熱儲能在火電廠靈活性改造中的應(yīng)用

1、 / 17熱儲能在火電廠靈活性改造中的應(yīng)用熱電行業(yè) 熱電行業(yè)摘要：通過火電廠靈活性改造技術(shù)的比較分析，提 高汽輪機(jī)供熱能力、降低機(jī)組強(qiáng)迫出力的技術(shù)，如汽輪機(jī) 旁路、低壓缸零出力和高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)等，增加了 電廠低負(fù)荷運(yùn)行能力，但高峰負(fù)荷時(shí)的頂負(fù)荷能力也隨之 降低，在新的輔助服務(wù)市場規(guī)則下，帶來調(diào)峰收益損失 電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱技術(shù)能夠大幅增加調(diào)峰能力， 改造成本高、 運(yùn)行費(fèi)用高 ;熱儲能技術(shù)在火電廠的應(yīng)用， 能增加機(jī)組調(diào)峰深度，也能增加頂負(fù)荷能力，投資和運(yùn)行 成本較低，具有明顯優(yōu)勢，通過對熔鹽、相變、熱水和混 凝土儲熱技術(shù)在火電廠的應(yīng)用分析比較，熔鹽和相變儲熱 經(jīng)濟(jì)性較差，熱水和混凝土

2、儲熱具有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu) 勢，而且混凝土儲熱密度更高，應(yīng)用范圍更廣。相變關(guān)鍵字： 火電靈活性 混凝土儲熱 熱水儲能 儲熱 熔鹽儲熱作者：張勇 （江蘇中科智儲科技有限公司 ）1、技術(shù)背景在電力市場改革的背景下，清潔高效靈活運(yùn)行已 經(jīng)成為火電行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要目標(biāo)，火電廠靈活性改造 技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。選擇合適的靈活性改造技術(shù) 是火電廠運(yùn)營者最關(guān)心的問題，而這其中，靈活性改造成 本，運(yùn)行費(fèi)用以及電力輔助服務(wù)市場規(guī)則下的調(diào)峰收益是 選擇最合適改造技術(shù)的關(guān)鍵。最近發(fā)布的東北電力輔助 服務(wù)市場運(yùn)營規(guī)則 （暫行 ） ，市場規(guī)則得到進(jìn)一步完善升 級，新規(guī)則設(shè)計(jì)了尖峰旋轉(zhuǎn)備用市場日前競價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn) 輔助

3、服務(wù)市場“壓低谷、頂尖峰”全覆蓋，明確“能上能 下”的雙向調(diào)峰機(jī)組才能獲得全部輔助服務(wù)收益，向火電 機(jī)組提出了完整的靈活性標(biāo)準(zhǔn)，能夠激勵和引導(dǎo)火電廠采 取合適的靈活性改造技術(shù)，全面提升機(jī)組調(diào)峰能力。2、靈活性改造技術(shù)比較目前火電廠靈活性改造主要面對的是“三北”地區(qū)供 熱電廠在采暖季運(yùn)行靈活性不足的問題，因此，提高供熱 機(jī)組的調(diào)峰能力是靈活性改造的主要內(nèi)容。供熱機(jī)組的靈 活性改造主要分為三類，一是增加機(jī)組供熱能力，在滿足 供熱負(fù)荷的條件下降低鍋爐出力，減小機(jī)組強(qiáng)迫出力，主 要有汽輪機(jī)旁路供熱技術(shù)，低壓缸零出力供熱技術(shù)和高背 壓循環(huán)水供熱技術(shù)等 ;二是電熱供暖調(diào)峰技術(shù)， 將機(jī)組發(fā)出 的電能轉(zhuǎn)化為熱

4、能對外供暖，如電極鍋爐技術(shù)和電鍋爐固體儲熱技術(shù) ;三是熱儲能調(diào)峰技術(shù)， 將汽輪機(jī)內(nèi)過剩的蒸汽 熱能轉(zhuǎn)化為儲能介質(zhì)的熱能存儲起來，如應(yīng)用較多的熱水 罐儲能技術(shù)，相變儲熱技術(shù)以及潛在的熔鹽熱儲能技術(shù)和 混凝土儲熱技術(shù)等。2.1、增加機(jī)組供熱調(diào)峰技術(shù)增加機(jī)組供熱能力的調(diào)峰技術(shù)主要是將汽輪機(jī) 內(nèi)部蒸汽的做功份額減小，將其轉(zhuǎn)化為對外供暖的熱能， 能夠降低汽輪機(jī)組的強(qiáng)迫出力，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力。汽 輪機(jī)旁路供熱將做功能力較強(qiáng)的高溫高壓蒸汽抽出供熱， 調(diào)峰潛力大，但存在較大的熱經(jīng)濟(jì)損失，運(yùn)行成本較高 低壓缸零出力技術(shù)將中壓缸排汽全部用于供熱，消除了冷 源損失， 運(yùn)行費(fèi)用較低 ;低壓缸高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)既保

