华北电力大学侯宏娟：太阳能与燃煤互补发电及供热技术

汇聚太阳能光热力量，促进太阳能热利用产业健康持续发展。5月14日下午，国家太阳能光热产业技术创新战略联盟与中国可再生能源学会太阳能热发电专委会组织开展「太阳能光热说」公益讲堂第5期如约直播。华北电力大学能源动力与机械工程学院侯宏娟教授在线进行了题为“太阳能与燃煤互补发电及供热技术”的演讲。

侯宏娟教授从我国（电力）能源结构的背景及研究现状谈起，论及发展可再生能源利用的紧迫性，阐述了太阳能热与燃煤互补发电及热电联供技术。相关演讲内容整理如下，以供参考。

一、背景与研究现状

太阳能热发电与燃煤发电具有高度的匹配性。太阳能热发电和熔盐储热技术既可以帮助燃煤电站在不被淘汰关闭的情况下完成清洁化改造，还可以对现有的燃煤电厂通过集成太阳能热发电+熔盐储热系统（TES），为其提供一种减少煤炭用量、并保持供应可调度电能能力的新思路。

早在2010年，西班牙Abengoa公司就已经在美国科罗拉多州Xcel电站建成了世界上第一座太阳能集热与燃煤集成互补（英文Integrated solar coal简称：ISCoal）电站。该项目与其中一个49MW燃煤机组进行集成；共安装了8列150m的槽式太阳能集热系统。

2012年10月，在澳大利亚新南威尔士州，配置了9.3MWth的太阳能蒸汽发生装置的Liddel火电站Noval光热-燃煤混合发电项目正式投运。由于安装了太阳能集热场，该电站预计年减排二氧化碳5000吨。

2017年，印度国家电力公司在其达德里发电厂(Dadri power generation complex）配套建设了线性菲涅耳式太阳能集热场，总采光面积达3.3万平方米。集热场每年可生产热功率14GW的太阳热能，这些热能被输入一个210MW的朗肯循环系统进行混合发电。

太阳能可以多种形式与燃煤电厂集成。

太阳能与燃煤电厂集成系统有很多优势，主要表现为：

1、改造复杂度低。用太阳能热预热给水，只涉入系统外部改造，不涉及对内部结构的改造；

2、运行灵活。互补发电机组在未引入太阳能时等效为原燃煤机组发电；
3、能量品位匹配。槽式太阳能集热温度与被加热给水的平均温度接近。

二、太阳能热能与燃煤互补发电

随后，侯宏娟教授以槽式太阳能光热与300MW燃煤机组互补发电项目为例，介绍了集成方案选择、项目地点气象条件、不同替代方案比较、集热场面积优化，分析了集成优化设计；从动态仿真实验系统，系统动态响应特性，云遮工况等方面分析了系统的动态特性；并提出了互补发电系统太阳能贡献度的解析解。

三、太阳能热与燃煤互补热电联供

侯宏娟教授也探讨了太阳能热与燃煤互补热电联供技术。目前，现有供热机组灵活性改造技术主要有热电解耦技术，提高供热能力及其它技术。

她指出，在供热机组灵活性改造中，蓄热式电锅炉、电极式电锅炉，大型蓄热水罐各有优缺点。优点是技术成熟；而缺点则表现为，电转热用能经济性较差而运行成本高；热水罐储热密度低且空间占用较大。热泵供热技术虽然较为成熟，可以不改变主机系统，运行灵活，热泵效率高，节能效果好；但缺点是成本高，占地面积大。切缸供热则存在低压缸在少汽的状态下运行，末级和次末级存在鼓风损失的风险。光轴供热能增加调峰深度供热量大，但要求热负荷稳定，需要更换转子。一、二级旁路改造投小，但将高品质热能用于供热，存在一定的热经济损失。

高背压供热则更符合能得梯级利用原理。减少了汽轮机冷端损失（占总损失的50%以上），热效率高，供热量大；抽凝机组采用高背压供热之后，能够将全厂的热电效率从70%提高到95%以上；比热泵技术更简单、投资少，运行费用低廉，收效更大。但存在着供热品质（温度）低，需要更换两次转子（双转子），非供热期发电效率低（单转子），要求负荷稳定。

源网荷协同调度的优势是：热电、风电协调调度的智能供热系统，实现了热电和风电的互补运行，提高了电网消纳风电的能力；但太阳能供热、光伏、风电场及供热机组均是单独设计优化的。

那么有没有一种更好的方式呢，有！那就是新的热电解耦技术——太阳能与供热机组互补系统。

该系统提高了供热机级调峰能力，减少弃风弃光；同时也能解决太阳能供热季节错配问题，无需跨季节储热系统，提高了效率，降低了成本。

太阳能与供热机组互补系统，该系统将聚光式太阳能集热场与传统的燃煤供热机组相结合。根据实际负荷需要，太阳能可以直接供暖或者取代高压回热加热器抽汽，从面达到提升机组调峰性能、实现节能减排的效果。其优点是：

1、与电锅炉和大型蓄热水罐相比，新系统利用太阳能进行蓄热，不需要额外消耗燃煤，起到节能作用；
2、与光轴供热、高背压供热相比，新系统无需换轴，可通过改变太阳能集成方式实现系统在供暖期和非供暖期的运行模式转变，且更加高效节能；
3、与切缸供热和一、二级旁路改造相比，新系统低压缸冷却流量充足，安全性高；无高品位能量用于供热产生热经济损失的现象；
4、与太阳能供热相可借助大管网远距离供热，无需配置跨季节储能系统。 

但缺点是需要较大的集热场安装面积，需要对管路进行一定的改造。

太阳能与供热机组互补热电联供系统运行范围如下图所示：

Ⅰ：太阳能取代抽汽进行发电，可以提高原机组发电量；同时会使低压缸入口蒸汽量增加，低压缸最小水冷却流量对应的供抽气量增加，CD线变为C'D'线，提高了调峰能力；

Ⅱ：太阳能直接进行供热，相同发电量情况下，可以提高原机组供热量CD线变为C"D"线，提高了供热量和调峰能力。 

通过灵活使用两种运行模式，调整太阳能用于发电和供热的比例，可使系统调峰性能进一步扩大；在额定供热量（259MW）条件下，互补系统发电功率调整分为由原机组179.3～293.9MW提升为116.3～344.2MW。

欢迎添加太阳能光热联盟工作人员微信（grlm2014），获取回看地址，免费观看本期直播更多演讲精彩内容。