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煤电机组耦合储热系统的灵活性调峰特性研究及其性能评价
一、摘要
“双碳目标”背景下,煤电机组将长期作为主力调峰电源,保障电网安全稳
定。储热是提升煤电机组灵活性的重要手段,但煤电耦合储热系统的运行特
性尚不明确,不同储热技术与煤电机组耦合适应性亟待研究。为此,该文构
建600MW煤电-90MW显热/潜热/热化学储热3种耦合系统,详细考察系
统储/释热过程调峰能力及热力学性能,并基于优劣解距离法(techniquefor
orderpreferencebysimilaritytoanidealsolution,TOPSIS)综合评价,
明确最优耦合方案。
研究发现,储热过程,Ca(OH)2/CaO热化学储热的调峰容量、调峰深度及
㶲效率均优于热水及熔融盐储热,而释热过程熔融盐储热性能最优;通
过TOPSIS综合评价法确定热储热方案均为抽取主蒸汽作为热源,最佳释热
方案均为以#2高加进水为冷源,同时确定煤电耦合熔融盐储热为最佳系统耦
合方案。相关研究结论可为构建煤电耦合储热调峰系统提供一定的理论和数
据支撑。
二、引言
构建以新能源为主体的电力系统是实现“双碳目标”的重要支撑。然而,新
能源发电具有间歇性、随机性和波动性等特点。因此,为保障电网安全稳定
运行,需要借助高稳定性电源进行灵活调峰。煤电作为我国电力系统压舱石,
将会在未来很长一段时间内担当主力调峰电源,这对燃煤发电机组的灵活性
提出巨大挑战。
煤电机组灵活性改造是解决上述问题的重要手段,主要包括锅炉本体改造、
蒸汽旁路改造、省煤器分级改造、储能等。其中,储能技术能够在跨时间尺
度上更好实现“源”侧和“荷”侧匹配,同时在很大程度上降低煤电系统调
峰过程能量损失,是极具发展潜力的灵活性改造方案。目前,储能技术按照
能量形式分为物理储能和化学储能,前者包括压缩空气储能、抽水蓄能、飞
轮储能等,后者包括储热、氢储能、蓄电池储能等。以物理储能为代表的压
缩空气储能技术具有运行寿命长、并网性能好和调频能力强等特点,但能量
循环效率相对较低;抽水蓄能技术具有运行方式灵活、调峰调频性能优越等
特点,但受地理影响因素较大。
以蓄电池为代表的化学储能具有能量密度高、电能质量可靠、自放电率高等
特点,但电池寿命有限、运行维护成本较高;氢储能具有大容量、快速响应
等特点,但储存、运输等仍处于技术攻关阶段。
相较于上述储能技术,储热技术可应用于电源侧和用户侧,并且在装机规模、
储能密度、技术成本和使用寿命等方面具有明显优势。据统计,我国22个
火电灵活性改造试点项目中,采用储热技术进行改造的占比最大,至少有12
个项目采用储热相关技术进行改造。
目前,国内外学者围绕储热技术开展系统深入的研究。依据技术原理的不同,
储热主要分为显热储热(以水、油等为介质)、潜热储热(以熔盐为介质)和热化
学储热(以钙循环、氨循环等为介质)。范庆伟等研究发现热电联产机组配置热
水储热后,系统的调峰容量在一定范围内保持不变,随后呈现线性下降趋势。
苏鹏等通过研究热水储热系统和电锅炉系统的技术经济性,发现热水储热系
统、电锅炉系统均能够在一定程度上提升火电机组的运行灵活性,增加机组
调峰深度。Garbrecht等创新性提出两种基于温度匹配的熔融盐储热方式,
通过温度对口优化,储热过程的能量损失显著降低。邹小刚等设计煤电机组
耦合熔盐系统的调峰方案,并对比分析不同耦合方案的热效率、调峰能力和
熔盐用量等,进而获得最优煤电耦合熔盐储热系统。马海彦等研究熔融盐储
热技术耦合热电联产机组的技术可行性、技术方案、投资收益等,发现熔融盐
储热可大幅降低机组的调峰深度,提高机组的调频能力,同时投资收率较好。
Schaube等通过实验发现Ca(OH)2/CaO循环热化学储热工作次数超
过100次循环后,在转化率和化学反应速率两方面仍能保持较高的稳定性。
Uchino等提出一种利用Ca(OH)2/CaO热化学储热的调峰系统,其中,储
热阶段利用电厂燃烧产生热量,释热阶段利用水合反应产生热量转换为电力。
上述研究表明,显热、潜热、热化学储热均能显著提高煤电机组的灵活性调
峰能力,但现有研究多聚焦于单一储热技术与煤电机组的耦合分析,而对不
同储热技术与煤电的耦合适应性缺乏全面系统的综合评价。并且,现有评价
方法仅局限于调峰容量、系统能量效率等单一指标,而未能从调峰能力、热
力学性能等方面综合考虑煤电耦合储热系统的运行性能。因此,有必要对不
同储
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