5、 留低壓缸部分做功能力，又消除了冷源損失，具有最佳的 熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行成本優(yōu)勢，但一般需要更換專門的低壓缸 轉(zhuǎn)子，改造費(fèi)用較高。這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是減少蒸汽在 汽輪機(jī)內(nèi)部做功， 增加供熱， 擴(kuò)展機(jī)組的低負(fù)荷運(yùn)行范圍， 如下圖 1 所示：圖 1 ：增加機(jī)組供熱能力的調(diào)峰示意圖從上圖可以看出，在供熱負(fù)荷（綠線 ）不變的情況下，有效降低了機(jī)組的最低負(fù)荷 ;但值得注意的是， 這種靈活性 改造技術(shù)只能增加機(jī)組的低負(fù)荷調(diào)峰能力，不能增加機(jī)組 高峰負(fù)荷時(shí)的頂負(fù)荷能力，甚至高背壓循環(huán)水供熱改造會 降低機(jī)組的頂負(fù)荷能力，按照最新的輔助服務(wù)市場規(guī)則， 屬于“能下不能上”的靈活性改造技術(shù)，不能帶來全面的 調(diào)峰收益。2

6、.2、電熱供暖調(diào)峰技術(shù)電熱供暖調(diào)峰技術(shù)主要有電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱技術(shù)，不涉及熱電廠本體設(shè)備改造，對熱電廠正常運(yùn)行影響較小。電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱直接消耗電能，減 少熱電廠對外供電，以此增加低負(fù)荷調(diào)峰能力，具有調(diào)峰 深度大，運(yùn)行靈活性好的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是投資成本高，運(yùn) 行成本高，適合市場初期收益較高的深度調(diào)峰市場需求， 隨著越來越多電廠的加入輔助服務(wù)市場，深度調(diào)峰需求越 來越少，在以拼成本的市場競爭中，以電能為熱源的供熱 調(diào)峰技術(shù)將難以獲得競爭優(yōu)勢。2.3、熱儲能調(diào)峰技術(shù)熱儲能調(diào)峰技術(shù)是將機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的過剩 蒸汽熱量轉(zhuǎn)化為儲熱介質(zhì)的熱能存儲起來，當(dāng)需要時(shí)將熱 能釋放，以此增加機(jī)組靈活

7、性的調(diào)峰技術(shù)。例如，在采暖 季供熱蒸汽出現(xiàn)過剩時(shí)，將多余熱能存儲到儲熱設(shè)備中， 當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷時(shí)，減小鍋爐負(fù)荷和汽輪機(jī)出力，滿 足機(jī)組低負(fù)荷調(diào)峰要求， 供熱不足的部分由儲熱設(shè)備補(bǔ)充 當(dāng)電力負(fù)荷處于高峰時(shí)，增加鍋爐負(fù)荷，減少汽輪機(jī)對外 供熱，增強(qiáng)機(jī)組的頂負(fù)荷能力，供熱不足的部分由儲熱設(shè) 備補(bǔ)充 ;從熱電廠供熱特性圖來看， 熱儲能相當(dāng)于將固定的 供熱需求轉(zhuǎn)化為可變的供熱需求，拓展了熱電廠調(diào)峰運(yùn)行 范圍，如下圖 2 所示。圖 2 ：熱儲能調(diào)峰示意圖如上圖所示，熱儲能使熱電廠具備了“雙向”調(diào)峰能 力，即可增加熱電廠低負(fù)荷運(yùn)行能力，也能增加高峰期的 頂負(fù)荷能力，可以獲得完整的調(diào)峰收益，而且由于采用蒸

