中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：山東大學(xué)、山東省熱科學(xué)與智慧能源系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安熱工院、華能山東發(fā)電有限公司的研究人員在《Applied Energy》上刊發(fā)題為《The flexibility of a molten salt thermal energy storage (TES)-integrated coal-fired power plant》的研究文章。
這項(xiàng)研究全面分析了耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組在變負(fù)荷過程中的動(dòng)態(tài)特性及其靈活性提升機(jī)制。通過建立系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)模型，揭示了耦合系統(tǒng)的?效率曲線與熔鹽儲(chǔ)熱往復(fù)效率的變化規(guī)律，并評(píng)估了耦合系統(tǒng)對(duì)實(shí)際AGC指令的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為熔鹽儲(chǔ)熱在熱力系統(tǒng)中的集成與運(yùn)行優(yōu)化提供了深入見解。
研究亮點(diǎn)
1. 建立了耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤電廠系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)模型。
2. 模擬了耦合系統(tǒng)在不同爬坡速率下的變負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程。
3. 分析了負(fù)荷范圍與爬坡速率對(duì)耦合系統(tǒng)?效率的影響。
4. 揭示了動(dòng)態(tài)運(yùn)行對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱往復(fù)效率的影響規(guī)律。
5. 研究了耦合系統(tǒng)對(duì)實(shí)際AGC指令的響應(yīng)特性。
論文介紹
過去幾十年來，人為碳排放過量加劇了氣候變化問題。發(fā)展可再生能源是應(yīng)對(duì)這一緊迫氣候挑戰(zhàn)的有效途徑，但可再生能源的間歇性特征提升了電力系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求，以保障實(shí)時(shí)電力平衡。作為中國能源基礎(chǔ)設(shè)施的核心組成部分，火電廠不可避免地成為提升可再生能源消納靈活性的關(guān)鍵支撐。
在此背景下，燃煤電廠可提供的核心靈活性服務(wù)主要包括負(fù)荷跟蹤和爬坡，分別以運(yùn)行負(fù)荷率范圍和爬坡速率表示。受鍋爐最低穩(wěn)態(tài)負(fù)荷及熱慣性的限制，燃煤電廠的常規(guī)可行負(fù)荷范圍為30%PN至100%PN，最大爬坡速率低于2%PN/min，難以滿足當(dāng)前20%PN-100%PN的負(fù)荷范圍要求，及5%PN/min的爬坡速率要求。因此，提升燃煤電廠靈活性已成為亟待解決的研究課題，而儲(chǔ)能與燃煤電廠的集成被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方案。
然而，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能及熱能儲(chǔ)能（TES）等大型儲(chǔ)能技術(shù)并非均適用于與火電廠集成。例如，抽水蓄能受地理?xiàng)l件限制顯著；壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃煤電廠的集成雖已證實(shí)技術(shù)可行，但其實(shí)際應(yīng)用中的效率、經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性仍有待驗(yàn)證；電化學(xué)儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用則受限于高昂的投資成本及尚未解決的安全問題。相較于上述技術(shù)，熱能儲(chǔ)能被認(rèn)為是提升燃煤電廠靈活性的高性價(jià)比方案。
在各類熱能儲(chǔ)能技術(shù)中，熔鹽被視作提升熱電廠靈活性的優(yōu)選方案。熔鹽主要分為硝酸鹽、碳酸鹽、氟化物和氯化物四類。
在這些鹽類中，硝酸鹽（如太陽鹽、Hitec鹽）熔點(diǎn)較低，腐蝕性弱于碳酸鹽和氟化物，因此于二十一世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，目前已廣泛用于太陽能熱發(fā)電站。相比之下，高純度氯化物在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性更強(qiáng)，且其腐蝕性在惰性環(huán)境中可有效控制。2017年，熔鹽首次被納入提升燃煤電廠靈活性的概念性研究。此后，大量研究]圍繞熔鹽儲(chǔ)能與燃煤電廠的集成展開，圖1展示了熔鹽儲(chǔ)能與電廠的集成配置。除理論研究外，近年來相關(guān)示范項(xiàng)目也取得了突破性進(jìn)展。例如，中國河北龍山某600MW亞臨界燃煤電廠已集成熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)以提升靈活性；另有一項(xiàng)1000MWh熔鹽儲(chǔ)能示范工程已實(shí)現(xiàn)與兩座350MW超臨界供熱主力電廠的協(xié)同運(yùn)行。
熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)的充能方式主要有兩種：蒸汽加熱和電加熱。蒸汽加熱是利用主蒸汽或再熱蒸汽的熱量加熱熔鹽，電加熱則通過消耗電廠產(chǎn)生的電能加熱熔鹽。與蒸汽加熱系統(tǒng)相比，電加熱在提升電廠靈活性方面表現(xiàn)更優(yōu)，但由于能量需經(jīng)歷“電能-熱能-電能”的轉(zhuǎn)換過程，其能量效率通常較低。
在蒸汽加熱相關(guān)研究中，現(xiàn)有成果多聚焦于系統(tǒng)配置層面，即如何通過熔鹽儲(chǔ)能裝置與電廠的集成實(shí)現(xiàn)充放電運(yùn)行。不同集成配置會(huì)導(dǎo)致熔鹽儲(chǔ)能單元的負(fù)荷范圍和往返效率（RTE）存在差異，但關(guān)于熔鹽儲(chǔ)能集成燃煤電廠負(fù)荷調(diào)整速率的研究較為匱乏。此外，多數(shù)研究采用穩(wěn)態(tài)模型評(píng)估系統(tǒng)性能，因此通常將熔鹽儲(chǔ)能單元的往返效率設(shè)定為恒定值。同時(shí)，熔鹽儲(chǔ)能裝置對(duì)電廠靈活性服務(wù)能力的提升效果尚未得到系統(tǒng)評(píng)估。
為填補(bǔ)上述研究空白，本研究聚焦熔鹽儲(chǔ)能集成燃煤電廠的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，開發(fā)并驗(yàn)證了系統(tǒng)級(jí)集成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。針對(duì)100%PN至30%PN負(fù)荷區(qū)間，開展了目標(biāo)爬坡速率為±5%PN/min的負(fù)荷降低與負(fù)荷提升過程模擬，首次評(píng)估了熔鹽儲(chǔ)能集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及熔鹽儲(chǔ)能單元的往返效率，并考察了集成系統(tǒng)在實(shí)際自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）指令下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
本文建立并驗(yàn)證了耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)模型，并模擬了機(jī)組在30%~100% PN之間、以2%~5% PN /min爬坡速率的變負(fù)荷過程。結(jié)果表明：與原機(jī)組相比，耦合熔鹽儲(chǔ)熱后的燃煤機(jī)組在低于45% PN工況下的?效率更高（基于本文4%的模型誤差）。此外，熔鹽儲(chǔ)熱的往復(fù)效率介于49.4%~62.3%之間，具體數(shù)值受機(jī)組負(fù)荷范圍與爬坡速率的影響。最后，通過模擬對(duì)一小時(shí)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）指令的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了熔鹽儲(chǔ)熱在提升燃煤機(jī)組靈活性輔助服務(wù)能力方面的顯著效果。
本研究通過闡明熔鹽儲(chǔ)能集成電廠的靈活性提升機(jī)制與節(jié)能運(yùn)行規(guī)律，為復(fù)雜熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模提供技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。
圖文導(dǎo)讀
圖1耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)示意圖
圖2 耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組變負(fù)荷過程控制邏輯
圖3 耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組在不同爬坡速率下的降負(fù)荷過程
圖4 耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組在不同爬坡速率下的升負(fù)荷過程
圖5 耦合熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤機(jī)組?效率曲線
圖6 機(jī)組負(fù)荷率與爬坡速率對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱往復(fù)效率的影響
圖7 耦合熔鹽儲(chǔ)熱前后的AGC響應(yīng)特性對(duì)比
