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第 28 卷 第 29 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.29 Oct. 15, 2008 2008 年 10 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 99 文章编号0258-8013 2008 29-0099-06 中图分类号TM 511 文献标志码A 学科分类号470⋅20 太阳能辅助燃煤一体化热发电系统耦合机理 崔映红，杨勇平，杨志平，侯宏娟，郭喜燕 华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室，北京市 昌平区 102206 Coupling Mechanism of Solar Supported Coal-fired Electric Generation System CUI Ying-hong, YANG Yong-ping, YANG Zhi-ping, HOU Hong-juan GUO Xi-yan Beijing Key Laboratory of Safe and Clean Energy Technology, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 100026, China ABSTRACT In a system, non-equivalence is an inherent perance of rgy in the process. To analyze this perance, coefficient of external bonds CEB, as a structural coefficient, should be utilized as well as to find the internal thermodynamic correlation. The calculating of CEB was discussed based on signal flow diagram theory, consequently the CEB of different flows in different coal-fired units was obtained. Furthermore, the coupling mechanism of solar supported coal-fired electric power generation systems was given the principle of energy, i.e. reasonable quality matching and cascade utilization, should be followed, at the same period, the value of CEB also should be considered. The results show that better effects could be achieved only when high CEB rgy flow of coal-fired units is replaced by solar heat. KEY WORDS solar supported coal-fired unit; coupling mechanism; non-equivalence of rgy; coefficient of external bonds 摘要在系统中沿过程进行的方向火用具有不等价性。外部 键系数作为一种结构系数，在用于揭示系统内在的热力学 联系、分析不等价性时具有明显的优越性。利用信号流图 理论，探讨了外部键系数的计算方法，得到不同容量燃煤 机组不同流的外部键系数。揭示了太阳能辅助燃煤一体化 热发电系统的耦合机理不仅要遵循能量“品位对口、梯 级利用”的原则，而且还需考虑外部键系数的大小；只有 当太阳能热量用于取代燃煤机组中外部键系数高的火用流 时，取得的效益才大。 关键词太阳能辅助燃煤机组；耦合机理；火用的不等价性； 外部键系数 基金项目国家自然科学基金项目50776028，50606010。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China50776028, 50606010. 0 引言 太阳能辅助燃煤机组一体化热发电系统是在 燃煤机组设计框架的基础上，合理地集成太阳能热 利用的系统，为火电机组的技术节能和太阳能大规 模利用提供了方向[1-5]。 近年来， 国外关于太阳能与 化石燃料机组混合发电技术的研究比较多，而且还 建有一定的试验机组[6-13]。