8、 汽作為熱源，熱儲能的熱經(jīng)濟(jì)性好，運(yùn)行成本低，因此熱 儲能調(diào)峰技術(shù)具有最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭優(yōu)勢。3、熱儲能技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用3.1、熔鹽儲熱技術(shù)的應(yīng)用熔鹽熱儲能技術(shù)由于工作溫度高，比熱容高，熱穩(wěn)定 性好，蒸汽壓力低的優(yōu)勢，已經(jīng)在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域得 到了廣泛應(yīng)用，如由多元硝酸無機(jī)鹽組成的Solar salt 鹽，Hitec 鹽和 HitecXL 鹽等，另外，美國 Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室和 Halotechnics 公司以及國內(nèi)的北京工業(yè)大學(xué)等單位在積 極研制新型的低熔點(diǎn)熔鹽，希望能夠進(jìn)一步拓展熔鹽溫度 利用范圍，降低熱儲能成本。這些熔鹽的主要參數(shù)如下表1 所示：表 1 ：熔鹽技術(shù)參數(shù)表以上熔

9、鹽體系中，熔點(diǎn)在 100 以下的熔鹽配方中均 含有價(jià)格較高的 LiNO3 ，而且含有 Ca(NO3)2 的混合熔鹽 在熔點(diǎn)溫度附近的粘度較大，適宜的工作溫度均在100 以上 ;另外美國 Halotechnics 公司的熔鹽具有較低的熔點(diǎn)， 但含有價(jià)格昂貴的 CsNO3 ，因此這些熔鹽雖然有熔點(diǎn)低的 優(yōu)勢，但普遍存在價(jià)格較高、推廣應(yīng)用難度大的問題。從火電廠蒸汽生產(chǎn)流程及熔鹽的儲熱換熱特點(diǎn)來看， 熔鹽熱儲能適用于高溫高壓蒸汽的熱能存儲，可以在汽輪 機(jī)高壓旁路或者再熱器出口設(shè)置熔鹽儲熱系統(tǒng)，如下圖 3 所示。3：熔鹽熱儲能在汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖在實(shí)際中，無論是高溫高壓的主蒸汽還是過熱度很高 的

10、再熱蒸汽， 載熱密度低， 且蒸汽高溫潛熱需要維持高壓， 向熔鹽換熱需要采用換熱面積較大的高壓厚壁換熱器，導(dǎo) 致?lián)Q熱效率低下且成本高 ;如果為減小換熱器設(shè)計(jì)制造難 度和降低成本，增大換熱溫差，則會減小熔鹽溫度利用區(qū) 間，帶來熔鹽用量的大幅增加，從而導(dǎo)致熱儲能成本大幅 增加，因此，利用高溫高壓蒸汽向熔鹽換熱儲熱，工程實(shí) 施難度大且成本高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性低。相對于換熱難度較大的高溫高壓蒸汽，回?zé)嵯到y(tǒng)的鍋 爐給水是一個相對理想的熱源，在高加旁路安裝熔鹽儲熱 裝置，如下圖 4 所示，進(jìn)行熱能的存儲和釋放，可快速調(diào) 節(jié)汽輪機(jī)負(fù)荷，能夠?qū)崿F(xiàn)電力調(diào)頻和調(diào)峰。圖 4 ：熔鹽熱儲能在火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的應(yīng)用 在汽輪機(jī)

11、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的給水旁路設(shè)置熔鹽熱儲能 系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)流經(jīng)高加的鍋爐給水流量，改變各級高加 的抽汽量， 從而快速調(diào)節(jié)汽輪機(jī)輸出功率;當(dāng)降負(fù)荷時(shí)， 增加給水流量，更多蒸汽抽入高加，汽輪機(jī)出力減少，多余 的鍋爐給水經(jīng)過換熱器將熱能存儲到熔鹽罐;當(dāng)增加負(fù)荷時(shí)，減少流經(jīng)高加的給水流量，減小汽輪機(jī)抽汽，增加汽 輪機(jī)功率輸出，其余的鍋爐給水經(jīng)由熔鹽罐加熱后送入鍋 爐，從而滿足調(diào)峰需求。值得注意的是，目前大型熱電廠低負(fù)荷時(shí)的鍋爐給水 溫度一般不超過 250，即使采用價(jià)格較貴的低熔點(diǎn)熔鹽， 熔鹽儲熱系統(tǒng)的工作溫度利用范圍僅為100 120 左右，熔鹽顯熱利用效率較低，導(dǎo)致熔鹽用量和儲能成本增 加，熱儲能經(jīng)濟(jì)性較

