太阳能与燃煤机组互补电站热力特性与集成机理研究

【摘要】：太阳能作为一种可以规模化利用的新能源类型已经得到了广泛应用,太阳能热发电作为太阳能典型热利用方式,为了避免太阳辐射波动性带来的投资增加等一定程度制约了太阳能热发电的规模化发展。槽式太阳能集热技术是一种在国外有数十年运行业绩的技术成熟的热发电类型。燃煤电站温度范围广、负荷稳定可控,其不同温度热需求与槽式太阳能集热系统温度等级相匹配。因此,通过将槽式太阳能集热系统输出热量与燃煤机组热力系统互补集成,以油水换热器为热交换枢纽将太阳能热量输入燃煤机组热力系统取代部分燃煤热量,集成为太阳能光煤互补电站,实现了利用太阳能能源的同时降低部分燃煤消耗。光煤互补电站是集成太阳能集热系统和燃煤电站的复合能量系统,对互补发电系统的研究须着眼于太阳能集热系统与燃煤电站热力系统以及两系统间的耦合关系与对应的特性状况。 本课题以研究太阳能光煤互补电站系统特力特性为目的,探索光煤互补电站中槽式太阳能集热系统运行特性与光煤互补电站热力特性与运行模式,并将研究结论应用于工程实践,建成我国首个商业化光煤互补示范电站。主要研究内容和结论包括： 首先,以太阳能与燃煤电站热力系统不同能量需求特性为基础,探索槽式太阳能集热系统与燃煤电站热力系统的互补机理,研究太阳能和燃煤电站热力系统的互补集成原则。建立互补发电系统热力模型并进行基本的热力系统分析,结果表明太阳能可以与燃煤电站实现较好的热匹配,当太阳能集热场可以提供足够热量时,取代高加抽汽可以直接提升系统经济性,但同时也要求太阳能集热系统有较高的集热温度。 其次,在分析示范电站站址太阳能资源特性的基础上,理论分析示范电站中槽式集热系统在基准工况、阵列间距变化、轴向安装角度变化、集热管失去真空等条件下的系统集热特性。以及集热系统随环境条件变化的影响机理及特性,得到示范系统随环境风速、环境温度变化导致的集热效率变化的定量影响程度。然后,通过分析示范电站资源辐射条件下,三种典型的太阳能发电系统的发电特性,研究太阳能发电不同技术路线的发电能力与系统集热特性等环境适应性。研究结论将应用于示范电站中槽式太阳能系统设计、集成等环节。 再次,介绍了我国首个严格按照国际现有槽式太阳能光热电站行业标准与体系建设的光煤互补示范电站,并将研究成果应用于示范电站设计等环节。主要包含项目站址、布局规划、装机方案、关键设备参数指标等项目基本情况。最后,基于已经建成的光煤互补示范电站,通过实际测试数据分析系统能量损失分布以及参数对运行稳定性的影响机理,分析并验证槽式集热系统及示范电站热力性能。 然后,基于热经济学基本原理,充分考虑互补电站中各股能量流的经济成本以及各子系统的非能量费用,建立了光煤互补示范电站中太阳能所占份额和各股焓流能量费用分析模型,研究示范电站的太阳能份额比例特性。同时,以假设配建储热系统的光煤互补示范电站为研究对象,研究配建储能系统的示范电站在站址地典型气象条件与负荷工况下,集热场与储能部分的运行模式,并定量分析系统流量调节系统的流量分配特性。 最后,研究三种典型太阳能热发电系统在在示范电站站址条件下,相同装机容量、集热面积时的发电量与供电量特性。考虑总投资、运维管理费用、燃料费用、贷款利率等条件,应用经济性评价方法分析对应技术路线的经济特性。从系统投资角度,通过详细产业调研,分析我国目前光煤互补电站相关产业配套来源,与对应的投资成本分布。并对光热产业开展风险研究,主要包括：材料、燃料价格变化风险、市场变化风险、技术风险以及风险评估及防范措施等进行了评估,提出了光热发电产业及光煤互补电站产业发展政策建议。 本文创新点在于通过研究太阳能光煤互补电站集成机理与热力特性,以及特定气象条件下互补电站中槽式太阳能集热系统在基准工况、阵列间距、安装角度等环境参数变化条件下的对系统特力特性的影响机理与定量研究。解决了槽式太阳能集热系统设计优化问题,并将研究成果应用于我国首个光煤互补示范电站,实现了集热系统稳定运行,也是我国首个实现集热场出口温度稳定并达到393℃连续运行的槽式太阳能集热系统。由于在理论研究与示范项目的突出进展,正作为主编单位主编我国槽式太阳能领域首个国家级设计标准《槽式太阳能光热发电站设计规范》。 【关键词】：太阳能 光煤互补 燃煤电站 热力特性 示范电站
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第1章 绪论17-31
• 1.1 课题背景17-18
• 1.2 可再生能源简述18-19
• 1.2.1 太阳能发电系统18
• 1.2.2 风能发电系统18-19
• 1.2.3 地热能发电系统19
• 1.2.4 潮汐能19
• 1.3 太阳能工业热利用国内外发展及研究现状19-28
• 1.3.1 太阳能单独热发电系统简介19-24
• 1.3.2 槽式太阳能热发电研究现状24-25
• 1.3.3 太阳能光煤互补电站国内外研究现状25-28
• 1.4 课题研究内容及意义28-31
• 第2章 光煤互补电站系统集成理论与特性研究31-57
