刘 伟，党文越，金宏达，孟繁兵，黄朝阳
(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)
目前，中国缺少太阳直射辐射的长时间累计数据，哈尔滨地区更加缺乏[1]。美国NASA SSE6.0数据库搜集了全球范围内，分辨率在100 km左右的22年期太阳法向直射辐射，该数据库被认为可以用以进行全球范围内太阳能热发电潜力评估[2]。太阳能瞬时辐射照度的大小及其时间分布变化是太阳能发电系统设计和功率预测的重要基础，对指导系统运行和发电功率预测尤为重要[3-5]。
随着以新能源为主体的新型电力系统的构建与发展，以及“碳达峰、碳中和”目标的设定，为更好地开发利用哈尔滨地区太阳能资源，指导太阳能发电系统的设计、评估、运行和功率预测，以NASA SSE6.0数据库中22年来表面气象和太阳能数据为基础，在研究计算哈尔滨地区以时间节点为因变量的太阳能日、月、年内瞬时辐射照度的基础上，以光-煤混合发电系统模型为基础，进行对应系统的静态和逐时稳态性能计算分析[6-8]。
在没有实测辐射数据的情况下，一般是根据邻近地区的实测值采用插值法推算，或者利用相对容易测量的太阳持续时间(日照百分率)或云量等数据推算，得到月平均日水平面上的辐射量，再进行分解，得到相应的直射辐射和散射辐射量。若存在可利用的数据，可根据月平均日直射辐射量进行计算，得出太阳能瞬时直射辐射照度，从而得到以小时为节点的月代表日的太阳直射辐射照度分布，再进行月累计分布计算以及全年不同辐射照度分布时长统计；
根据不同辐射照度下的槽式太阳能集热场和光-煤混合发电系统计算各项指标的不同，将变化的指标参数以时间节点为因变量连接起来，得到系统性能每天的变化规律，从而进行逐时稳态性能分析、年度经济性分析以及污染物替代计算[6-8]。
该计算方法直接利用月平均日直射辐射量来推算太阳能瞬时直射辐射照度，计算晴天太阳能辐射具有很好的精度。因此，对于主要是收集晴天太阳能直射辐射的抛物面槽式太阳能集热器，利用该公式计算的结果能够反应投射到集热器上的辐射状况[9,10]。
该文以NASA SSE6.0数据库中22年来月平均日直射辐射量的平均值为基础，进行日瞬时直射辐射分布、月累计分布计算，以及全年不同辐射照度分布时长统计分析，以便为哈尔滨地区太阳能光伏发电、光-煤混合发电系统初设和运行功率预测提供参考。具体推算式如下。
(1)
(2)
b=0.660 9-0.476 7sin(ωs-60)
(3)
a=0.409+0.501 6sin(ωs-60)
(4)
(5)
Hh=rtHd
(6)
EDNI=Hh×1 000 000/3 600
(7)
式中：n为所计算当天在全年中的日数；
δ为赤纬角，(°)；
φ为地理纬度，(°)；
ω为太阳时角，(°)；
ωs为日落时角，(°)；
rt为小时总辐射与全天总辐射之比；
Hd为全天曝辐射量，MJ/m2；
Hh为小时曝辐射量，MJ/m2；
EDNI为瞬时直射辐射照度，W/m2。
太阳能与燃煤机组混合发电系统，即光-煤混合发电系统中，以槽式太阳能集热场加热凝结水泵出水，形成对应参数的蒸汽。根据取代抽汽的不同，系统有8种集成方式，每一种集成方式对应一种计算模型。为说明方便，以取代1段抽汽时的集成方式为例，如图1所示。燃煤机组为亚临界压力300 MW双缸双排汽凝汽式机组，共设8级抽汽，回热系统为“三高四低一除氧”，3台高压加热器和5号低压加热器装有蒸汽冷却器，3台高压加热器装有疏水冷却段，末级低压加热器疏水排向凝汽器，太阳能集热场由抛物面槽式太阳能集热器组成；
