火電機組靈活性改造的主要儲能方式

摘 要：在可再生能源快速發(fā)展的背景下，電網(wǎng)的安全運行以及電能質(zhì)量受到了挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)電網(wǎng)容量調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)度等功率調(diào)節(jié)方面的需求，火電機組需要進行靈活性改造。儲能技術(shù)和火電機組的耦合能夠完美地解決新能源接入對電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性帶來的挑戰(zhàn)。其可以通過存儲大量的電能，提高火電機組的靈活性，提高其調(diào)節(jié)功率范圍及響應(yīng)速度。常見的與火電機組耦合的儲能技術(shù)有壓縮和液化空氣、壓縮和液化CO2、TES儲能、飛輪儲能等。本文探討了火電機組靈活性改造的不同儲能技術(shù)，并對火電機組耦合儲能技術(shù)的未來進行了展望。

關(guān)鍵詞：火電機組；調(diào)峰調(diào)頻；靈活性改造；儲能技術(shù)；熱能儲存技術(shù)

1.引言

為了實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，可再生能源受到高度關(guān)注。近十年來，我國能源消費總量在逐年增加，可再生能源的比例在逐年提高，煤炭所占的比例在逐漸降低。根據(jù)國際能源署（IEA）的預(yù)測，可再生能源發(fā)電量在2040年將與燃煤和天然氣發(fā)電量相當(dāng)[1]。然而，我國煤炭資源豐富，長期以來依靠燃煤電站火力發(fā)電，這樣的現(xiàn)實情況決定了火電在我國能源轉(zhuǎn)型中必將發(fā)揮重要的作用。

由于風(fēng)能和太陽能波動性和隨機性較大，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了挑戰(zhàn)?；痣姀S是當(dāng)前能源系統(tǒng)中主要的可調(diào)度機組，在電網(wǎng)中承擔(dān)重大的調(diào)峰任務(wù)。然而，在可變運行條件下的持續(xù)運行將對火電廠產(chǎn)生不利影響。提高火電廠的運行靈活性，特別是在極低的電力負(fù)荷下運行的能力是將可再生能源納入電網(wǎng)的關(guān)鍵[2]，這可以幫助電網(wǎng)容納更多的可再生能源，減少停機和啟動運行的次數(shù)。

儲能技術(shù)的發(fā)展被認(rèn)為是解決上述問題的有效途徑，已成為可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。儲能系統(tǒng)不僅是一種將可再生能源接入電網(wǎng)的潛在解決方案，而且可以有效地增加發(fā)電廠的靈活性。抽水蓄能是目前最為成熟的儲能技術(shù)，占全球儲能容量的96%以上[3]，但其選址受限、建設(shè)周期長、初期投資大、傳輸損耗大等缺點制約了其發(fā)展。因此，需要新型儲能方式與火電機組耦合，應(yīng)對可再生能源對電網(wǎng)的沖擊。本文探討了火電機組靈活性改造的不同儲能技術(shù)，對火電機組耦合儲能技術(shù)的未來進行了展望。

2.壓縮/液化氣體儲能

2.1 壓縮和液化空氣

壓縮空氣儲能（CAES）技術(shù)具有成本低、不受場地限制、充放能時間靈活等特點，是發(fā)展前景較好的大規(guī)模儲能裝置之一。謝樹濤[4]提出了一種新型的集成于燃煤電廠的CAES系統(tǒng)，并用Aspen plus軟件對其進行了性能分析。圖1為燃煤電廠與CAES系統(tǒng)耦合的原理圖，通過CAES系統(tǒng)與燃煤電廠的耦合，實現(xiàn)了在非高峰時段儲存多余的電力，在高峰時段進行額外的發(fā)電，并且系統(tǒng)的往返效率和總儲熱容量分別達到了54.3 %和650 MWh。

2.2 壓縮和液化CO2

作為CAES的替代方案，壓縮CO2儲能（CCES）以CO2代替空氣作為介質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，CO2具有比空氣更大的密度和比熱，因此，它有可能提高CAES的能量密度。

將二氧化碳捕獲和調(diào)峰，耦合起來不僅可以控制污染物排放，還能平衡發(fā)電供需。謝樹濤[4]提出了一種集靈活碳捕集和廢水處理于一體的燃煤電廠調(diào)峰方案，可以在非峰時提取更多的蒸汽，增加碳捕集量，實現(xiàn)調(diào)峰，并采用廢水處理分系統(tǒng)回收抽汽余熱，減少脫硫廢水的排放。系統(tǒng)的示意圖如圖2所示，通過儲能，該系統(tǒng)可以捕獲90%的CO2，一天內(nèi)可處理1167.1m3的廢水。

