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2種方案的熱經(jīng)濟性分析

鍋爐集成太陽能熱會使鍋爐的運行工況將發(fā)生變化，燃煤量減少，汽水分配發(fā)生變化，根據(jù)能量平衡和物質(zhì)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(cè)不受影響、鍋爐的出口蒸汽流量與參數(shù)不發(fā)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(zhì)流量相同，來比較2種連接方案的熱經(jīng)濟性。表2給出了2種集成方案的熱經(jīng)濟性模擬結(jié)果。

1）省煤器前方案中減溫水集熱器場與鍋爐側(cè)集熱器場由于各自工質(zhì)進入和離開集熱器場的溫度不發(fā)生變，而在流量發(fā)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(fā)生變化時集熱效率保持不變，但鍋爐側(cè)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(cè)集熱器場入口工質(zhì)溫度降低，而鍋爐側(cè)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(cè)集熱器場和減溫水集熱器場工質(zhì)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(cè)集熱器場比省煤器前方案中的工質(zhì)流量大，而集成熱量略低于省煤器前方案。這是因為當(dāng)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(jīng)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(cè)集熱器場工質(zhì)入口溫度低于省煤器后方案的工質(zhì)入口溫度，而省煤器前方案和省煤器后方案的鍋爐側(cè)集熱器場出口溫度相同，因此省煤器前方案的鍋爐側(cè)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(cè)集熱器場中的單位工質(zhì)所需汽化能量小，因此經(jīng)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(cè)集熱器場工質(zhì)流量比較大。

3）鍋爐集成太陽能熱導(dǎo)致鍋爐偏離了設(shè)計工況，鍋爐效率降低。根據(jù)式(4)—(5)，由于有效太陽能熱引入鍋爐系統(tǒng)后，引起的系統(tǒng)不足歸到了太陽能熱利用系統(tǒng)。在減溫水集熱器場工質(zhì)流量相同時，省煤器后方案中鍋爐側(cè)集熱器場由于工質(zhì)經(jīng)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(tǒng)不足低于省煤器前方案。因此，經(jīng)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(fā)電效率降低，但省煤器后方案的有效太陽能熱發(fā)電效率高于省煤器前方案。太陽能系統(tǒng)發(fā)電效率是集熱器場效率和有效太陽能熱發(fā)電效率的共同的作用結(jié)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(tǒng)發(fā)電效率都降低。在減溫水集熱器場工質(zhì)流量相同時，省煤器前方案太陽能系統(tǒng)發(fā)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(shù)經(jīng)濟性分析

LEC計算

根據(jù)上述分析計算，在機組定功率并帶額定負荷、汽機側(cè)不受影響、鍋爐的出口蒸汽流量與參數(shù)不發(fā)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(xù)增大集成太陽能熱量，則機組所需燃煤量進一步減少，根據(jù)能量平衡和物質(zhì)平衡，則鍋爐出口的過熱蒸汽的溫度將降低，不能保持參數(shù)不變。因此當(dāng)減溫水量為零時，鍋爐系統(tǒng)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(diào)節(jié)量，以保證鍋爐與機組運行的穩(wěn)定。以呼和浩特地區(qū)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(shù)經(jīng)濟分析的相關(guān)參數(shù)如表3和表4所示，計算結(jié)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(fā)電效率高于省煤器前方案，集成太陽能引起的系統(tǒng)不足低于省煤器前方案，但省煤器前方案的年節(jié)約標(biāo)煤量高于省煤器后方案，這主要是由于省煤器后方案工質(zhì)流量較大，泵功消耗較大所致。綜合考慮各因素后經(jīng)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(fā)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(shè)計輻射強度對LEC的影響

由于太陽能輻射強度隨時發(fā)生變化，設(shè)計輻射強度的選取將會影響鍋爐集成太陽能熱的經(jīng)濟性。省煤器前方案與省煤器后方案隨設(shè)計輻射強度變化的LEC如圖2所示。隨著設(shè)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(shè)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(dāng)太陽能輻射強度低于設(shè)計輻射強度時，鍋爐側(cè)集熱器場有效運行面積為設(shè)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(shè)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(dāng)太陽能輻射強度大于設(shè)計輻射強度時，減溫水集熱器場與鍋爐側(cè)集熱器場的有效面積都小于設(shè)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(shè)計輻射強度增大等因素，使太陽能熱利用系統(tǒng)的LEC降低。根據(jù)圖4所示，設(shè)計輻射強度應(yīng)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(jù)鍋爐側(cè)集熱器場與減溫水集熱器場面積的變化規(guī)律，減溫水集熱器場可以與汽機側(cè)、輔機側(cè)集成太陽能熱進行優(yōu)化。

其他因素對LEC的影響

除了設(shè)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(tǒng)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(tǒng)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(xué)