这些研究大都集中在案 例分析、常规的经济性评估和可行性分析上，用于 两系统之间的集成理论研究还较少。研究太阳能热 利用系统与火电机组最佳的耦合方式和集成方法， 是实现这种多能源综合利用系统一次能源的综合 利用率，全系统效率达到最高的重要基础。 太阳能热发电系统与常规火力发电机组都是 用热作为中间能量的载体，一体化发电系统的 2 子 系统之间主要是通过热量耦合到一起。一般的燃煤 机组，其热能的品位跨度非常大，为太阳能热发生 系统与燃煤机组的能量集成提供了方便和多种集 成方案。 在能量系统集成中， 不仅要遵循能量守恒， 而且还需“品位对口、梯级利用” ，最终使能损、火 用损最小。在系统中沿过程进行的方向，火用和火用损 还存在不等价性[14]。 这种不等价性导致了同品质的 火用量在同一系统的不同部位或不同系统中是不等 价的。对于太阳能辅助燃煤机组集成系统，当相同 品位的太阳能热量，依据品位对口的原则，用于不 同容量的燃煤机组或某一容量燃煤机组不同部位 时，必然会引起相当品位放热工质流的变化。这些 放热工质流，即使品位相同，但由于存在火用的不等 价性，其引起的热经济性变化必定不同。 结构系数法在用于系统的优化综合时具有明 显的优越性。它可以对大系统进行分割协调优化， 100 中 国 电 机 工 程 学 报 第 28 卷 在系统的局部改进方面具有简便性和灵活性[15]。 其 中的外部键系数揭示了系统中各股火用流与总系统 输入火用流之间的关系，反映了在系统中沿过程进行 方向上火用的不等价性。本文阐述了火用的不等价性及 外部键系数，探讨外部键系数的计算方法并进行不 同容量燃煤机组不同流的外部键系数计算，揭示太 阳能热量与燃煤机组的耦合机理。 1 火用的不等价性及外部键系数 火用的不等价性是指获得此火用与获得另外的火用 所付出的代价不同。如在同一个能量系统里，靠近 系统末端的火用与在系统始端的火用，是不等价的，因 为一个系统总是由多个过程单元所组成的，多经历 一个过程单元就要多付出一份代价，这个代价一般 都包括经历了不可逆过程而引起的能量损失和经 历了设备以设备折旧为代表的一系列非能量费用 2 个方面。处在系统末端的火用比处在始端的火用显然经 历的过程和设备都多，因此，获得它显然要比在始 端付出的代价多，其本身价值就高昂。即同一系 统不同环节的火用流，即使火用流的品位相同，由于经 历的过程不同，那么也可能不是等价的；对于不同 的系统，则更是如此。针对太阳能辅助燃煤一体化 机组，太阳能集热器收集的热量用于燃煤机组时， 即使引起燃煤机组中相同品位的火用流的改变，但如 果这些火用流在不同的系统或在同一系统的不同部 位， 则由于火用的不等价性， 也会导致不同的经济性。 外部键系数把系统的火用流与总系统的输入火用 流联系起来，描述了局部火用流与系统输入火用流之间 的相对变化关系。定义为 , / j j iijy BBβ ∂∂ 变量 1 式中Bi为总系统的输入火用；Bj为进入或离开 j 子 系统流的火用；yj为发生变化的系统参数。该式没考 虑在能量的传递、转换中非能量费用的影响。其中 要求所研究的系统在稳定工况下运行，且系统的输 入在质上是不变的如输入燃料、 电能或固定压力和 温度下的蒸汽，再假定系统的输出不变即保证输 出所需数量和质量的产品。 由上述定义可看出， 结 构键系数描述了单位局部火用流改变引起总系统输 入火用流的变化，反映了各股火用流的不等价性，可用 于进行不等价性的比较。 当 Bo即系统输出的火用不变时，式1可变为 ,o1/ / j j ijTy Bββη ∂∂ 变量 2 式中ηT表示总系统的火用效率。 对于太阳能辅助燃煤机组一体化系统，如太阳 能热量相比燃煤机组煤释放的热量很小，可认为燃 煤机组在利用了太阳能热量后，系统仍在稳定工况 下运行。这样对于这种一体化系统，在机组输出电 能不变时，由于太阳能热量的引入，必然会导致其 放热热流回热抽汽流或煤燃烧所释放的化学能流 的减少，最终导致输入煤量的减少。只有当太阳能 热量的引入导致外部键系数高的火用流减少时，即所 取代燃煤机组的火用流改变减少引起的总系统输入 火用流减少量大的系统，取得的效益才大。 2 燃煤机组热力系统火用火用流外部键系数计算 2.1 信号流图法 近年来关于火用的热力学分析方法研究比较活 跃[16-20]。其中信号流图法基于系统分析方法中的流 图理论和梅森增益公式，不仅简单、直观、不会涉 及到高阶矩阵的计算，而且利用该分析方法会很方 便地得到热力系统中各火用流、子系统火用效率和总系 统火用效率的关系，这对于主要考虑系统火用流与总系 统输入火用流或总系统火用效率之间关系的外部键系 数的计算，是很有意义的。本文主要讨论利用信号 流图法计算外部键系数的方法。 信号流图法分析热力系统时，首先把实际热力 系统转换为热力系统火用流图，之后利用梅逊增益公 式进行求解。一般要经历热力系统描述、火用流图的 绘制和计算等几个步骤。