太阳能辅助燃煤发电系统研究硕士学位论文.docx

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太阳能辅助燃煤发电系统研究硕士学位论文

硕士学位论文

太阳能辅助燃煤发电系统研究

ResearchonSolarEnergyAidedCoal-firedPowerGenerationSystem

ClassifiedIndex:

TK01+9

U.D.C:

621

DissertationfortheMasterDegreeinEngineering

ResearchonSolarEnergyAidedCoal-firedPowerGenerationSystem

Candidate：

MengjiaoWANG

Supervisor：

Prof.XiuyanWANG

AcademicDegreeAppliedfor：

MasterofEngineering

Speciality：

EngineeringThermophysics

School：

SchoolofEnergyPowerandMechanicalEngineering

DateofDefence：

March,2012

Degree-Conferring-Institution：

NorthChinaElectricPowerUniversity

华北电力大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：

此处所提交的硕士学位论文《太阳能辅助燃煤发电系统研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：

王梦娇日期：

年月日

华北电力大学硕士学位论文使用授权书

《太阳能辅助燃煤发电系统研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。

本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。

本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。

本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。

本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：

保密□，在年解密后适用本授权书

不保密□

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

面临环境污染、化石燃料短缺及电力供应不足的严峻局势，结合我国丰富的太阳能资源，提出太阳能辅助燃煤集成发电系统。

作为一种新型的复合能源发电系统，太阳能辅助燃煤集成发电系统既可以降低燃煤发电污染严重的状况，又可以改善太阳能热发电的性能，同时具备太阳能与燃煤发电的优势，又避免了各自单独发电的不足，是构建可持续发展电力能源体系的新的途径。

针对太阳能与燃煤机组设计工况下集成的局限性，提出在燃煤机组实际运行工况下由太阳能作为辅助热源与其集成发电；而且不同于以往太阳能集热器循环工质多取自于燃煤机组热力系统循环给水，提出由回热加热器的疏水作为太阳能集热器循环工质的入口，产生符合一定参数与数量的蒸汽后再引入相应回热加热器以加热循环给水，从而取代相应回热抽汽。

对太阳能集热器产生蒸汽分别与某600MW超临界燃煤机组在THA、75%THA、50%THA、40%THA、30%THA基准工况下回热抽汽系统集成方案建立变工况迭代计算模型，进行集成系统热力性能、集热器热效率和集热场面积的对比分析。

定义节煤量，对太阳能集热器产生蒸汽取代各基准工况下燃煤机组回热抽汽的集成方案进行分析，得知以各工况为基准的集成方案的节煤量变化趋势并不完全相同。

因此，单纯在THA设计工况下研究集成发电方式有一定的局限性。

对于厂用汽工况下厂用蒸汽取自回热抽汽而影响机组热经济性的问题，提出用太阳能集热器产生蒸汽取代厂用汽源，并对太阳能集热器产生蒸汽取代某600MW超临界燃煤机组厂用蒸汽汽源进行理论分析与计算。

在某600MW超临界机组单纯燃煤厂用汽工况基础上，对太阳能集热器产生蒸汽取代厂用蒸汽汽源与取代各级回热抽汽进行对比分析，表明以节煤量作为评价标准，不论是太阳能集热器产生蒸汽取代厂用汽源还是取代回热抽汽，各集成方案热力性能均比原单纯燃煤机组要好；太阳能集热器产生蒸汽取代2段抽汽的节煤量是所有的集成方案中最多的，节煤量高达15.34g/（kW·h）。

要实现太阳能辅助燃煤集成发电系统的规模化，应从技术方面加大对太阳能热发电聚光、集热等设备的研发，从政策方面加大对于太阳能开发、利用的激励与扶持力度，为集成发电系统提供基本的政策支持。

关键词：

太阳能；燃煤机组；集成发电系统；节煤量；厂用蒸汽系统

Abstract

Facedwiththeseveresituationofenvironmentalpollution,fossilfuelandpowersupplyshortage,combinedwithrichsolarresourcesofourcountry,solarenergyaidedcoal-firedpowergenerationwasproposed.Beinganewcompositepowersystem,solarenergyaidedcoal-firedpowergenerationcanreducethepollutionofcoal-firedpowergenerationandimprovetheperformanceofsolarthermalpowergeneration,whichnotonlyhastheadvantagesofbothsolarthermalandcoal-firedpowergeneration,butalsoavoidsthedisadvantagesofeachpowergeneration.Solarenergyaidedcoal-firedpowergenerationisanewwaytobuildsustainabledevelopmentpowersystem.

