太阳能辅助燃煤发电系统热力特性研究

【摘要】：太阳能辅助燃煤发电系统是将太阳能与常规燃煤火电热力系统通过不同方式耦合,用以替代部分燃煤消耗,在减小燃料消耗的同时不改变或增加发电量。由于槽式太阳能集热系统在系统稳定性、流量控制以及集热温度等方面更适用于与常规火电耦合,因此中温部分热源主要选用槽式太阳能集热系统为太阳能能量来源。通过将太阳能与常规燃煤电厂耦合,可以利用火电机组调整范围大的优势,省去太阳能热发电中的蓄热系统与透平系统,达到降低发电成本、实现连续稳定发电的目的。另外,与其它可再生能源相比,太阳能以热作为中间能量的载体,使之可相对容易地通过热量与燃煤发电系统相耦合。此外,太阳辐射的峰值在夏季及白天,正好与用电的峰值相对应,从而可以有效减少电网调峰的压力。通过对太阳能与燃煤发电系统系统层面的研究,解决辅助发电系统耦合集成中存在的工程问题,以及能量转换、释放机理,不同物质流和能量流之间的匹配和集成原理等应用基础科学问题。 本论文主要针对太阳能集热系统以及与火电机组的耦合机理与集成方案进行优化研究,通过建模仿真对太阳能集热系统和辅助燃煤发电系统热力特性进行定量分析。主要展开的工作和取得的研究结论如下： 首先,通过以水/蒸汽以及热油为换热流体的槽式太阳能集热系统传热分析,分别建立了各自动态数学模型研究系统启动及变工况动态过程,并验证模型在不同气象条件、工质参数变化等扰动下的动态及静态特性。例如,仿真结果表明所研究的水/蒸汽类型集热系统如果给水入口温度低于125℃,在不改变入口流速和太阳能辐射条件时,集热阵列将不能产生过热蒸汽。仿真模型可以用于预测和验证槽式太阳能集热系统在不同换热流体、辐射条件和运行条件下的换热和流动特性。 其次,建立了不同等级容量的火电热力系统中主要设备的仿真模型,并按各自实际汽水流程连接。热力系统模型主要为简化阀门等辅助设备后的原则性热力系统,包含汽轮机级组模型、锅炉模型、各级加热器模型、凝汽器模型等。通过与所研究机组设计参数与仿真结果的静态数据和停用不同汽轮机抽汽的动态特性验证模型。所建模型可以用于研究机组的动态特性与典型工况运行特性研究。 再次,基于太阳能与火电热力系统耦合原则的基础上,分析产生蒸汽和热油的集热系统与火电热力系统的可能耦合方式。主要包括蒸汽直接进入新建汽轮机、原汽轮机、蒸汽取代回热抽汽以及以热油为换热流体的各种取代方案。通过建立模型,分别对各耦合方式仿真模拟,得到取代后机组的各主要部分参数分布与经济性指标变化情况。综合比较所研究的所有耦合方式所具有的节能潜力与技术可行性。结果表明太阳能热油加热给水取代部分汽轮机回热抽汽的是所有可能方式中最为可行和经济的耦合方式,具有对原热力系统影响小、切换方便等诸多优点。 此外,通过建立的太阳能集热系统和典型不同参数等级和容量燃煤火电热力系统模型(包括200MW亚临界、300MW亚临界、600MW亚临界、600MW超临界、超超临界和1000MW超临界机组),分析了对应不同太阳能热源温度(260℃、215℃、160℃以及90℃)在功率增加和燃料节省两种运行模式时,通过取代汽轮机回热抽汽加热给水的辅助燃煤机组发电方式对机组热力特性和经济性的影响。结果显示无论哪种类型机组,高油温取代高参数回热蒸汽总可以带来较高的热电效率和发电煤耗率与汽耗率,但是对于相同油温热源由于其取代的蒸汽流量与参数不同,不同机组在取代后的太阳能热电效率也有较大变化。对应被取代抽汽蒸汽参数越高,热电效率就越高。同时,通过对实际在役电厂的测算,得到工程投资数据和其它具体经济性数据。表明无论从热力学角度或经济角度,太阳能与火电机组之间都存在多方面的互补性。 【关键词】：太阳能热发电 燃煤火电机组 节能 辅助发电
【学位授予单位】：华北电力大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM621
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 课题背景13-15
• 1.2 太阳能利用途径及国内外发展现状15-22
• 1.2.1 太阳能光利用15-16
• 1.2.2 太阳能热利用16-22
• 1.3 太阳能辅助燃煤机组及国内外研究现状22-24
• 1.4 课题研究内容及意义24-26
• 第2章 槽式太阳能集热系统热力特性分析26-69
• 2.1 引言26-27
• 2.2 槽式太阳能集热器模型27-46
• 2.2.1 集热器换热分析28-33
• 2.2.2 集热器换热计算33-46
• 2.3 槽式太阳能集热器模型建立46-53
• 2.3.1 热油换热过程显式欧拉变化48-50
• 2.3.2 直接蒸汽发生过程显式欧拉变化50-53
• 2.4 槽式太阳能集热器模型验证53-68
• 2.4.1 热油换热模型验证53-60
• 2.4.2 直接蒸汽发生过程模型验证60-68
• 2.5 本章小结68-69
• 第3章 燃煤发电机组热力系统建模仿真69-102
• 3.1 引言69
• 3.2 设备模型69-84
• 3.3 火电热力系统模型验证84-101
• 3.3.1 模型静态特性验证84-96
• 3.3.2 模型动态特性验证96-101
• 3.4 本章小结101-102
• 第4章 太阳能蒸汽发生系统辅助燃煤发电耦合特性102-131
• 4.1 太阳能蒸汽发生系统辅助燃煤发电耦合方式102-106
• 4.1.1 太阳能集热器产生蒸汽直接进入新建汽轮机做功102-104
• 4.1.2 太阳能集热器产生蒸汽直接进入原汽轮机做功104
• 4.1.3 太阳能集热器产生蒸汽取代汽轮机回热抽汽104-106
• 4.2 不同耦合方式热力特性分析106-130
• 4.2.1 太阳能集热器产生蒸汽直接进汽轮机做功107-120
• 4.2.2 太阳能集热器产生蒸汽取代汽轮机回热抽汽120-130
• 4.3 本章小结130-131
• 第5章 太阳能热油系统辅助燃煤发电耦合特性131-154
• 5.1 耦合原则131
• 5.2 太阳能热油系统辅助燃煤发电耦合方式131-133
• 5.3 太阳能热油系统辅助燃煤发电耦合特性133-148
• 5.4 太阳能热油与不同等级容量机组耦合效应比较148-151
• 5.5 太阳能热油与典型机组耦合经济特性分析151-153
• 5.6 本章结论153-154
• 第6章 结论与展望154-156
• 6.1 本文主要研究结论154-155
• 6.2 后续工作展望155-156
• 参考文献156-163
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果163-165
• 攻读博士学位期间参加的科研工作165-166
• 致谢166-167
• 作者简介167

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