为叙述方便，本文结合国 产200 MW机组热力系统图1进行阐述。 4 234 5 13 18 17 14 7 19 20 21 22 23 1615 12 11 27 31 32 3435 2 1 5 3 689 10 1 28 29 333637 30 1514131210 9 8 7 26 25 24 6 11 图 1 200 MW 机组原则性热力系统图 Fig. 1 Simplified figure of 200 MW thermal system 2.2 热力系统描述 一个实际的热力系统，由多个子系统和流入、 流出这些子系统的多股火用流组成。为了研究方便， 对这多个子系统和多股火用流分别进行编号。 根据火用流作用的不同，可将它们分为燃料流和 产品流2大类。对于进入或流出子系统的燃料和产 品流不只是一股时，可利用火用分支的概念表示这些 第 29 期 崔映红等 太阳能辅助燃煤一体化热发电系统耦合机理 101 火用流之间的联系。 如当输入一个子系统的燃料为B1− B2， 则火用分支可定义为x1B2/B1； 输出一个子系统的产 品为B3B4，则它们的火用分支定义为x2B3/B4B3B4。 对于系统或设备的能量转换情况可用目的火用 效率来反映，其定义为η作为收益的火用/作为 代价的火用。对于所讨论的热力系统，各子系统火用 效率可定义为 η产出的可用产品的火用/以燃料形式输入的火用 表1所示为200 MW机组火用效率和火用分支的定 义。利用各子系统火用效率和火用分支的定义，可得到 表 1 各子系统划分及火用效率、火用分支定义表 Tab. 1 Divisions of subsystems, definitions of subsystem rgy efficiency and rgy flow branch 编号 子系统 子系统火用效率 火用流分支 1 锅炉 η1[B2−B3B4−B5]/B1 x1B4−B5/B2−B3 2 高压缸 η2B7/B2−B5−B6−B8 x2B5/B2, x3B6/B2, x4B8/B2 3 中压缸 η3B14/B4−B9−B10− B11−B12−B13 x5B9/B4, x6B10/B4, x7B11/B4, x8B12/B4, x9B13/B4 4 低压缸 η4B18/B13−B15−B16−B17 x10B15/B13,x11 B16/B13,x12B17/B13 5 发电机 η5B19/B7B14B18 6 凝结水泵 η6B23−B21/B22 7 8 低压加热器 η7B24−B23/B16 8 7低压加热器 η8B25−B24/B15B28 9 6低压加热器 η9B26−B25/B12B29−B28 x13B28/B12 10 5低压加热器 η10B27−B26/B11−B29 x14B29/B12 11 除氧器 η11B31/B10B33B27 12 给水泵 η12B32−B31/B30 13 3高压加热器 η13B34−B32/B9B36−B33 x15B33/B9 14 2高压加热器 η14B35−B34/B8B37−B36 x16B36/B8 15 1高压加热器 r η15B3−B35/B6−B37 x17B37/B6 热力系统各火用流之间的关系。每股火用流利用各子系 统火用效率和火用分支来表示的与其他火用流之间的关 系为B1 B1；B2 B31/1−x1⋅ B1；B4η1⋅x1/1−x1⋅ B1x2⋅B2；B7η2⋅ 1−x2−x3−x4⋅B2；B14η3⋅1−x5−x6− x7−x8−x9⋅B4；B18η4⋅x9⋅1−x10−x11−x12⋅B4；B19η5⋅ B7B14B18；B23η6⋅B22x12⋅x9⋅B4；B24B23η7⋅x9⋅ x11⋅B4；B25B24η 8⋅x9⋅x10x8⋅x13⋅B4；B26B25η9⋅ [x7⋅x14x8⋅1−x13]⋅B4；B27B26η 10⋅x7⋅1−x14⋅B4； B31η11⋅B27η 11⋅x6x5⋅x15⋅B4；B32 B31η 12⋅B30；B34 B32η 13⋅x4⋅x16⋅B2η 13⋅x5⋅1−x15⋅B4；B35 B34η14⋅ [x3⋅x17x4⋅1−x16]⋅B2；B3B35η 15⋅x3⋅1−x17⋅B2。 2.3 热力系统火用流图的绘制 以流经热力系统主要的火用流值为节点，并按照 实际热力系统中火用流的因果关系，从左向右顺序排 列；然后根据上面得到的火用流关系，用标明火用流关 系流图理论中称之为支路增益的支路将各节点正 确连接。对于任一火用流节点变量，可以表示为所有 流向该节点的火用流量之和，而从这一节点流向各支 路的火用流信号，则均用该节点变量表示。图2为利 用上述方法绘制的200 MW机组的热力系统火用流 图。