固體儲(chǔ)熱與燃煤發(fā)電系統(tǒng)耦合的數(shù)值模擬分析

閆百濤，劉冠杰

(1. 國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181; 2. 中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

儲(chǔ)熱技術(shù)是以?xún)?chǔ)熱材料為媒介，將太陽(yáng)能光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候釋放，力圖解決由于時(shí)間、空間或強(qiáng)度上的熱能供給與需求間不匹配所帶來(lái)的問(wèn)題，最大限度地提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)。儲(chǔ)熱技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用能夠有效提高能源綜合利用水平，對(duì)于太陽(yáng)能熱利用、電網(wǎng)調(diào)峰、工業(yè)節(jié)能和余熱回收、建筑節(jié)能等領(lǐng)域都具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

固體儲(chǔ)熱技術(shù)是指以固體為主要儲(chǔ)熱介質(zhì)或儲(chǔ)熱體主要組成部分的儲(chǔ)熱技術(shù)。其具有體積相對(duì)恒定、材料來(lái)源廣泛、化學(xué)性能穩(wěn)定、成本低、儲(chǔ)熱能力好等諸多優(yōu)點(diǎn)，極具商業(yè)潛力[4]。目前我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)存在裝機(jī)冗余過(guò)大、利用小時(shí)數(shù)偏低等問(wèn)題，再加上冬季供熱造成的熱電解耦問(wèn)題，火力發(fā)電與可再生能源發(fā)電之間矛盾日益突出，火力發(fā)電低負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升[5]。本文就固體儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、相關(guān)應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)及其相對(duì)其他儲(chǔ)熱技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)作簡(jiǎn)要綜述，并針對(duì)目前我國(guó)煤電行業(yè)面臨的深度調(diào)峰需求給出了直接儲(chǔ)熱與煤電耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以期提升煤電機(jī)組運(yùn)行靈活性，增加機(jī)組運(yùn)行效率，更大限度消納可再生能源發(fā)電量。將固體儲(chǔ)熱與燃煤發(fā)電系統(tǒng)耦合起來(lái)，達(dá)到提高能源利用效率、增強(qiáng)火力發(fā)電調(diào)峰能力以及緩解電網(wǎng)調(diào)度壓力的目的。

1 蒸汽直接加熱固體儲(chǔ)熱耦合燃煤發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1是混凝土儲(chǔ)熱耦合燃煤發(fā)電系統(tǒng)方案流程。該系統(tǒng)采用混凝土作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，混凝土內(nèi)部布置換熱管道，利用鍋爐主蒸汽作為熱源。當(dāng)燃煤機(jī)組需要深度調(diào)峰時(shí)鍋爐主蒸汽從主蒸汽管道旁路直接引至混凝土儲(chǔ)熱模塊，汽輪機(jī)從系統(tǒng)切除，在混凝土儲(chǔ)熱模塊前布置一臺(tái)高背壓汽輪發(fā)電機(jī)組，利用背壓機(jī)發(fā)電量支撐全廠用電，將主蒸汽熱量?jī)?chǔ)存至混凝土儲(chǔ)熱模塊，換熱后的凝結(jié)水返回發(fā)電機(jī)組汽水系統(tǒng)。當(dāng)供熱量無(wú)法滿(mǎn)足需要時(shí)，可以將工業(yè)水送入儲(chǔ)熱模塊加熱蒸發(fā)后送入熱網(wǎng)換熱器。

圖1 混凝土儲(chǔ)熱與燃煤發(fā)電機(jī)組耦合系統(tǒng)示意圖

非供熱季時(shí)，在發(fā)電負(fù)荷容許時(shí)儲(chǔ)熱模塊儲(chǔ)存的熱量可將凝結(jié)水加熱為中溫中壓蒸汽送入鍋爐汽輪機(jī)系統(tǒng)；也可為儲(chǔ)熱模塊單獨(dú)配置一臺(tái)中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組完成發(fā)電上網(wǎng)。