12、差。3.2、相變儲熱技術(shù)的應(yīng)用相變儲熱技術(shù)是利用儲熱體在發(fā)生相變時(shí)需要吸收 或釋放相變潛熱的原理進(jìn)行熱能的存儲和利用，優(yōu)點(diǎn)是儲 熱和放熱溫度變化小，儲熱密度高。目前的中高溫相變儲 熱系統(tǒng)中，普遍采用無機(jī)鹽混合物作為相變材料，存在相 變過程導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，需要采取多種傳熱強(qiáng)化措施， 如增加換熱翅片或?qū)釀┑龋瑢?dǎo)致中高溫相變儲熱系統(tǒng)成 本較高，工程實(shí)施難度大。中低溫相變儲熱技術(shù)在熱電廠已有工程應(yīng)用，如內(nèi)蒙 古豐泰熱電廠相變儲熱項(xiàng)目，儲熱容量為 20MWh ，采用 復(fù)合二元鹽相變材料，相變溫度為92 ;儲熱系統(tǒng)采用汽輪機(jī)中壓抽汽為熱源，加熱除鹽水為相變儲熱裝置充熱， 放熱時(shí)，儲熱裝置加熱除鹽水向熱

13、網(wǎng)循環(huán)水放熱。該項(xiàng)目 將相變儲熱技術(shù)用于供暖調(diào)峰，但儲能規(guī)模小，儲熱溫度 低，作為示范項(xiàng)目難以達(dá)到商業(yè)化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性要求。除了供暖儲熱外，相變儲熱技術(shù)更適合多種溫度區(qū)間 銜接的儲熱應(yīng)用場合，如火電廠的回?zé)嵯到y(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電 力調(diào)頻調(diào)峰功能，如下圖 5 所示。圖 5 ：相變儲熱在火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)的應(yīng)用在鍋爐給水旁路接入中高溫相變儲熱裝置，在凝結(jié)水 旁路接入低溫相變儲熱設(shè)備 ;當(dāng)需要降負(fù)荷時(shí)， 增加鍋爐給 水流量和凝結(jié)水流量， 增大回?zé)岢槠?使汽輪機(jī)出力降低， 多余的給水和凝結(jié)水流經(jīng)相變儲熱器將熱能存儲;當(dāng)需要增加負(fù)荷時(shí)，部分鍋爐給水和凝結(jié)水經(jīng)過儲熱器換熱升 溫，減少回?zé)岢槠?，增加汽輪機(jī)出力。相變儲

14、熱技術(shù)用于火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)，不僅儲能密度 高，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，而且不受供暖季限制，可以全年調(diào) 頻調(diào)峰，但需要優(yōu)化相變儲熱系統(tǒng)的儲熱換熱性能，進(jìn)一 步降低成本。3.3、熱水儲能技術(shù)的應(yīng)用火電廠熱水儲能技術(shù)在國內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用，主要用于熱電廠供暖季熱電解耦，提高供熱機(jī)組的運(yùn)行靈活性 工作原理是供熱蒸汽流量出現(xiàn)過剩時(shí)，將多余熱能轉(zhuǎn)化為 熱水并存儲到熱水罐中，當(dāng)電力需求處于低谷時(shí)，減小鍋 爐和汽輪機(jī)出力， 供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充 ;當(dāng)電力需 求處于高峰時(shí)，增加鍋爐出力，減少汽輪機(jī)對外供熱，增 強(qiáng)電廠的頂負(fù)荷能力，供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充。實(shí)際工程一般采用單罐熱水斜溫層儲熱方式，利用水的溫度密度差特

15、性，熱水存儲在儲罐的上部，冷水在儲罐的下部，熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層，如下圖 6 所示。單罐斜溫層儲熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個罐體同時(shí)儲存高低溫水，簡化了儲熱系統(tǒng)配置，降低了造價(jià)。目前單罐熱水儲能的工程應(yīng)用較多，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟可靠。6：單罐熱水儲能在火電廠的應(yīng)用以蒸汽為熱源的熱水儲能，投資成本和運(yùn)行費(fèi)用較 低，既能夠增加熱電廠的低負(fù)荷運(yùn)行能力，也能夠增加高 峰時(shí)段的頂負(fù)荷能力，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭 力。但同時(shí)，熱水儲能也存在儲熱密度低，空間占用大的 問題，尤其是城市區(qū)域的熱電廠改造，由于占地方面的限 制，采用熱水儲能技改存在一定難度。3.4、混凝土熱儲能技術(shù)的應(yīng)用混凝土熱