图中，各符号的意义为a1η1/1−x1；a2x2； a3η1⋅x1/1−x1；a4η15⋅x3⋅1−x17；a5η14⋅[x3⋅x17x4⋅ 1−x16]；a6η13⋅x4⋅x6；a7x9⋅x12；a8η7⋅x9⋅x11；a9 η8⋅x9⋅x10x8⋅x13；a10η9⋅[x7⋅x14x8⋅1−x13]；a11 η10⋅x7⋅1−x14；a12η11⋅x6x5⋅x15；a13η13⋅x5⋅1−x15； a14η12；a15η2⋅1−x2−x3−x4；a16η15；a17η3⋅1−x5− x6−x7−x8−x9η4⋅x9⋅1−x10−x11−x12。 a3 a1 B1 B2 B3 B19 a16 a17 a15 a4 a7 a8 a9 a10 a11 a12 a13 a6 a5 B4 B23 a2 B24B25B26B27B31 B30 B32 B34 B35 a14 图 2 200 MW 机组热力系统火用流图 Fig. 2 rgy flow diagram for 200 MW thermal system 2.4 热力系统分析 分析热力系统火用流图，利用梅逊增益公式即可 得到热力系统总火用效率和各子系统火用效率的关系。 对于上述系统，系统总火用效率和各子系统火用效率、 火用分支的关系为详见文献[13] 102 中 国 电 机 工 程 学 报 第 28 卷 5 111143 17 416134 1615317 235678949 10111212234 11 9 121179 1111 89 108 13 /[1 ]{{ {1[ 1]1} }[1 1]1 { T xxx x xxx xxx xxxxxxx xxxxxxx x xx xx x xx x ηη η∆η ηη ηη η ηη ηη −− −−−− −−−−−⋅ −−−−−− 1197 1481311 10 7141165 1513515 2234 [1] 11} 1} x xxx xxxx xxx xxx η ηη η ηη η − −− −−−3 式中∆为余因子式，其表达式为 143 17416134 16 2119 1279 1189 108 13 97 14813107146 5 15213511515317 1[1] [ [1]1 ]11 x xxxx x xx xx xx xx x x xxxxxx x xxxxxx ∆ηη ηηη ηη ηη −−−− −− −−−−4 2.5 外部键系数计算 外部键系数反映了系统中火用流的变化，引起总 系统输入火用流或总系统火用效率的变化情况。当系 统中某一火用流的流量发生微小变化时，可认为系统 热力参数的变化不大，该流量的改变只会导致系统 流量分布的改变，从而改变了其他各股流的火用值， 最终导致总系统火用效率的变化。这样，对于某一股 火用流变化时，利用常规的热平衡，可得到新的状态 下总系统的流量分布，其火用流分布及子系统的火用效 率和火用分支也随之得出，之后利用上式可得到总系 统火用效率或输入火用流的变化。实际上，对于某一 火用流量变化较大的系统，即使引起系统的热力参数 甚至结构参数的变化，也还可以利用上述思路进行 计算，只是可能需要进行火用流图的重新绘制从而引 起火用效率公式的改变。 3 实际系统的外部键系数计算及结果分析 在燃煤机组中，做功工质的吸热量主要来源于 汽轮机的抽汽放热量和锅炉中煤燃烧释放的热量。 太阳能热量在用于燃煤机组工质的吸热时，使某段 或几段回热抽汽量或锅炉燃煤量减少，最终导致锅 炉输入火用流量的改变。本文分别以N100、N200和 N300机组为例，计算各抽汽和新汽火用流改变时， 输入的煤燃料火用流的改变，结果见表2、3、4。 能质系数表示能量中所含火用的比例，可用以反 映能量“质”的高低。对于蒸汽，对应于某一参数 有唯一的能质系数与之对应，即蒸汽状态一定，其 能质系数也是确定的，它在一定程度上与蒸汽的参 数相对应。由上表24可以看出 表 2 N100–90/535/535 机组的各段抽汽和 新汽参数与外部键系数 Tab. 2 Parameters and coefficients of external bonds of every extraction steams and live steam in N100–90/535/535 unit 编号 压力/MPa温度/℃ 能质系数 外部键系数 一抽 0.0346 72.41 0.149 1.528 二抽 0.113 103.06 0.207 1.719 三抽 0.185 117.76 0.233 1.653 四抽 0.389 178.22 0.271 1.727 五抽 0.588 254.07 0.296 1.953 六抽 1.57 327.72 0.345 1.849 七抽 2.63 393.47 0.374 1.849 新汽 8.83 535 0.435 1.797 表 3 N200–135/535/535 机组的各段抽汽和 新汽参数与外部键系数 Tab. 3 Parameters and coefficients of external bonds