热储能在火电厂灵活性改造中的应用

热储能在火电厂灵活性改造中的应用

通过火电厂灵活性改造技术的比较分析，提高汽轮机供热能力、降低机组强迫出力的技术，如汽轮机旁路、低压缸零出力和高背压循环水供热技术等，增加了电厂低负荷运行能力，但高峰负荷时的顶负荷能力也随之降低，在新的辅助服务市场规则下，带来调峰收益损失;电极锅炉和电锅炉固体储热技术能够大幅增加调峰能力，改造成本高、运行费用高;热储能技术在火电厂的应用，既能增加机组调峰深度，也能增加顶负荷能力，投资和运行成本较低，具有明显优势，通过对熔盐、相变、热水和混凝土储热技术在火电厂的应用分析比较，熔盐和相变储热经济性较差，热水和混凝土储热具有较强的技术经济优势，而且混凝土储热密度更高，应用范围更广。

1、技术背景

在电力市场改革的背景下，清洁高效灵活运行已经成为火电行业转型发展的重要目标，火电厂灵活性改造技术得到了越来越多的关注。选择合适的灵活性改造技术是火电厂运营者最关心的问题，而这其中，灵活性改造成本，运行费用以及电力辅助服务市场规则下的调峰收益是选择最合适改造技术的关键。最近发布的《东北电力辅助服务市场运营规则(暂行)》，市场规则得到进一步完善升级，新规则设计了尖峰旋转备用市场日前竞价机制，实现辅助服务市场“压低谷、顶尖峰”全覆盖，明确“能上能下”的双向调峰机组才能获得全部辅助服务收益，向火电机组提出了完整的灵活性标准，能够激励和引导火电厂采取合适的灵活性改造技术，全面提升机组调峰能力。

2、灵活性改造技术比较

目前火电厂灵活性改造主要面对的是“三北”地区供热电厂在采暖季运行灵活性不足的问题，因此，提高供热机组的调峰能力是灵活性改造的主要内容。供热机组的灵活性改造主要分为三类，一是增加机组供热能力，在满足供热负荷的条件下降低锅炉出力，减小机组强迫出力，主要有汽轮机旁路供热技术，低压缸零出力供热技术和高背压循环水供热技术等;二是电热供暖调峰技术，将机组发出的电能转化为热能对外供暖，如电极锅炉技术和电锅炉固体储热技术;三是热储能调峰技术，将汽轮机内过剩的蒸汽热能转化为储能介质的热能存储起来，如应用较多的热水罐储能技术，相变储热技术以及潜在的熔盐热储能技术和混凝土储热技术等。

2.1、增加机组供热调峰技术

增加机组供热能力的调峰技术主要是将汽轮机内部蒸汽的做功份额减小，将其转化为对外供暖的热能，能够降低汽轮机组的强迫出力，具有较强的调峰能力。汽轮机旁路供热将做功能力较强的高温高压蒸汽抽出供热，调峰潜力大，但存在较大的热经济损失，运行成本较高;低压缸零出力技术将中压缸排汽全部用于供热，消除了冷源损失，运行费用较低;低压缸高背压循环水供热技术既保留低压缸部分做功能力，又消除了冷源损失，具有最佳的热经济性和运行成本优势，但一般需要更换专门的低压缸转子，改造费用较高。这些技术的共同特点是减少蒸汽在汽轮机内部做功，增加供热，扩展机组的低负荷运行范围，如下图1所示：

图1：增加机组供热能力的调峰示意图

从上图可以看出，在供热负荷(绿线)不变的情况下，有效降低了机组的最低负荷;但值得注意的是，这种灵活性改造技术只能增加机组的低负荷调峰能力，不能增加机组高峰负荷时的顶负荷能力，甚至高背压循环水供热改造会降低机组的顶负荷能力，按照最新的辅助服务市场规则，属于“能下不能上”的灵活性改造技术，不能带来全面的调峰收益。

2.2、电热供暖调峰技术

电热供暖调峰技术主要有电极锅炉和电锅炉固体储热技术，不涉及热电厂本体设备改造，对热电厂正常运行影响较小。电极锅炉和电锅炉固体储热直接消耗电能，减少热电厂对外供电，以此增加低负荷调峰能力，具有调峰深度大，运行灵活性好的优势，但缺点是投资成本高，运行成本高，适合市场初期收益较高的深度调峰市场需求，随着越来越多电厂的加入辅助服务市场，深度调峰需求越来越少，在以拼成本的市场竞争中，以电能为热源的供热调峰技术将难以获得竞争优势。

2.3、热储能调峰技术

热储能调峰技术是将机组变负荷运行时出现的过剩蒸汽热量转化为储热介质的热能存储起来，当需要时将热能释放，以此增加机组灵活性的调峰技术。例如，在采暖季供热蒸汽出现过剩时，将多余热能存储到储热设备中，当电力负荷处于低谷时，减小锅炉负荷和汽轮机出力，满足机组低负荷调峰要求，供热不足的部分由储热设备补充;当电力负荷处于高峰时，增加锅炉负荷，减少汽轮机对外供热，增强机组的顶负荷能力，供热不足的部分由储热设备补充;从热电厂供热特性图来看，热储能相当于将固定的供热需求转化为可变的供热需求，拓展了热电厂调峰运行范围，如下图2所示。

图2：热储能调峰示意图

如上图所示，热储能使热电厂具备了“双向”调峰能力，即可增加热电厂低负荷运行能力，也能增加高峰期的顶负荷能力，可以获得完整的调峰收益，而且由于采用蒸汽作为热源，热储能的热经济性好，运行成本低，因此热储能调峰技术具有最佳的技术经济竞争优势。

3、热储能技术在火电厂中的应用

3.1、熔盐储热技术的应用

熔盐热储能技术由于工作温度高，比热容高，热稳定性好，蒸汽压力低的优势，已经在太阳能光热发电领域得到了广泛应用，如由多元硝酸无机盐组成的Solar salt盐，Hitec盐和HitecXL盐等，另外，美国Sandia国家实验室和Halotechnics公司以及国内的北京工业大学等单位在积极研制新型的低熔点熔盐，希望能够进一步拓展熔盐温度利用范围，降低热储能成本。这些熔盐的主要参数如下表1所示：

表1：熔盐技术参数表

以上熔盐体系中，熔点在100℃以下的熔盐配方中均含有价格较高的LiNO3，而且含有Ca(NO3)2的混合熔盐在熔点温度附近的粘度较大，适宜的工作温度均在100℃以上;另外美国Halotechnics公司的熔盐具有较低的熔点，但含有价格昂贵的CsNO3，因此这些熔盐虽然有熔点低的优势，但普遍存在价格较高、推广应用难度大的问题。

从火电厂蒸汽生产流程及熔盐的储热换热特点来看，熔盐热储能适用于高温高压蒸汽的热能存储，可以在汽轮机高压旁路或者再热器出口设置熔盐储热系统，如下图3所示。