以135 MW循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機(jī)組為例(為簡(jiǎn)化計(jì)算，暫不考慮再熱機(jī)組)，最低穩(wěn)燃負(fù)荷可降低至30%THA，鍋爐熱負(fù)荷為120 MWth，廠用電率按照10%計(jì)算，該工況下廠用電總功率為4 MW，如用背壓機(jī)支撐廠用電，按照其內(nèi)效率70%計(jì)算，背壓機(jī)需消耗熱功率5.8 MW，因此進(jìn)入儲(chǔ)熱模塊的熱量為114.2 MW。按照儲(chǔ)存30%負(fù)荷熱量4個(gè)小時(shí)計(jì)算，儲(chǔ)熱模塊總?cè)萘吭O(shè)計(jì)為1 644.5 GJ。如儲(chǔ)熱及換熱綜合效率按照90%核算，有效供熱量可達(dá)到1 480 GJ。如按照8小時(shí)供熱設(shè)計(jì)，單位面積供熱量42 W/m2，該系統(tǒng)可新增122.4萬(wàn)m2供熱能力。在非供熱季，儲(chǔ)熱模塊可產(chǎn)生中溫中壓蒸汽在電網(wǎng)容許時(shí)再上網(wǎng)發(fā)電，儲(chǔ)熱效率按照90%、中溫中壓發(fā)電機(jī)組按照25%計(jì)算，發(fā)電量與直接發(fā)電相比為降低約36%，單次儲(chǔ)熱可發(fā)電104 MW·h。系統(tǒng)熱力參數(shù)如表1所示。

綜合考慮供熱季和非供熱季綜合收益，儲(chǔ)熱系統(tǒng)年收益可達(dá)4 000萬(wàn)元以上，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表2。

2 固體儲(chǔ)熱數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算方法原理

根據(jù)換熱介質(zhì)狀態(tài)，本方案將混凝土儲(chǔ)熱分為過(guò)熱蒸汽段、相變段和冷凝水段三個(gè)階段，并根據(jù)階段特征分別設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱模塊，進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱力參數(shù)

表2 蓄熱系統(tǒng)收益表

儲(chǔ)熱過(guò)程中，電廠鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽對(duì)混凝土的高溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱、水工質(zhì)的相變部分對(duì)混凝土的中溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱、水工質(zhì)的冷凝水部分對(duì)混凝土的低溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱；取熱過(guò)程中，經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)高加之后的過(guò)冷水從混凝土的低溫部分進(jìn)行取熱，取熱進(jìn)一步變?yōu)檎羝柘嘧儫崃繌幕炷恋闹袦夭糠肢@取，而過(guò)熱蒸汽所需過(guò)熱熱量從混凝土的高溫部分獲得，各部分熱量都是由混凝土的溫差顯熱提供，水/蒸汽傳遞熱量的儲(chǔ)存和汽輪機(jī)所需熱量的提取過(guò)程可以近乎完美地匹配。

該混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的換熱過(guò)程運(yùn)行曲線(xiàn)也同樣位于兩個(gè)蒸汽相變的平臺(tái)中間，實(shí)際案例中可利用的溫度差在40℃左右，因單位質(zhì)量的耐高溫混凝土材料成本大約僅為熔鹽材料成本的1/12左右，而兩者比熱容參數(shù)差距不是特別大，這就使得這種小溫差、大容量的顯熱儲(chǔ)熱方式具有了經(jīng)濟(jì)可行性[6-7]。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)(或系統(tǒng)的部分單元)熱量?jī)?chǔ)滿(mǎn)后，取熱前期可以執(zhí)行汽輪機(jī)的100%負(fù)荷運(yùn)行，隨著所存熱量逐漸減少，溫度品位逐漸有所降低，汽輪機(jī)還可以滑壓方式運(yùn)行，例如從100%出力逐漸至80%出力曲線(xiàn)，工作壓力也隨之下降到額定工作壓力的80%左右，蒸汽飽和溫度點(diǎn)也隨之降低，取熱溫差增大，混凝土儲(chǔ)存的大量熱量得以繼續(xù)釋放；特別的，當(dāng)遇到長(zhǎng)期的陰雨雪天氣，因混凝土儲(chǔ)熱體質(zhì)量巨大且沒(méi)有溫度過(guò)冷凝固限制，當(dāng)溫差加大時(shí)能夠取出巨大熱量，因此可以使汽輪機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，例如極端情況下，能夠保持汽輪機(jī)20%甚至更低負(fù)荷超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，使得發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性的特點(diǎn)更加鮮明和突出?；炷凉虘B(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的指標(biāo)特點(diǎn)與常見(jiàn)電網(wǎng)調(diào)度需求特點(diǎn)一致，能夠提供一段時(shí)間的最大功率取熱輸出，對(duì)應(yīng)支持晚高峰滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電，接下來(lái)的低谷用電時(shí)段，汽輪機(jī)可以降低一定輸出功率，以加大取熱溫差盡量多提取儲(chǔ)存的熱量，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱系統(tǒng)高效利用。