3.TES儲能

近年來，熱能儲能（TES）被認(rèn)為是提高火電廠運行靈活性的較有前途技術(shù)。燃煤電廠的再熱蒸汽等高溫蒸汽攜帶高品位的熱能，是TES系統(tǒng)的合適熱源。

西安交通大學(xué) [5]提出了三種高溫儲熱策略和兩種放熱策略，以提高燃煤超臨界電廠的發(fā)電效率和節(jié)能效果。儲熱策略包括：①在中壓汽輪機入口處設(shè)置蒸汽提取點，通過熱交換器儲存高溫蒸汽熱量，出口與低壓汽輪機出口蒸汽混合后流入冷凝器；②在低壓汽輪機入口處設(shè)置蒸汽提取點，儲熱結(jié)束后與低壓汽輪機出口蒸汽一起流向冷凝器；③通過控制蓄熱來調(diào)節(jié)熱交換器后的蒸汽溫度和壓力，使蒸汽回饋到低壓汽輪機并與來自中壓汽輪機的蒸汽混合。放熱策略包括：①在放熱過程中，部分給水從除氧器流入熱能存儲段底部，蒸發(fā)成高溫蒸汽，通過管子上升時被過熱，然后以過熱蒸汽的形式離開熱交換器，提高蒸汽溫度并增加電力輸出；②使用高溫?zé)崮芗訜峤o水，繞過預(yù)熱器流入熱能存儲器提高溫度，然后將儲存的熱能釋放回發(fā)電過程。仿真結(jié)果表明，從汽輪機中抽取蒸汽為高溫蒸汽發(fā)生器儲熱，并將儲存的熱能排放回發(fā)電過程是可行的。在儲熱過程中，需要限制抽汽量以保持穩(wěn)定的功率輸出。

文獻[6]提出了四種集成模式，如圖 3所示，將主蒸汽或再熱蒸汽用于能量儲存，并將蒸汽循環(huán)回低壓渦輪機或冷凝器。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和第二定律，評估了各種情況下的調(diào)峰性能。仿真結(jié)果表明，抽取再熱蒸汽并將蒸汽循環(huán)回低壓渦輪機的模式（RtLP模式）在經(jīng)濟性方面表現(xiàn)最佳，最高往返效率為36.25%。在靈活性方面，抽出主蒸汽循環(huán)回冷凝器模式（MtCON模式）下的排放時間是RtLP模式下的4倍多，而等效的往返效率降低近10%。將功率負(fù)載從30%降低到14.23%，可以在MtCON模式下實現(xiàn)最小功率負(fù)載。

文獻 [7]提出了一種新型的串聯(lián)式再熱抽汽系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)電負(fù)荷。該系統(tǒng)以一臺350 MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機組為例，分析了變工況下的熱力性能和調(diào)峰性能。儲熱過程如圖 4 （a）所示，從再熱蒸汽管線中依次抽出第一道蒸汽，經(jīng)過第一次高溫儲熱和第二次低溫儲熱，然后進入低壓缸，該系統(tǒng)將換熱后的抽汽分流到低壓缸，提高了電負(fù)荷和熱效率。放熱過程如圖 4 （b）所示，含有熔鹽的高溫和低溫儲罐同時工作。低溫儲罐取代了部分高壓抽汽加熱給水，替換后的蒸汽在汽輪機內(nèi)工作，增加了機組的輸出電負(fù)荷，導(dǎo)致鍋爐熱功率超過最大值。高溫儲罐可以預(yù)熱部分冷再熱蒸汽，以確保鍋爐的熱功率和鍋爐出口處的熱再熱蒸汽參數(shù)保持不變。此外，冷再熱蒸汽被高溫熔鹽加熱后，再分流到鍋爐入口，實現(xiàn)了機組低負(fù)荷蓄能、高負(fù)荷放能的功能。當(dāng)機組在高負(fù)荷下運行時，熔鹽不能將冷再熱蒸汽加熱到所需的溫度。該研究對于提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效率和性能具有指導(dǎo)意義。

龍山電廠現(xiàn)役兩臺60萬千瓦亞臨界燃煤機組，適宜采用“抽汽蓄能技術(shù)”作為調(diào)峰儲能技術(shù)路線，預(yù)計2024年底完成，以滿足當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)峰需求。根據(jù)電廠的實際需求、機組運行、試驗等情況，綜合考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不同時間段對電廠發(fā)電容量不同的要求，龍山電廠的“抽汽蓄能”系統(tǒng)深度調(diào)峰區(qū)間為22%～5%額定功率（即130MW～30MW），每天儲熱運行4小時；頂峰區(qū)間為65%～100%額定功率（即390MW～600MW），每天放熱運行約6小時。當(dāng)電網(wǎng)需要調(diào)峰時，電廠可根據(jù)機組運行情況，在不同負(fù)荷階段選擇投入“抽汽蓄能”系統(tǒng)，可滿足機組出力降低100MW；當(dāng)電網(wǎng)有頂峰需求時，在不增加鍋爐燃煤量的同時，增加機組出力約4.7萬千瓦。