of every extraction steams and live steam in N200–135/535/535 unit 编号 压力/MPa温度/℃ 能质系数 外部键系数 一抽 0.041 104.26 0.159 1.489 二抽 0.134 207.3 0.225 16.81 三抽 0.225 254.5 0.254 1.624 四抽 0.5 348.19 0.302 1.712 五抽 0.588 402.09 0.317 1.823 六抽 1.11 455.73 0.35 1.733 七抽 2.25 309.84 0.357 2.188 八抽 3.45 363.82 0.38 1.978 新汽 12.7 535 0.446 2.007 表 4 N300–12.716.7/537/537 机组的各段抽汽和 新汽参数与外部键系数 Tab.4 Parameters and coefficients of external bonds of every extraction steams and live steam in N300–16.7/537/537 unit 编号 压力/MPa温度/℃ 能质系数 外部键系数 一抽 0.024 64.42 0.131 7 1.164 二抽 0.069 91.56 0.185 1.432 三抽 0.127 142.68 0.216 3 1.52 四抽 0.307 229.81 0.264 8 1.65 五抽 0.775 236.46 0.317 8 1.725 六抽 1.57 434.37 0.359 9 1.715 七抽 3.44 318.64 0.374 3 2.16 八抽 5.57 382.9 0.398 9 2.00 新汽 16.7 537 0.453 1.87 1）参数不同的蒸汽，或能质系数不同的蒸汽， 其外部键系数是不同的，即单位蒸汽火用流量改变引 起的煤量改变是不同的。 2）同一容量的机组，随着抽汽参数的提高， 或能质系数的提高，其外部键系数变化的总体趋势 是增加的，即引起煤的改变量逐渐加大，但也有个 别例外的情况。 第 29 期 崔映红等 太阳能辅助燃煤一体化热发电系统耦合机理 103 3）对于不同容量的机组，在蒸汽参数或能质 系数相同时，其外部键系数是不同的，其大小和机 组的流程、系统以及参数等因素有关。 4）利用上述结果便于进行太阳能辅助燃煤机 组不同集成方案的比较，图3所示为太阳能热 量用于不同容量燃煤机组的不同部位时，当输出功 率不变，单位时间引起不同段抽汽或新汽减少从 而减少的标煤量与太阳能场投资的比值。其中假定 太阳能集热器均采用抛物面槽式集热器，集热器 的成本为320 /m2，热效率为70，设计辐射强度 为1 000 W/m2。 90 70 50 30 10 一 二 三 四 五六 七 八 新蒸汽 节煤投资比/g/106 N100–90/535型机组 N200–135/535/535型机组 N300–16.7/537/537型机组 抽汽编号 图 3 太阳能热量用于不同容量不同汽流的节煤投资比 Fig. 3 Ratio of coal saved investment when solar heat used at different steam flow for various capacity units 5）上述外部键系数主要考虑了系统局部火用流 改变对总系统输入火用流的影响，即主要从热力学角 度进行的分析；如果在计算中考虑到设备折旧等非 能量费用的影响，则结果更直观，对于实际工程的 指导意义更大。 4 结论 本文探讨了太阳能辅助燃煤一体化热发电系 统的集成机理。该一体化系统2子系统之间主要 是通过热量耦合到一起，属于物理能整合的范畴， 因此必须遵循“品位对口、梯级利用”的原则。 在此基础上，如果太阳能热量的引入引起燃煤机 组同一品位火用流量的改变时，则需要根据外部 键系数的大小进行选取。本文的计算结果表明， 对于不同容量的机组，或同一容量不同部位，相 同“品位”火 用 流的外部键系数是不同的。只有当 太阳能热量用于取代外部键系数高的火 用 流时，即 当引入太阳能热量后，所取代燃煤机组的火用流 改变减少引起的总系统输入火用 流减少量大的系 统，取得的效益才大。本文的外部键系数计算主 要考虑了热力学因素，如果加以非能量因素即成 本因素的考虑，则结果更加直观。本文的研究为 太阳能辅助燃煤机组一体化发电系统的设计方案 制定提供了理论基础。 参考文献 [1] 崔映红，杨勇平，张明智．太阳能–煤炭互补的发电系统与互补 方式[J]．中国电机工程学报，2008，285102-107． Cui Yinghong，Yang Yongping，Zhang Mingzhi．Research on solar-coal 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