16、儲能作為一種太陽能光熱發(fā)電技術(shù)中低成 本熱儲能解決方案，是一種高效、大規(guī)模、低成本的中高 溫顯熱儲能技術(shù)，技術(shù)示意圖如下圖 7 所示。圖 7：混凝土儲熱原理示意圖耐高溫混凝土內(nèi)部設(shè)置換熱介質(zhì)流通管道，高溫傳熱 介質(zhì)通過換熱管道，釋放熱能，混凝土作為儲熱介質(zhì)，溫 度升高， 儲存熱能 ;放熱時(shí)，混凝土將熱能傳導(dǎo)至傳熱介質(zhì)， 溫度降低， 完成熱能釋放 ;混凝土儲熱的主要材料是鋼筋和 水泥，獲取方便，成本低，安全性好，運(yùn)輸方便，便于模 塊化設(shè)計(jì)制造。混凝土是一種性能優(yōu)良、造價(jià)低廉的太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域顯熱儲熱材料，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)均開展了針對高溫混 凝土材料的研究， 如德國 DLR ，國內(nèi)武漢理工大學(xué)和中

17、國 科學(xué)院等，主要目標(biāo)是提高混凝土儲熱系統(tǒng)的換熱儲熱性 能，增加比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，降低建設(shè)成本等。不同于光 熱發(fā)電領(lǐng)域的高溫高壓蒸汽熱能的存儲與輸出，火電廠熱 儲能的需求是高溫蒸汽熱量輸入和中低溫蒸汽甚至熱水 的熱量輸出，能夠大幅降低混凝土儲熱的技術(shù)要求，有利 于混凝土儲熱單元的換熱和儲熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低儲 熱成本?；炷翐Q熱儲熱一體，溫度適應(yīng)范圍廣，能夠直接儲 存高溫高壓水蒸氣熱能，有效解決火電廠高溫高壓蒸汽的 換熱儲熱難題，匹配火電廠熱儲能的技術(shù)要求，例如，可 直接應(yīng)用于熱電廠供暖蒸汽熱能存儲，如下圖8 所示，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，提高機(jī)組運(yùn)行靈活性。圖 8 ：混凝土儲熱在火電廠的應(yīng)用當(dāng)供暖蒸

18、汽出現(xiàn)過剩時(shí)，將多余蒸汽導(dǎo)入混凝土儲熱 單元存儲熱能，蒸汽冷卻后送入冷凝水箱或排入凝汽器， 當(dāng)電力需求處于低谷時(shí)， 減小鍋爐負(fù)荷， 降低汽輪機(jī)出力， 供暖蒸汽不足的部分由混凝土儲熱單元加熱冷凝水產(chǎn)生 蒸汽補(bǔ)充 ;當(dāng)電力需求處于高峰時(shí)， 增加鍋爐出力， 減少汽 輪機(jī)對外供熱，增強(qiáng)電廠的頂負(fù)荷能力，供熱不足的部分 由混凝土儲熱單元產(chǎn)生蒸汽補(bǔ)充。與單罐熱水儲能相比，混凝土熱儲能安全性好，儲熱 溫度高，儲能密度高，成本低廉，而且混凝土儲熱的熱能 輸出形式多樣，即可輸出熱水用于民用供暖，也能輸出蒸 汽用于工業(yè)供熱，具有較好的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢和市場應(yīng)用潛 力。4、結(jié)論 火電廠靈活性改造技術(shù)中，采用增加機(jī)組供熱能力的 方法，如汽輪機(jī)旁路供熱，低壓缸零出力和高背壓循環(huán)水 供熱技術(shù)等，能夠有效降低機(jī)組的強(qiáng)迫出力，提高電廠低 負(fù)荷運(yùn)行靈活性，但會降低機(jī)組在負(fù)荷高峰時(shí)的頂負(fù)荷能 力，在新的輔助服務(wù)規(guī)則下面臨調(diào)峰收益損失。采用電熱供暖調(diào)峰技術(shù)，如電鍋爐固體儲熱，電極鍋 爐等，投資成本高，以電能為熱源，運(yùn)行費(fèi)用高，在輔助 服務(wù)市場中競爭力不足?；痣姀S采用熱儲能調(diào)峰技術(shù)，既能增加機(jī)組的低負(fù)荷 運(yùn)行能力，也能增加負(fù)荷高峰時(shí)的頂負(fù)