Becauseofthelimitationsofsolarandcoal-firedpowergenerationintegrationsystembasedondesignconditions,solarenergyaidedcoal-firedpowergenerationbasedonpracticaloperationconditionswasproposed.Beingdifferentwithcirculationmediumofsolarcollectorintroducingfromcoal-firedpowergeneration’scirculationfeedwater,proposingthatintroducethebleedingoffeedheaterintosolarcollectorandthenenteringintothecorrespondingfeedheaterafterconvertingintosteamtoheatfeedwater,andreplacingthecorrespondingextractionsteam.SolarenergyrespectivelyintegratewithbleedingsystemwithTHA、75%THA、50%THA、40%THA、30%THAtobereferenceandmodelvariableconditioniterativecalculationmethod.Thermalperformance,collectorthermalefficiencyandcollectorfieldareawereanalyzed.

CoalSavingRate（CSR）wasdefinedtoanalyzedifferentmodesofsolarreplacingextractionsteamondifferentreferenceconditions.TheresultsshowedthattrendofCSRofdifferentintegrationmodesondifferentreferenceconditionsisnotfullythesame,whichillustratesthelimitationsofintegrationmodesbasedonreferenceconditions.

Auxiliarysteamisfromextractionsteamofauxiliarysteamcondition,whichreducesthethermalperformanceofunit.Solarreplacingthesourceofauxiliarysteamsystemwasproposedandanalyzed.

Basedonauxiliarysteamconditionofa600MWsupercriticalunit,analyzemodesofsolarreplacingsourceofauxiliarysteamandextractionsteam.Theresultsshowedthatallthemodes’thermalperformanceisbetterthancoal-firedunitwithCSRbeingindex.ThemostCSRis15.34g/（kW·h）,whichissolarreplacingthe2ndextractionsteam.

Torealizescaleofsolarenergyaidedcoal-firedpowergeneration,itisproposedthatononehand,increasingtheresearchanddevelopmentofsolarthermalpowerconcentratingandcollectingdevicesintermsoftechnology,ontheotherhand,increasingtheincentiveandsupportforsolarenergydevelopandutilizationintermsofpolicy.

Keywords:

solarenergy，coal-firedpowergeneration，integrationpowergeneration，CoalSavingRate，auxiliarysteamsystem

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1选题背景1

1.1.1能源概况1

1.1.2我国太阳能资源1

1.1.3集成热发电3

1.2国内外研究动态3

1.2.1国外研究动态3

1.2.2国内研究动态4

1.3主要研究内容4

第2章太阳能辅助燃煤发电技术6

2.1简介6

2.2优势6

2.2.1燃煤侧7

2.2.2太阳能侧8

2.3分类8

2.3.1按太阳能集热系统的作用分类9

2.3.2按太阳能集热器形式分类10

2.3.3按集成系统运行模式分类11

2.4本章小结12

第3章太阳能辅助燃煤发电系统计算分析13

3.1600MW机组基准工况13

3.1.1机组简介13

3.1.2基准工况热力计算14

3.1.3等效热降法17

3.1.4系统热力计算分析18

3.2集成系统集成方案20

3.2.1循环介质的确定20

3.2.2热力学建模21

3.2.3集成系统热力性能计算分析22

3.3集热场布置分析28

3.3.1集热器热效率28

3.3.2集热场面积30

3.4本章小结31

第4章太阳能与厂用蒸汽汽源集成分析33

4.1厂用蒸汽系统简介33

4.1.1厂用蒸汽系统的供汽汽源33

4.1.2厂用蒸汽的用途34

4.1.3厂用蒸汽系统的疏水35

4.1.4辅助蒸汽联箱35

4.2厂用蒸汽系统热力性能分析35

4.3集成系统理论分析37

4.3.1设备连接分析38

4.3.2系统运行分析38

4.4集成方案实例分析39

4.4.1集成方案39

4.4.2燃煤侧热力性能分析40

4.5太阳能与厂用汽源集成和与回热抽汽集成对比分析42

4.6本章小结43

第5章集成系统规模化问题44

5.1技术方面44

5.2政策方面44

5.3本章小结44

第6章结论与展望45

6.1主要研究结论45

6.2后续工作展望46

参考文献47

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果50

攻读硕士学位期间参加的科研工作51

致谢52

第1章绪论

1.1选题背景

1.1.1能源概况

能源是实现社会可持续发展的重要物质基础，是推动国民经济发展的强大动力[1]。

目前，世界上绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等化石燃料为主要能源，然而地球上的化石能源是有限的。

