸低加6 低加7低加8 低加9低加1 0低压缸凝汽器凝结水泵凝汽器4凝结水泵第4 期张锦坤，等：塔式太阳能辅助超超临界燃煤电站耦合方案研究21太阳吸热器储热罐熔融盐-催蒸汽换热器熔融家一次低温镜场再热器储冷罐省煤器前置泰汽熔融盐泵熔融盐-给水换热器前置蒸汽冷却器2对于一次再热蒸汽的流程、熔融盐的工艺流程与方案二相同。但是在能量分配上，由于1 号高压加热器被取消，锅炉给水少了一级回热抽汽的加热，所以给水温度将降低，为了保持系统热力特性不变，需要消耗太阳能侧热量将给水温度加热到额定工作温度和压力，所以此时太阳能热量将首先满足锅炉给水的温度和压力需求，再用于加热一次再热蒸汽。在此方案中，最高级回热抽汽被太阳能取太阳高压缸中压缸锅炉超高压缸吸热器储热罐一次低温镜场熔融盐泵储冷罐熔融盐泵3耦合方案评价及分析由于集热场在辅助系统中属于辅助地位，本文在耦合方案的评价上，以燃煤侧的热经济效益最大化为评价标准。汽轮机组绝对电效率 1 0 1 为：3600Pn=Q。式中:P。一发电机发出的电功率，kW；Q。一汽轮机热耗，kJ/h。全厂净效率为：ep=nbnpnengd式中：n6锅炉热效率，取0.93；管道热效率，取0.97；全厂供电效率，取0.95。高压缸锅炉超高屏缸中压缸0高凸2 高凹3 高加4 除氧器给水泵图3 方案三热力系统简图代，被取代的回热抽汽在汽轮机中继续做功，在主蒸汽流量不变的情况下，可以增加系统的发电量。2.4方案四：熔融盐-给水换热器与省煤器串联，取消所有高压回热抽汽热力系统简图如图4，结构上与方案一结构相似，不同点在于它同时切断了所有高压回热抽汽，给水泵出来的给水直接进入集热场中的熔融盐-给水换热器进行加热，然后进人省煤器。低压缸再热器熔融盐一给水换热器低压缸低加6 低加7低8 低加 低加1 0小汽轮机低压缸除氧器低加6 低加7低加8 低加9低加1 0小汽轮机给水泵图4 方案四热力系统简图机组效率为：I,+I+I+Ih7ex=1Bef式中：Ib锅炉损失，kJ；I。汽轮机损失（包括机械损失和电气损失),kJ;I。凝汽器损失，kJ；(1)Ih一回热系统损失，kJ；B发电标准煤消耗，kg；ef标煤的化学，kJ/kg。供电标准煤耗率（简称煤耗率)为：（2)6=0.122.97ep本文以1 0 0 0 MW超超临界二次再热机组为参考，该机组共有1 0 级抽气，抽气参数如表2所示。低压缸中诞结洁水泵(3)(4)凝汽器凝结水泵凝汽器22表2 1 0 0 0 MW超超临界二次再热机组抽气参数参数温度/一级抽气426.1二级抽气537.9三级抽气445.1四级抽气536.1五级抽气455.7六级抽气402.7七级抽气320.5八级抽气201.6九级抽气123.9十级抽气63.6根据4 种耦合方式，下文将集热场与超超临界二次再热机组相耦合，形成多个辅助系统。通过对比辅助系统各耦合方案的热力特性，最后得出最佳的耦合方案。该机组主要参数如表3 所示。表3 1 0 0 0 MW超超临界二次再热机组主要参数参数发电功率/MW主蒸汽压力/MPa主蒸汽温度/主蒸汽流量/(kg?s-1)一次再热蒸汽压力/MPa一次再热蒸汽温度/一次再热蒸汽流量/(kgs-1)二次再热蒸汽压力/MPa二次再热蒸汽温度/二次再热蒸汽流量/（kgs-1）锅炉给水流量/(kgs-1）凝汽器压力/kPa供电标准煤耗率/（gkW-1.h-1）机组热效率/%机组效率/%塔式太阳能集热场的相关参数如表4（DNI为太阳法向直射辐照度)所示。参与耦合的集热场参数及耦合后各方案运行指标如表5所示。由表5中仿真计算数据可知，由于方案一和方案二仅使用太阳能的热量分流加热部分锅炉受热面内的工质，在太阳能侧工况和燃煤侧工况均相同的情况下，发电功率、煤耗率及机组热效率指标基本相同。虽然2 个方案中工质从太阳能侧获得的热量相同，但因为在太阳能侧被加热的工质参数不同，其换热温差不同，导致加热过程中损失量各不相同，最终导致方案一和方案二的效率出现了差异。方案二太阳能热量加热的工质为再热蒸汽，其温度相较于方案一的给水更高，和太阳能侧的热熔融盐之间具有更低的锅炉技术换热温差，所以方案二的机组效率更高。