太阳能发电效益浅析

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2种方案的热经济性分析

锅炉集成太阳能热会使锅炉的运行工况将发生变化，燃煤量减少，汽水分配发生变化，根据能量平衡和物质平衡，锅炉的减温水将减少。在机组定功率并带额定负荷、汽机侧不受影响、锅炉的出口蒸汽流量与参数不发生变化的情况下，由于锅炉集成太阳能热使减温水减少的部分(即给水的增加量)，将由减温水集热器场加热至锅炉给水的温度。为了便于比较，假定2种方案中的减温水集热器场工质流量相同，来比较2种连接方案的热经济性。表2给出了2种集成方案的热经济性模拟结果。

1）省煤器前方案中减温水集热器场与锅炉侧集热器场由于各自工质进入和离开集热器场的温度不发生变，而在流量发生变化时，集热效率保持不变。省煤器后方案中减温水集热器场入口和出口温度不变，在流量发生变化时集热效率保持不变，但锅炉侧集热器场的集热效率随流量增大而升高。这主要是由于随集成太阳能热增加，锅炉所需燃煤量减少，省煤器出口温度降低，即锅炉侧集热器场入口工质温度降低，而锅炉侧集热器场出口温度不变所致。

2）随着锅炉集成太阳能热增加，2种集成方案中锅炉侧集热器场和减温水集热器场工质流量增加。在减温水集热器场流量相同时，省煤器后方案的锅炉侧集热器场比省煤器前方案中的工质流量大，而集成热量略低于省煤器前方案。这是因为当减温水集热器场流量相同时，锅炉运行受到的热量扰动影响相同，但由于省煤器后方案中给水首先经过省煤器，吸收了部分尾部烟气的热量，与省煤器前方案相比，集成的热量小一些。又由于省煤器前方案的锅炉侧集热器场工质入口温度低于省煤器后方案的工质入口温度，而省煤器前方案和省煤器后方案的锅炉侧集热器场出口温度相同，因此省煤器前方案的锅炉侧集热器场效率高于省煤器后方案，同时又由于省煤器后方案的锅炉侧集热器场中的单位工质所需汽化能量小，因此经模拟计算，在减温水集热器场流量相同时，省煤器后方案中锅炉侧集热器场工质流量比较大。

3）锅炉集成太阳能热导致锅炉偏离了设计工况，锅炉效率降低。根据式(4)—(5)，由于有效太阳能热引入锅炉系统后，引起的系统不足归到了太阳能热利用系统。在减温水集热器场工质流量相同时，省煤器后方案中锅炉侧集热器场由于工质经过省煤器后吸收了部分尾部烟气的热量，锅炉效率要高于省煤器前方案，集成太阳能热引起的系统不足低于省煤器前方案。因此，经模拟计算，随着锅炉集成太阳能热增加，省煤器前方案和省煤器后方案的有效太阳能热发电效率降低，但省煤器后方案的有效太阳能热发电效率高于省煤器前方案。太阳能系统发电效率是集热器场效率和有效太阳能热发电效率的共同的作用结果。随着锅炉集成太阳能热增大，省煤器前方案和省煤器后方案的太阳能系统发电效率都降低。在减温水集热器场工质流量相同时，省煤器前方案太阳能系统发电效率高于省煤器后方案。这是由于省煤器后方案中减温水集热器场的效率较低所致。

技术经济性分析

LEC计算

根据上述分析计算，在机组定功率并带额定负荷、汽机侧不受影响、锅炉的出口蒸汽流量与参数不发生变化的情况下，随着锅炉集成太阳能热增大，机组所需燃煤量减少，机组所需的减温水量减少，减温水集热器场流量增大。如果在减温水量减少为零时，仍继续增大集成太阳能热量，则机组所需燃煤量进一步减少，根据能量平衡和物质平衡，则锅炉出口的过热蒸汽的温度将降低，不能保持参数不变。因此当减温水量为零时，锅炉系统集成的太阳能热为最大。但考虑到减温水对锅炉和机组运行的重要性，本文以下分析把减温水减少为总减温水量90%时，锅炉所集成的太阳能热量视为最大。这样可保留10%的减温水的调节量，以保证锅炉与机组运行的稳定。以呼和浩特地区太阳能辐射资源为例进行分析，太阳能辐射强度与所需技术经济分析的相关参数如表3和表4所示，计算结果如表5所示。省煤器前方案和省煤器后方案的集成热量分别为45.173MW和45.17MW。尽管省煤器后方案的有效太阳能热发电效率高于省煤器前方案，集成太阳能引起的系统不足低于省煤器前方案，但省煤器前方案的年节约标煤量高于省煤器后方案，这主要是由于省煤器后方案工质流量较大，泵功消耗较大所致。综合考虑各因素后经模拟计算，省煤器前方案的LEC为0.689￥/(kWh)，省煤器后方案LEC为0.699￥/(kWh)，低于单纯太阳能发电方式(0.14$/(kWh)[12])。如果计入碳减排收益(文中碳减排收益为CO2减排收益)，则省煤器前方案的LEC为0.663￥/(kWh)，省煤器后方案的LEC为0.673￥/(kWh)。

设计辐射强度对LEC的影响

由于太阳能辐射强度随时发生变化，设计辐射强度的选取将会影响锅炉集成太阳能热的经济性。省煤器前方案与省煤器后方案随设计辐射强度变化的LEC如图2所示。随着设计辐射强度增加，2种方案的LEC逐渐降低。这主要是由于辐射强度对集热场效率的影响，以及太阳能集热器场有效运行面积变化所造成的(太阳能集热器场有效面积是指偏离设计辐射强度时，实际运行的太阳能集热器场面积)，如图3和图4所示。当太阳能辐射强度低于设计辐射强度时，锅炉侧集热器场有效运行面积为设计辐射强度下集热器场面积，而减温水集热器场的有效面积小于设计辐射强度下集热器场面积，随着太阳能辐射强度降低而降低，省煤器后方案减温水集热器场的有效面积减少较快；而当太阳能辐射强度大于设计辐射强度时，减温水集热器场与锅炉侧集热器场的有效面积都小于设计辐射强度下集热器场面积，随着太阳能辐射强度增大而降低。由于太阳能集热器场有效面积的变化和集热器效率随设计辐射强度增大等因素，使太阳能热利用系统的LEC降低。根据图4所示，设计辐射强度应该选择尽可能高的辐射强度，这样可以减少太阳能集热场面积和投资。而且根据锅炉侧集热器场与减温水集热器场面积的变化规律，减温水集热器场可以与汽机侧、辅机侧集成太阳能热进行优化。

其他因素对LEC的影响

除了设计辐射强度的影响外，LEC还受到集热器成本、煤炭价格、碳(CO2)价格和系统寿命的影响，图5—8所示。LEC随单位集热器成本增大而增大，分别随煤价、碳(CO2)价格和系统寿命增加而降低。

本文作者：赵军杨昆作者单位：华北电力大学