太阳能辅助燃煤发电技术经济分析

太阳能辅助燃煤发电技术经济分析

韦维

中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司, 贵州省贵阳市 50081

摘要：太阳能与燃煤互补发电方式是近年来大规模太阳能热利用的发展方向之一。以槽式太阳能集热系统辅助某330MW 燃煤机组替代高加回热抽汽加热给水的互补发电系统为例，对功率不变型互补发电系统的设计点热力性能及年热力性能进行了分析。结果表明，太阳能辅助发电系统的年光电转换效率可达到 20.41%，高于单纯槽式太阳能热发电方式。在此基础上，以内部收益率(internal rate of return，IRR)作为评价指标，运用技术经济的基本原理对太阳能辅助燃煤机组互补发电系统的经济性能及其主要影响因素进行了定量的分析评价,得到了太阳能上网电价、集热器造价、燃料成本等关键因素对内部收益率的影响。

关键词： 太阳能；槽式集热器；太阳能辅助燃煤发电系统； 性能分析；内部收益率

0引言

我国的电力结构以燃煤机组为主，截至 2013 年底，我国火电装机比重高达 69.2%，其中煤电装机占比 91.6%，同时据相关数据显示，火电行业大气污染物排放量占全国大气污染物总排放量的

90%以上。因此，以化石燃料为主体的能源结构所带来的资源短缺与环境污染问题日趋严重，且短期内难以改变，故燃煤电站的节能减排具有重要战略意义。

太阳能作为可再生能源技术的首要发展方向之一，已受到越来越多的重视，但现有太阳能热发电的高成本阻碍了其自身发展。将太阳能产生的热量引入常规燃煤电厂，一方面可利用燃煤电站调整范围大、透平系统效率高的优势，节省单纯太阳能热发电所需的大型蓄热和透平系统，大幅度降低太阳能热发电成本，实现太阳能热发电规模化、低成本的开发利用，另一方面也可进一步促进燃煤电站的节能减排。因此，研究高效、规模化的中低温太阳能与常规燃料互补发电技术是近、中期太阳能热发电发展的一个重要突破口。目前有关太阳能与燃煤互补发电的技术已受到广泛的关注[1-23]。国际上， 太阳能集热与燃煤火力发电系统集成最早由澳大利亚的 Eric Hu 团队提出[1-3]，其利用太阳能热作为辅助热源代替原燃煤机组汽轮机抽汽加热锅炉给水，并以 Victoria 的一个火力发电站为例做了理论分析。文献[2-13]对太阳能辅助燃煤互补发电的耦合集成方式进行了研究，结果表明太阳能替代汽轮机回热抽汽加热给水是所有可能方式中最为简单易行且经济性能较好的耦合方式，具有对原热力系统影响小、切换方便等诸多优点。文献[14-15]对直接蒸汽发生器和间接蒸汽发生器(油水换热器)两种形式的太阳能辅助不同容量燃煤发电系统建立仿真模型。文献[15-17]对燃煤机组的容量、运行模式及电网侧负荷对辅助发电系统热力性能的影响进行了静态和动态定量分析。文献[5,18-21]从热力学第二定律的角度，对互补发电系统进行了研究。文献[22-23]对辅助发电系统中太阳集热场的最优集热面积和集热器的最佳工作温度等关键参数的选取展开了研究。文献[23]开展了不同气象条件及运行工况下，太阳能辅助燃煤机组发电系统年性能的优化分析。但是，这些已有的研究大都集中在集成方案比较、案例分析、热力学经济性评估上，缺乏对示范项目的工程实施及投资效益的可行性分析。

本文通过案例，针对功率不变型互补发电系统展开分析，并利用银川地区典型年的气象数据对互补发电系统年热力性能进行计算，剖析了示范项目的投资结构，运用技术经济的基本原理，对太阳能辅助燃煤机组互补发电系统进行了定量的分析评价，以内部收益率、总投资收益率作为技术经济性评价指标，为项目投资决策提供了系统和客观的 依据。

1太阳能辅助燃煤机组集成方案

在此系统中，太阳能作为辅助热源，部分或全部替代原燃煤机组的回热抽汽加热锅炉给水，被替代的抽汽留在汽轮机中继续做功，达到增加机组发电功率(功率增大型)或减少燃煤消耗(功率不变型)的目的。在该系统中，太阳集热系统采用定出口温度模式，因而，其流量会随太阳辐照强度的变化而调整。

2系统建模

2.1建模方法简介

太阳能热量的引入必然会引起原有燃煤发电热力系统参数的变化，进而对其热力性能产生影响。在分析过程中，为使计算简化做了如下的假设， 假设锅炉为效率不变的黑箱；汽轮机排气压力保持恒定；集热场得热量的计算采用文献[25]的方法。在此基础上采用热平衡法对互补发电系统进行热力学建模分析，得到引入太阳能后系统各参数的分布，进而对互补发电系统开展性能评价。