太阳能与燃煤机组混合发电系统的运行方式为“燃料节省型”(功率不变)。以热力学第一定律为基础，根据“温度对口，能量梯级利用”原则，通过热系统变工况热力计算，得到不同集成方式及不同取代百分比的工况，再分别研究抛物面槽式太阳能集热场和光-煤混合发电系统的热力性能变化规律。光-煤混合发电系统的运行方式为“燃料节省型”时，太阳能加热凝泵来水后，无论取代哪一段抽汽，在功率不变的情况下，最终都会导致汽轮机新汽量等参数的变化[11-16]。因此，为了评价太阳能集热场性能和光-煤混合发电系统综合能耗水平，为太阳能燃煤混合发电系统的设计与运行提供理论依据，需要拟定性能方程或性能指标，主要有计算式(8)～(13)。
图1 太阳能燃煤混合发电系统集成方式
ηsc=ηoptKtα-(a+cvwind)(Tab-Tair)/EDNI-
(8)
(9)
Qsc=Ds×(hb-ha)=AEDNIηse×10-3
(10)
Qs=Qsc/ηse
(11)
(12)
(13)
引入文献[1]的数据，根据光-煤混合发电系统模型及性能分析方法，代入推算得到的EDNI，即可得到太阳能集热场和太阳能燃煤混合发电系统的静态性能参数。为了进一步研究光-煤混合发电系统逐时稳态性能，只需利用EDNI的时间分布规律中的时刻，将对应EDNI下的性能参数连接起来，即可得到对应集成方式或工况下的逐时稳态性能变化规律。
为方便比较说明，列出原燃煤机组额定工况下的性能参数参数，见表1。
表1 原燃煤机组额定工况下的性能参数
3.1 静态性能计算结果分析
在选取EDNI等于700 W/m2作为太阳能集热场和光-煤混合发电系统设计值的前提下，根据太阳能集热场引入凝泵来水，加热至对应1～8段蒸汽后，取代1～8段抽汽时集成方式的不同，有8个工况下的静态性能结果，如表2所示。
表2 不同集成方式下的静态性能结果分析
由表2数据分析可知，在EDNI一定的情况下，随着取代1～8段抽汽的不同，集热场面积和工质流量不同；
集热场工质吸热量取决于工质进出口温度，同时和Ds有关；
集热场换热效率变化幅度不大；
集热场吸收的太阳能热量、太阳能所产生的电能以及太阳能热电转换效率变化明显；
热耗率和标准煤耗较原燃煤机组均发生了明显降低；
混合发电系统标煤节省量，取代1段抽汽时最大，取代8段抽汽时最小。
因为取代1段抽汽标煤节省量最为明显，所以，以取代1段抽汽为基础，又分析了取代份额不同时的静态性能，如表3所示。
由表3数据可知，随着1段抽汽取代份额的降低，机组性能参数有向原燃煤机组回归的趋势，即取代份额越小，太阳能引入机组的热量越小，混合发电系统煤耗越接近原燃煤机组煤耗，节省煤量越小，在满足温度对口的条件下，集热场面积也会减小；
由于取代份额变化对太阳能集热场进出口介质参数影响不大，外加EDNI不变，环境参数不变，因此太阳能集热器换热效率变化不大。
表3 取代1段抽时不同取代份额下的静态性能结果分析
3.2 逐时稳态性能结果分析
根据前文分析，太阳能热取代1段抽汽时，单位发电量下的节煤量最大，因此在进行太阳能集热场和光-煤混合发电系统逐时稳态性能分析时，以取代1段抽汽的集成方式为基础。由于一天内不同时刻瞬时直射辐射强度不同，为便于进行逐时稳态分析，选取EDNI等于700 W/m2作为太阳能集热场和太阳能燃煤混合发电系统设计值的前提下，计算的太阳能集热场面积为105 565.35 m2，当EDNI发生变化时，集热场面积不再变化。对应集热场面积一定，EDNI不同区段下的太阳能燃煤混合发电系统静态性能如表4所示。
表4 取代1段抽时不同EDNI下的静态性能结果分析