压力/MPa表4 塔式太阳能集热场10.58参数6.12DNI/(Wm)3.41定日镜总面积/m1.80熔融盐流速/(th-1)1.07吸热器进口熔融盐温度/0.75吸热器出口熔融盐温度/0.41换热器下端差/0.13管侧工作压力/MPa0.06壳侧的工作压力/MPa0.02表5塔式太阳能辅助燃煤机组主要参数项目方案一方案二方案三方案四发电功率/MW1001.441001.751097.391250.79主蒸汽压力/MPa30主蒸汽温度/600一次再热蒸汽9.97压力/MPa一次再热蒸汽温度/数值二次再热蒸汽压力/MPa1000二次再热蒸汽温度/30分流比1 1)600710.81106206333620545710.814.6280.7846.1043.58第54 卷数值850781 2501013.058291.885565536530306006009.999.886206203.043.066206200.2720.5010.5010.011 1分流比2 2)0.3供电标准煤耗率/271.44271.37273.62282.77(gkW-1.h-1)机组热效率/%48.0148.0847.02845.75机组效率/%44.5045.2843.8233.50注：1)分流比1 指进入熔融盐-给水换热器的流量与总给水流量的比值；2)分流比2 指进人熔融盐-蒸汽换热器的流量与二次再热蒸汽流量的比值。方案三和方案四对燃煤侧的抽汽回热系统进行了改动，取消了部分高压加热器，减少了汽轮机的抽汽量，有更多的蒸汽被用于发电，所以方案三、方案四相较于方案一、方案二具有更高的发电功率。但因为取消了部分高压加热器，机组回热系统的热效率降低，使得整体机组热效率降低，并且随着取消的高压加热器台数增加，机组整体热效率进一步降低。效率方面，由于方案三加热了再热蒸汽，其换热温差较低，所以损失更少，同时，由于方案三只取消了一台高压加热器，所以相较于方案四具有更高的给水温度，使得损失更小。方案四因为取消了所有的高压加热器，所以进入熔融盐一给水换热器的给水温度更低，造成了较高的损失，所以其效率相较其他方案更小，仅为3 3.50%。方案四的仿真结果也进一步说明了，尽管集热场能够提供较多的热量，但对于大容量燃煤机组来说，一方306009.886206203.063.066206200.3第4 期面给水流量较大，集热场的热量不足以加热给水到达额定工作温度，另一方面，给水泵出口的给水温度较低，如果使用集热场的热量直接对其进行加热，容易造成较大的损失，所以，集热场的热量应尽可能加热更高温度参数的蒸汽。整体比较4 个耦合方案，方案二即集热场中的熔融盐-给水换热器与省煤器并联，熔融盐-蒸汽换热器与一次低温再热器并联的效果最好，具有更高的机组热效率和机组效率,更低的煤耗率。4结语（1）对于以二代熔融盐作为传热介质的塔式太阳能集热场，其与超超临界参数锅炉进行耦合时，由于二代熔融盐物性限制，太阳能的热量只能加热温度低于56 5的蒸汽，同时又出于锅炉运行安全的考虑，使用太阳能的热量加热锅炉尾部烟道受热面内流经的工质最适宜。（2）采用集热场中的熔融盐-给水换热器与省煤器并联，熔融盐-蒸汽换热器与一次低温再热器并联的方案，具有更高的机组热效率和机组效率,更低的煤耗率。相较于原机组，可提高1.98%的机组热效率和1.7%的机组效率，并降低9.4 lg/（k Wh)的机组供电标准煤耗率。Research on Coupling Scheme of Tower-Type Solar Energy Assisted(College of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Abstract:In order to make full use of the energy of the tower-type solar energy collectionfield,a new power generation system coupling the tower-type solar energy collection field withthe ultra-supercritical coal-fired unit is proposed.The boiler heating surface that can be replacedby solar energy are:economizer section,low temperature superheating section and primarystage repeated steam low temperature section.Four coupling schemes are proposed accordingto the principle of energy cascade utilization.Modeling