2.2 數(shù)值模擬方案

混凝土儲(chǔ)熱模塊為長(zhǎng)方體，尺寸如表3所示?？傞L(zhǎng)50 m，截面為2.1 m×2.1 m的正方形。其中換熱流體管道直徑為50 mm，采用6×6順排布置。為方便進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)管道布置的對(duì)稱(chēng)性，采用圖2所示(圖2中淺色代表混凝土，深色代表管道，下同)的重復(fù)單元作為模擬單元，以此代表整個(gè)混凝土儲(chǔ)熱塊的儲(chǔ)熱情況。圖3為儲(chǔ)熱系統(tǒng)單元截面幾何示意圖。

表3 混凝土儲(chǔ)熱塊幾何尺寸 m

圖2 混凝土儲(chǔ)熱塊截面幾何示意圖

圖3 混凝土模擬單元截面幾何示意圖

利用ICEM軟件將物理模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，截面網(wǎng)格劃分如圖 4所示，全模型共劃分網(wǎng)格數(shù)為222 024。

圖4 混凝土模擬單元截面網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 各段換熱量模擬計(jì)算結(jié)果

過(guò)熱蒸汽段、相變段和冷凝水段換熱量如表4所示。

從模擬計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于過(guò)熱蒸汽段以及冷凝水段，其初始1 h內(nèi)的換熱量分別占總換熱量的35.9%和37.1%，為高效儲(chǔ)熱階段，其后時(shí)間其儲(chǔ)熱效率逐漸降低，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

模型出口處蒸汽溫度、混凝土截面平均溫度等變化情況如圖6～圖8所示?？芍魵馀c混凝土的換熱強(qiáng)度隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增長(zhǎng)而由大變小再趨于平緩。具體而言，在儲(chǔ)熱前半小時(shí)出口處水蒸氣的溫度升高速率極大，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)熱量在急劇下降，這點(diǎn)從熱流密度的數(shù)值及變化趨勢(shì)上也得到了驗(yàn)證。相應(yīng)地從圖6可以明顯看到，該時(shí)段也是混凝土溫度上升速率最快的儲(chǔ)熱階段。這是由于儲(chǔ)熱初始時(shí)段管壁附近的混凝土溫度低而水蒸氣溫度高，兩者間溫差大，故而儲(chǔ)熱效率高。而隨著管壁附近混凝土溫度的升高，對(duì)流換熱的溫差驅(qū)動(dòng)力減小，儲(chǔ)熱的主導(dǎo)因素由水蒸氣與混凝土間的對(duì)流傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)榱嘶炷羶?nèi)部的固體導(dǎo)熱，所以混凝土的整體儲(chǔ)熱速率放緩。而到儲(chǔ)熱1 h時(shí)，高速儲(chǔ)熱階段基本結(jié)束。在之后的3 h內(nèi)，出口處水蒸氣溫度變化速率趨于穩(wěn)定，相應(yīng)地混凝土溫度上升速率也趨于穩(wěn)定，進(jìn)入混凝土內(nèi)部導(dǎo)熱占主導(dǎo)作用的低速儲(chǔ)熱階段。若再隨著儲(chǔ)熱繼續(xù)進(jìn)行，不難推斷，當(dāng)近管壁混凝土溫度與水蒸氣溫度趨于相近時(shí)，混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力也將逐漸減小，混凝土整體將進(jìn)入儲(chǔ)熱飽和階段。