4.飛輪儲能

相較于其他儲能方式，飛輪儲能在充放能速度方面具有顯著優(yōu)勢，放能時間為分秒級，因此，主要用于應(yīng)急電源電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻。飛輪儲能系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖5所示。在儲能階段，電動機利用外部輸入電源使飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能以動能的形式儲存；在釋能階段，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪提供能量用于發(fā)電。

隋云任等[8]模擬了飛輪儲能系統(tǒng)和火電機組耦合參與二次調(diào)頻互補協(xié)調(diào)運行的過程，耦合系統(tǒng)不僅提高了調(diào)頻質(zhì)量，同時還降低了機組的功率和壓力波動，大大提高了火電機組運行的穩(wěn)定性。何林軒等[9]利用商業(yè)軟件分析了火電機組與飛輪儲能系統(tǒng)耦合后的調(diào)頻情況，計算發(fā)現(xiàn)，飛輪儲能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)頻率偏差信號，系統(tǒng)頻率的最大暫態(tài)偏差得以減少。

5.其他儲能

除了上述儲能方式之外，也有學(xué)者提出了通過電解制取氣體（Power to Gas）來儲存剩余電力，增加電廠的靈活性。文獻[10]提出將50 MW的“電轉(zhuǎn)氣”系統(tǒng)與500 MW的火力發(fā)電廠集成，電廠總輸出功率為500 MW，最小負(fù)荷為40%。與發(fā)電廠耦合的制氫系統(tǒng)可能消耗其總功率的10%（即50 MW），可以將電廠的最小負(fù)荷降低到標(biāo)稱滿負(fù)荷的30%，大大減少了電廠的經(jīng)濟損失。

氨儲能是利用燃煤電廠輸電低谷期的多余電量電解N2制備NH3后將其儲存起來的技術(shù)。氨氣的應(yīng)用十分廣泛，既可以當(dāng)作燃料與煤粉進行摻燒，也可以用來生產(chǎn)化肥，是重要的化工原料。李琦等[11]提出了一種基于儲氨的火電廠靈活性改造提升技術(shù)，為火電企業(yè)避免因為機組降低負(fù)荷和頻繁啟停而造成的經(jīng)濟損失和資源浪費。

此外，電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有毫秒級精確控制充放能功率的能力，應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。王華衛(wèi)等[12]研究了某350 MW火電機組與電儲能聯(lián)合調(diào)頻系統(tǒng)的性能提升效果，根據(jù)統(tǒng)計，80%的調(diào)頻指令占用3%左右的機組容量，電儲能系統(tǒng)的功率為9 MW，因此，電儲能系統(tǒng)可在一定程度上提高機組的靈活性，避免了機組頻繁啟停運行。

6.結(jié)論

在可再生能源快速發(fā)展的背景下，電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)成為一個至關(guān)重要的問題，許多關(guān)于火電廠負(fù)荷調(diào)節(jié)的研究已經(jīng)展開。與火電廠耦合的儲能系統(tǒng)可以通過存儲大量的電能，提高火電機組的靈活性，提高其調(diào)節(jié)功率范圍及響應(yīng)速度。

與火電機組耦合的儲能技術(shù)有壓縮9b2d1effbcb25b10b5c594582b1910df和液化空氣、壓縮和液化CO2、TES儲能、飛輪儲能等。雖然每種儲能技術(shù)耦合火電機組都有自身的優(yōu)勢和劣勢，但是在可再生能源快速發(fā)展的當(dāng)下，每種技術(shù)都有巨大的潛力。此外，在政策層面，各國政府也將出臺相關(guān)的政策和鼓勵措施，促進火電機組耦合儲能技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，儲能技術(shù)和火電機組的耦合是一種極具優(yōu)勢的方法，在新能源背景下進行火電機組的靈活性改造，可以有效提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性和調(diào)頻能力，推動電力系統(tǒng)向智能化、高效化和低碳化發(fā)展，具有十分廣闊的市場前景和應(yīng)用前景，并有望在未來的能源轉(zhuǎn)型中扮演越來越重要的角色。

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作者單位：

李強 李響：國能河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司

王小英 王紫薇：赫普能源環(huán)境科技股份有限公司

劉翔：浙江大學(xué)