and analysis were carried out by Ebsi-lon thermal system simulation software.The coupling scheme of the tower-type solar thermalpower station using the second generation molten salt and the ultra-supercritical parametercoal-fired unit is studied and compared,and the conclusion is that the working medium flowingthrough the heating surfaces of the boiler rear pass is most suitable to use the solar heat.At thesame time,the effects of parallel connection between the molten salt-feed water heat exchangerand economizer and between the molten salt-steam heat exchanger and the low temperature pri-mary stage reheater are the best.Compared with the original unit,the thermal efficiency andthe exergic efficiency of the unit can be increased by 1.98%and 1.7%respectively,and thestandard coal consumption rate of the unit power supply can be reduced by 9.4l g/(kW.h).Key words:second generation molten salt;ultra-supercritical parameters;solar energyassisted coal-fired power generation system;coupling scheme张锦坤，等：塔式太阳能辅助超超临界燃煤电站耦合方案研究2017,37(5):1417-1426.8李海新.超超临界二次再热锅炉受热面布置及热力计算分析D.北京：华北电力大学，2 0 1 4.9沈宵锅炉受压元件强度分析与设计（节选)英译实践报告D .哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 1 9.10蒋明昌，庄彩丽发电厂全厂效率计算J中国能源，1995(9):6-10.Ultra-Supercritical Coal Fired UnitsZHANG Jinkun,WANG Du,HUANG Jia23参考文献：1 江晶亮，顾磊，陈世通.塔式熔盐太阳能光热电站蒸汽发生器传热数值模拟设计计算 J.锅炉技术，2 0 2 1，52（1）：1 4-2 0.2国家能源局国家能源局发布2 0 2 0 年全国电力工业统计数据EB/OL.（2 0 2 1-0 1-2 0）2 0 2 1-0 3-0 1 .h t t p:/w w ZOSCHAK R J,WU S F.Studies of the direct input of solarenergy to a fossil-fueled central station steam power plantJ.SolarEnergy,1975,17(5):297-305.4 HU E,YANGY D,NISHIMURAA,et al.Solar thermalaided power generationJJ.Applied Energy,2010,87(9):2881-2885.5 崔映红，陈娟太阳能与燃煤机组集成方案的经济性研究J 华北电力大学学报（自然科学版），2 0 0 9，3 6（1）：69-75.6张茂龙，杜小泽，徐超，等塔式太阳能辅助加热燃煤电站锅炉吸纳极限分析J中国电机工程学报，2 0 1 6（2 0）：5523-5529,7】庞力平，李瑞华，孙诗梦，等塔式太阳能辅助1 0 0 0 MW燃煤发电机组锅炉的热力性能分析 J.中国电机工程学报，