• 2.1 光煤互补电站集成原则31-32
• 2.2 光煤互补电站系统模型研究32-47
• 2.2.1 燃煤电站热力系统模型33-39
• 2.2.2 槽式太阳能集热系统模型39-47
• 2.3 光煤互补电站集成方式及静态特性分析47-56
• 2.3.1 取代第一级高加抽汽48-50
• 2.3.2 取代第二级高加抽汽50-52
• 2.3.3 取代全部高加抽汽52-54
• 2.3.4 取代最后一级低加54-55
• 2.3.5 不同取代方案经济性对比55-56
• 2.4 本章小结56-57
• 第3章 基于示范电站的槽式太阳能集热系统特性研究57-86
• 3.1 光煤互补示范电站研究课题简介57-59
• 3.1.1 课题概况57
• 3.1.2 课题主要研究内容57-58
• 3.1.3 示范项目主要技术指标58
• 3.1.4 示范项目主要意义58-59
• 3.2 示范电站站址太阳能资源分析59-61
• 3.3 基于示范电站的槽式太阳能集热系统性能理论研究61-76
• 3.3.1 导热油热力特性研究62-64
• 3.3.2 示范电站中槽式太阳能集热系统集热特性研究64-69
• 3.3.3 环境条件对示范电站槽式集热系统集热特性影响研究69-76
• 3.4 基于示范电站站址条件的典型太阳能利用方式特性研究76-85
• 3.4.1 不带储热的太阳能槽式、塔式热发电站与光伏电站发电能力研究76-81
• 3.4.2 带储热的槽式与塔式太阳能集热系统技术特性分析研究81-85
• 3.5 结论85-86
• 第4章 光煤互补示范电站集成方案与实验研究86-118
• 4.1 光煤互补示范电站系统简介86-104
• 4.1.1 全厂总体规划及布置86
• 4.1.2 装机方案86-88
• 4.1.3 槽式集热系统主要技术参数88-96
• 4.1.4 气象站96-97
• 4.1.5 防风墙97-98
• 4.1.6 光煤互补示范电站集成方案介绍98-101
• 4.1.7 项目现场照片101-104
• 4.2 基于光煤互补示范电站的槽式太阳能集热系统热量损失研究104-106
• 4.3 基于光煤互补示范电站的槽式太阳能集热系统实验研究106-117
• 4.3.1 槽式集热系统性能测试与实验研究106-111
• 4.3.2 槽式集热系统实验结果分析111-117
• 4.4 本章结论117-118
• 第5章 光煤互补示范电站热力特性与运行模式研究118-133
• 5.1 基于热经济学的太阳能光煤互补示范电站热力特性分析118-126
• 5.1.1 太阳能光煤互补电站太阳能份额评价方法研究119-124
• 5.1.2 光煤互补示范电站中太阳能份额研究124-126
• 5.1.3 小结126
• 5.2 带储热的太阳能光煤互补电站运行模式研究126-131
• 5.2.1 带储热的光煤互补电站运行模式研究127-129
• 5.2.2 带储热的太阳能光煤互补电站运行特性研究129-131
• 5.2.3 小结131
• 5.3 本章结论131-133
• 第6章 光煤互补电站技术经济研究133-151
• 6.1 太阳能热发电站经济性分析133-139
• 6.1.1 不同类型太阳能热发电系统发电能力分析133-134
• 6.1.2 不同类型太阳能热发电系统经济性分析134-139
• 6.1.3 小结139
• 6.2 光煤互补电站投资成本分析139-145
• 6.2.1 槽式太阳能集热系统关键设备来源140-141
• 6.2.2 槽式太阳能集热系统关键设备造价分析141-145
• 6.3 光煤互补电站风险分析145-148
• 6.3.1 材料、燃料价格变化风险分析145
• 6.3.2 市场变化风险分析145-146
• 6.3.3 技术风险分析146
• 6.3.4 站址条件工程风险分析146-147
• 6.3.5 资金风险分析147
• 6.3.6 政策风险分析147
• 6.3.7 风险评估及防范措施147-148
• 6.4 光煤互补电站产业发展现状及政策建议148-150
• 6.4.1 国内配套设备产业链尚不完善148
• 6.4.2 国内设计单位尚无实际电站设计经验148-149
• 6.4.3 无明确电价确保项目收益率满足要求149
• 6.4.4 相关政策建议149-150
• 6.5 结论150-151
• 第7章 结论与展望151-154
• 7.1 主要研究结论151-153
• 7.2 后续工作展望153-154
• 参考文献154-163
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果163-164
• 攻读博士期间参加的科研工作164-165
• 致谢165-166
• 作者简介166

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