由表4数据可知，当太阳能集热场面积一定的情况下，随着EDNI的降低，集热器换热效率降低，在满足温度对口的条件下，Ds势必降低，太阳能引入机组的热量降低，太阳能热电转效率降低，混合发电系统的热耗和煤耗增加，机组性能参数同样有向原燃煤机组回归的趋势，即EDNI越小，混合发电系统煤耗越接近原燃煤机组煤耗，节省煤量越小，直到EDNI降低到一定程度，关停集热场换热，光-煤混合发电系统切换成原燃煤机组正常发电。
结合表4的数据，以6月11日一天内太阳能EDNI变化为例，太阳能集热场及光-煤混合发电系统逐时稳态性能如图2所示。
图2 集热场及混合发电系统逐时稳态性能
由图2中太阳能集热场和光-煤混合发电系统逐时稳态性能变化规律知，随着时刻的变化，EDNI、Ds、Qc、Qs、Pes、Δbs均呈现先增大后降低的变化规律，在正午时刻达到峰值，太阳能发电量Pes相对平滑；
集热器换热效率η和太阳能热电转换效率ηse在日出时刻均有阶跃性上升，日落时刻均有阶跃性下降，在整个日照时间内呈现出比较平稳的态势；
混合发电系统热耗q和煤耗bs均呈现先降低后增大的变化规律，在正午时刻达到低谷。
3.3 年内各月性能比较分析
为了进一步比较年内各月之间的性能变化规律，特进行了月平均日内性能参数各时刻平均化或累计处理，其中平均化处理和累计处理后，统计后计算的年内各月之间的性能结果如图3所示。
由图3可知，随着年内月份的变化，各月平均辐射总量呈现先增加后减小的变化规律；
各月平均的集热器换热效率和太阳能热电转换效率变化呈现比较平稳的态势；
各月平均的集热场工质流量和混合系统发电标准煤耗呈现类似变化规律，3～9月较大，1、2、10、11、12月较小；
集热场工质吸热月累计量、集热场吸收的太阳能热月累计量、太阳能发电月累计量呈现类似变化规律，均先增加后减小，在6月份达到峰值；
混合发电系统标准煤耗呈现先减小后增加的变化规律，混合发电系统的月累计节省标煤量呈现先增加后减小的变化规律，夏季节省标煤量大，春秋季次之，冬季最少，年节省标煤累计总量达9471.47 t，若1 t标煤产生NOx、CO2、SO2、粉尘，分别按0.006 t、2.126 7 t、0.004 1 t、0.000 2 t计，年减少污染物排放量NOx为56.828 8 t，CO2为20 142.975 2 t，SO2为38.833 0 t，粉尘为1.894 3 t。
图3 集热场及混合发电系统月平均性能
针对国内太阳能辐射观测站现状和光-煤发电系统设计和运行功率预测的需要，研究并分析了光-煤混合发电系统的静态性能、逐时稳态性能和年内各月性能的变化规律。
1)光-煤混合发电系统的静态性能分析表明，光-煤混合发电系统所列集成方式中取代1段抽汽的集成方式最优，单位发电节省标煤耗19.84 g/(kW·h)；
2)光-煤混合发电系统的逐时稳态性能分析表明，随着时刻的变化，光煤发电系统热耗和煤耗均呈现先降低后增大的变化规律，在正午时刻达到低谷；
随着年内月份的变化，各月平均辐射总量呈现先增加后减小的变化规律；
混合发电系统标准煤耗呈现先减小后增加的变化规律，系统的月累计节省标煤量呈现先增加后减小的变化规律，年节省标煤累计总量达9 471.47 t，减少了污染物排放量。
3)该计算方法可在太阳能光伏发电或光-煤混合发电系统初设和运行功率预测中参考和应用，不仅可以推算出各月内或年内每一天的集热场和太阳能燃煤混合发电系统逐时稳态性能变化规律，还可以比较年内各月之间的性能差异；
同时，该方法为哈尔滨地区太阳能利用提供了对应模型下的气象与功率广域时空关联性，填补了光-煤混合发电系统工程应用中的功率预测方法。