表4 各段換熱量模擬計(jì)算結(jié)果

圖 5 過(guò)熱蒸汽段和冷凝水段各儲(chǔ)熱時(shí)間換熱量占比

圖6 出口蒸汽溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖7 出口混凝土截面平均溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖8 出口處單位長(zhǎng)度管壁熱流密度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.4 儲(chǔ)熱經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合混凝土儲(chǔ)熱塊的造價(jià)，下面對(duì)混凝土不同儲(chǔ)熱階段的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以得出相應(yīng)規(guī)律。

1)水工質(zhì)完全放熱儲(chǔ)熱量計(jì)算

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表5)中各階段不同儲(chǔ)熱時(shí)段的換熱量比例，可以得到各階段流體工質(zhì)充分換熱，即過(guò)熱蒸汽由540 ℃放熱至311 ℃，冷凝水由311 ℃放熱至100 ℃時(shí)，不同儲(chǔ)熱時(shí)段的換熱量值。

2)所需儲(chǔ)熱混凝土用量預(yù)估

考慮到水工質(zhì)放熱及混凝土儲(chǔ)熱效率，以?xún)?chǔ)熱進(jìn)行3小時(shí)的換熱情況計(jì)算所需儲(chǔ)熱混凝土的用量。

對(duì)過(guò)熱蒸汽段，其3小時(shí)儲(chǔ)熱總量為487.8 GJ。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該時(shí)刻混凝土的平均溫度為423.12 ℃，由該段混凝土初始溫度為271 ℃，可得此時(shí)混凝土的平均儲(chǔ)熱溫差為152.12 ℃。取混凝土的比熱容為900 J/(kg·K)，密度為2 500 kg/m3，得有效儲(chǔ)熱混凝土的用量為1 425.2 m3。

對(duì)冷凝水段，其3小時(shí)儲(chǔ)熱總量為641.4 GJ。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該時(shí)刻混凝土的平均溫度為209.57 ℃，由該段混凝土初始溫度為60 ℃，可得此時(shí)混凝土的平均儲(chǔ)熱溫差為149.57 ℃。取混凝土的比熱容為900 J/(kg·K)，密度為2 500 kg/m3，得有效儲(chǔ)熱混凝土的用量為1 905.9 m3。

表5 各階段流體工質(zhì)充分換熱時(shí)各儲(chǔ)熱時(shí)段換熱量預(yù)估值

注：總換熱量按Q=qmcρΔt和Q=qmqt公式計(jì)算，流體工質(zhì)流量qm為200 t/h，汽化潛熱qt為1 317 kJ/kg，水工質(zhì)比熱cρ由refprop物性軟件按不同溫度下的數(shù)據(jù)擬合得到。

對(duì)相變段，根據(jù)過(guò)熱蒸汽段和冷凝段的計(jì)算結(jié)果，假設(shè)該段的初始混凝土溫度為100 ℃，進(jìn)行3小時(shí)儲(chǔ)熱后其溫差達(dá)到混凝土初始溫度和水蒸氣冷凝溫度之差211 ℃的60%(過(guò)熱蒸汽段的為66.4%，冷凝段的為59.6%)，即126.6 ℃。儲(chǔ)熱3小時(shí)，相變段的換熱量為789 GJ，故而可得有效儲(chǔ)熱混凝土的用量為2 769.9 m3。

各階段預(yù)計(jì)混凝土用量見(jiàn)表6。

表6 各階段預(yù)計(jì)混凝土用量

3 結(jié) 論

本研究針對(duì)固體儲(chǔ)熱與煤電耦合進(jìn)行深度調(diào)峰的方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和分析，建立了基于混凝土材料儲(chǔ)熱的數(shù)值分析模型，開(kāi)展了混凝土/汽水系統(tǒng)傳熱研究以及經(jīng)濟(jì)性分析。研究結(jié)果表明，混凝土導(dǎo)熱率限制了其傳熱效率，因而混凝土模塊的截面積選取以及混凝土與管道之間的傳熱面積具有重要作用，直接影響了混凝土模塊的儲(chǔ)熱效率和儲(chǔ)熱容量；根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析，混凝土儲(chǔ)熱具有良好的成本優(yōu)勢(shì)，具有極大的應(yīng)用潛力。