据《BP世界能源统计2009》的数据表明，截止2008年底，全球原油剩余探明储量为1.258万亿桶（不含加拿大油砂），全球天然气探明储量为185.02万亿立方米，全球煤炭探明储量0.826万亿吨。

按2008年的年开采速度计算，原油、天然气和煤炭仅可分别开采42年、60年和122年[2]，形势非常严峻。

另一方面，全球化石能源的分布极为不均。

美国、欧盟、中国等对能源需求大的国家和地区的能源储量很少，而中东、俄罗斯等地自身对能源需求较少，但储量却占到了全球的60%以上。

随着全球经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增加，能源短缺的问题将越来越严重，能源分布不均也会带来更严峻的问题[3]。

我国的化石能源资源储量也不容乐观。

据资料显示，现有探明经济可开发剩余可开采总储量为1392亿吨标准煤，约占世界总量的10.1%。

我国能源剩余可开采总储量的结构为：

原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%。

我国能源资源保证程度仅为129.7年[4]。

因此，单纯依赖化石燃料不足以构建可持续发展的综合能源体系，应该考虑多种能源互补尤其是化石燃料与可再生能源的互补。

1.1.2我国太阳能资源

在太阳能、风能、潮汐能、地热能等众多的可再生能源中，太阳能以其储量无限性、存在普遍性和利用清洁性等独特优势成为最理想的替代能源。

我国幅员广大，土地辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。

每年全国陆地表面接收的太阳辐射能相当于49000亿标准煤。

如果将这些太阳能全部都用于发电，约等于上万个三峡电站的总发电量。

全国各地每年太阳能总辐射量为3340~8400MJ/m2，中值为5852MJ/m2[3].按照水平面上年太阳辐射量和年日照时数的大小，可将我国太阳能资源区划分为四个等级，分别为：

资源丰富区（Ⅰ区）、资源较富区（Ⅱ区）、资源一般区（Ⅲ区）和资源贫乏区（Ⅳ区）。

我国不同太阳能资源等级的水平面上年太阳辐照量、年日照时数及主要代表地区，示于表1-1[4].

表1-1中国太阳能资源区域划分

等

级

太阳能条件

水平面上年太阳辐照量/MJ/（m2·a）

年日照时数/h

地区

Ⅰ

资源丰富区

>6700

3200~3300

宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西

Ⅱ

资源较富区

5400~6700

3000~3200

河北西北、北京、天津、山西北、内蒙古及宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南

Ⅲ

资源一般区

5000~5400

200~3000

山东、河南、河北东南、山西南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕西北、甘肃东南、广东南

4200~5000

1400~2200

湖南、广西、江西、江苏、浙江、上海、安徽、湖北、福建北、广东北、陕西南、黑龙江

Ⅳ

资源贫乏区

<4200

1000~1400

四川、贵州、重庆

图1-1示出我国太阳能资源分布图，可以更直观地了解我国太阳能资源的区域划分情况。

由图1可见，我国太阳能资源丰富和比较丰富的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的总面积占国土面积的2/3以上，年日照时数大于2200h，太阳辐射总量高于5016MJ/m2[5]。

图1-1中国太阳能资源分布图[100MJ/（m2·a）]

我国太阳能资源如此丰富，因此，研究如何安全、清洁、高效地利用太阳能已成为能源相关行业一项重大的科研任务。

1.1.3集成热发电

从太阳能的发电用途来说，它主要有两种方式：

一种是直接利用太阳辐射能发电的太阳能光伏发电，即将太阳辐射能直接转换为电能；另一种是间接利用太阳辐射能发电的太阳能光热发电，它与常规火力发电方式相似，不同之处为常规火力发电以化石燃料的化学能为介质热能来源，而太阳能光热发电是以太阳辐射能为介质热能来源。

与光伏发电相比，太阳能光热发电没有生产太阳能电池带来的高能耗、高污染问题，设备生产过程清洁、发电规模效益好。

但太阳能热发电也有其局限性，受大气环境、日照时间和季节的影响，太阳能辐射具有不稳定性和不连续性，这样就导致太阳能热发电效率较低、成本较高。

自20世纪90年代以来，欧美等国提出通过提高太阳能热发电系统的热力性能，以减小太阳能热发电成本。

为此，太阳能与化石能源相结合的集成热发电系统得到了广泛关注。

自1997年，国际能源署IEA和SolarPACES根据能源可持续发展战略，将太阳能与化石能源相结合的集热式太阳能复合热发电系统（Solar-HybridSystem）列为二十一世纪近期和中期太阳能热利用的发展目标[6]。