2.2互补发电系统评价模型

2.2.1太阳能光电转换效率

定义太阳能互补发电系统中太阳能光电转换效率。

2.2.2标准煤耗率

定义互补发电系统的标准煤耗 b s 为机组的标准煤耗率。

2.2.3节煤率

定义节煤率Δb 为互补发电系统与单纯燃煤机组标准煤耗率之差。

2.3 技术经济评价模型

技术经济评价的指标是多种多样的，从不同的角度反映了工程技术方案的经济性。这些指标大致分为 3 类：①时间作为计量单位的时间型指标，如投资回收期、借款偿还期等；②以货币金额表示的价值型指标，如净现值、净年值等；③反映资源利用率的效率型指标，如投资利用率、内部收益率、投资净现值率等。在项目的投资效益分析中，一般以财务内部收益率指标为项目的主要盈利性指标， 其他指标可以作为重要的参考依据。财务内部收益率是项目在整个建设生产期内各年的净现金流量现值累计等于零时对应的折现率，是评价项目盈利能力的动态指标。

3案例分析

3.1案例介绍

本文以太阳能辅助银川某 330 MW 燃煤机组

(其中太阳能发电功率为 10 MW(电))为例，针对功率不变型互补发电系统展开分析。

取夏至日太阳时正午为设计点，此时太阳直射辐射强度(direct normal irradiance，DNI)为 800 W/m2，入射角为 5，经优化分析，取集热器间距为 15 m； 集热场的进出口温度为 199.2 ℃/293.2 ℃；集热场采用 ET150 典型槽式集热器，南北水平轴单轴跟踪布置；集热场内传热工质为导热油。通过互补系统热性能计算得出在设计条件下，太阳能发电功率为10 MW 时其所需集热场采光面积为 49 049.62 m2(由30 个loop 组成，每个loop 包含2 个集热器模块(solar collector array，SCA)，每个 SCA 采光面积为 817.5 规格都为 5.77 m141.68 m)。

利用典型年逐时气象数据[26]对互补发电系统年热力性能进行计算。

3.2技术经济分析

3.2.1项目总投资分析

项目的总投资主要涉及固定资产投资、建设期利息和流动资金。固定资产主要分为设备购置费、建筑安装费和其他费用 3 大类。鉴于本项目是在原有电厂的基础上进行改造，技术改造部分主要包括两个系统：集热系统和辅助系统。集热系统主要包括集热器、循环泵、集热场定压系统及相关的管路系统。辅助系统主要是包括相关的消防系统等。除了集热系统和辅助系统的设备购置费用外，投资的主要费用还包括安装工程费用、土地费用和建筑工程费用等

3.2.2技术经济指标计算

对技术经济分析所需参数及假设，其中厂用电在原燃煤机组的基础上考虑了集热场自用电部分，根据查阅的资料文献及其他项目运行经验，集热场厂自用电率取 3.8%[27]。

4.2.1内部收益率(IRR)的敏感性分析

除了辐射强度的影响外，内部收益率(IRR)还受到集热器造价、上网电价、燃料成本等因素的影响， 本文对此进行了分析，其中上网电价仅对太阳能发电部分进行敏感性分析。可以看出 IRR 随单位集热器成本增大而降低，造价每提高

10%，全部投资的内部收益率下降 8.2%；此外，IRR 随电价、煤价增加而增加，其中电价每提高 10%， 全部投资的内部收益率提高 11.6%；煤价每提高10%，全部投资的内部收益率提高 1.8%。

4结论

本文针对槽式太阳热能取代 330 MW 燃煤机组高加抽气加热给水的互补发电系统(太阳能发电功率 10 MW)的热经济性进行分析，得出在此互补发电系统中，年平均太阳能光电转换效率可达 20.41% 以上，优于单纯太阳能热发电效率。同时，对集热器造价、上网电价、燃料成本等关键因素对项目内部收益率的影响进行了研究，得到了电价和集热器造价分别是影响经济效益的第一和第二敏感性指标。结果表明，积极争取较好的电价政策支持，加强工程造价管理、优化设计，尽可能的降低初期投资，将混合电厂建在辐射条件好、煤价较高的地区， 是提高太阳能光热项目的经济效益主要途径。

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，2008，28(5)： 102-107， 2008．

[2]崔映红，陈娟，杨阳，等．太阳能辅助燃煤热发电系统性能研究[J]．中国电机工程学报，2009，29(23)：92-98．

[3]赵军，杨昆．燃煤锅炉集成太阳能热发电系统经济性分析[J]．中国电机工程学报，2012，32(zl)：93-100