熱儲能在火電廠靈活性改造中的應(yīng)用

1、熱儲能在火電廠靈活性改造中的應(yīng)用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，既能增加機(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，熱水和混凝土儲熱具有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而 且混凝土儲

2、熱密度更高，應(yīng)用范圍更廣。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)計了尖峰旋轉(zhuǎn)備用市場日前競價機(jī) 制，實(shí)現(xiàn)輔助服務(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

3、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

4、潛在的熔鹽熱儲能技 術(shù)和混凝土儲熱技術(shù)等。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

5、的低負(fù)荷運(yùn)行范圍， 如下圖1所示：KAKA后鼻崎亡胃圖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。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

6、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。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)需要時將熱能釋放，以此增加機(jī)組靈活性的調(diào)峰技術(shù)。例如，在采暖季供熱蒸汽出現(xiàn)過剩時，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，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，增加鍋爐負(fù)荷，減

7、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。排電廠發(fā)電供熱運(yùn)行范國圖一庫運(yùn)排電廠發(fā)電供熱運(yùn)行范國圖一庫運(yùn)f翔國 一除負(fù)荷線 一供料負(fù)荷斗碣熱一供熱負(fù)荷除熱圖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)用熔鹽儲

8、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：津鹽氣彌CC)SJKiSJgCO工柞溫度 CQSolar ,愴川倒220600250565Hitec142535150454HitecXL120500140-480Sandia m

9、ix(NaNO3*KNOl*Ca(NOi)2*LiMO3M90500130-500北工X66612130600Halotech ntcfi KNOi + Ca(NDB)24 LiNOl* CsNOI)6S561100550表1:熔鹽技術(shù)參數(shù)表以上熔鹽體系中，熔點(diǎn)在100c以下的熔鹽配方中均含有價格較高的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100c以上；另外美國Halotechnics 公司的熔鹽具有較低的熔點(diǎn)，但含有價格昂貴的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

10、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。主舞汽低溫融船稀而溫融然端圖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

11、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)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，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，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

12、電廠低負(fù)荷時的鍋爐給水溫度一般不超過250C,即使采用價格較貴的低熔點(diǎn)熔鹽，熔鹽儲熱系統(tǒng)的工作溫度利用范圍僅為100C120c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)性較差。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┑?，?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

13、廠相變儲熱項目，儲熱容量為20MWh采用復(fù)合二元鹽相變材料，相變溫度為92 C;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，儲熱裝置加熱除鹽水向熱網(wǎng)循環(huán)水 放熱。該項目將相變儲熱技術(shù)用于供暖調(diào)峰，但儲能規(guī)模小，儲熱溫度低，作為示范項目 難以達(dá)到商業(yè)化項目的經(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。燃燃爐圖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；需要降負(fù)荷時，增加鍋爐給水流量和凝結(jié)水流量，增大回?zé)岢槠?，使?/p>

14、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，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黾悠啓C(jī)出力。相變儲熱技術(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 40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，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，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，增加鍋爐

15、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)了一個罐體同時儲存高低溫水，簡化了儲熱系統(tǒng)配置， 降低了造價。目前單罐熱水儲能的工程應(yīng)用較多，運(yùn)行經(jīng)驗豐富，技術(shù)成熟可靠。鍋爐平城外小M呢圖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，熱水儲能

16、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?；炷翢醿δ芗夹g(shù)的應(yīng)用混凝土熱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，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)計制造?；炷潦且环N性能優(yōu)良、造價低廉的太陽

17、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，進(jìn)一步降低儲熱成本。混凝土換熱儲熱一體，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

18、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。鉤爐圖8:混凝土儲熱在火電廠的應(yīng)用當(dāng)供暖蒸汽出現(xiàn)過剩時，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，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，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)

19、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 的頂負(fù)荷能力，運(yùn)行費(fèi)用低，具備較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。通過對熔鹽熱儲能、相變儲能、熱水儲能和混凝土熱儲能幾種技術(shù)在火電廠應(yīng)用的方案對比，可得出