太阳能辅助燃煤发电系统即是集成热发电方式中的一种。

1.2国内外研究动态

1.2.1国外研究动态

国际上对于太阳能辅助燃煤发电系统的研究，最早始于澳大利亚EricHu[7-8]课题组，其提出用太阳能热作为辅助热源代替汽轮机抽汽加热火电厂锅炉给水的思路，将太阳能热应用于常规燃煤电站，并以澳大利亚维多利亚州的一个燃煤电厂为例进行了理论分析，结果表明，在理想情况下，用太阳能热系统收集的286℃的热媒作为辅助热源代替汽轮机回热抽汽来加热传统燃煤电厂的给水，被取代的抽汽可用于发电，使原燃煤电厂的发电功率提高30%[9]。

澳大利亚计划建立一座采用CLFR技术槽式太阳能技术的35MW太阳能热电站，用于位于南威尔士Hunter大峡谷中的一座200MW燃煤火电厂的蒸汽预热。

这个项目的实施将会显著提高定量燃煤的电力输出，而且它利用了已有基础设备，同单纯的太阳能热电站相比，降低了初期建设费用。

作为其可再生能源项目之一，EPRI（美国电力研究院）对两项能够对常规热技术起到补充作用的太阳能蒸汽发电项目进行了评估，该技术可以帮助电厂有效提高发电量或者减少矿物燃料的消耗量。

这项研究的目的是为了确定将太阳能蒸汽发电技术与现有的天然气联合循环发电厂和常规的燃煤电厂相结合的可行性和有效性[10]。

德国鲁尔区的太阳能热动力公司（SHPEurope）与澳大利亚某公司合作，拟在澳大利亚建立太阳能—煤炭联合发电厂。

这是将当地丰富的煤炭资源与太阳能资源结合起来，在厂区建造一个很大的太阳能聚热面，收集到的热量用来加热厂区的热水管，使其达到285℃，产生的高温水蒸气再用来发电。

整个太阳能—煤炭联合发电装置的装机容量达到2000MW[11]。

1.2.2国内研究动态

以华北电力大学杨勇平[12-13]教授为首的科研团队在国内首次提出了太阳能辅助燃煤机组的发电系统，并对不同的集成方式展开了定性和定量的分析，这在国外也属首次。

并首次搭建了太阳能辅助燃煤机组发电的仿真平台，建立了一体化发电系统实时数学模型，得出了互补发电系统槽式集热场的优化设计方法；提出了太阳能集热系统与燃煤发电系统的最佳集成方式，采用软件建模等方法对不同的太阳能与火电机组耦合集成方案进行了评估。

此外，中国科学院工程热物理研究提出了利用太阳能对中小火电站进行改造的方案，研究了变辐照条件下集成系统变工况运行中重要参数的变化情况，并初步分析了中温太阳能改造火电机组给水加热器的经济性能[14]。

1.3主要研究内容

本论文主要围绕太阳能作为传统燃煤机组辅助热源，对太阳能集热器产生蒸汽取代燃煤机组回热抽汽和厂用汽源的集成发电方式进行研究。

（1）基于太阳能辅助燃煤集成发电系统的基本概念和节能降耗的目的，从燃煤侧和太阳能侧两方面对太阳能辅助燃煤集成发电系统的优势进行了分析，并从太阳能集热系统的作用、太阳能集热器形式和集成发电系统运行模式三个角度对集成发电系统进行分类。

（2）对于目前太阳能辅助燃煤集成发电系统研究的局限性，如多数研究是在燃煤机组设计工况下的集成，且集热器工作介质大多是由循环给水引出，提出以机组实际运行工况各项参数为基准，对某级回热加热器疏水引出到太阳能集热器并产生蒸汽取代本级回热抽汽的集成发电方式进行热力性能分析建模并研究，并以某600MW超临界燃煤机组为例对各集成方案进行热力性能计算及集热场布置分析。

（3）定义节煤量作为集成系统的热力性能评价标准，以比较各集成方案的节能降耗效果。

（4）对于厂用汽工况下厂用蒸汽取自回热抽汽而影响机组热经济性的问题，提出用太阳能集热器产生蒸汽取代厂用汽源，并在单纯燃煤厂用汽工况基础上对太阳能集热器产生蒸汽取代厂用汽源与取代各回热抽汽进行对比分析。

本论文的创新之处有三点：

（1）集成发电系统基准工况的选择。

目前太阳能辅助燃煤发电系统的建立多是基于燃煤机组设计工况，但燃煤机组在实际运行工况下各项参数与设计工