干货｜热储能在火电厂灵活性改造中的应用-第3页-北极星火力发电网

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3.2、相变储热技术的应用

相变储热技术是利用储热体在发生相变时需要吸收或释放相变潜热的原理进行热能的存储和利用，优点是储热和放热温度变化小，储热密度高。目前的中高温相变储热系统中，普遍采用无机盐混合物作为相变材料，存在相变过程导热系数低的问题，需要采取多种传热强化措施，如增加换热翅片或导热剂等，导致中高温相变储热系统成本较高，工程实施难度大。

中低温相变储热技术在热电厂已有工程应用，如内蒙古丰泰热电厂相变储热项目，储热容量为20MWh，采用复合二元盐相变材料，相变温度为92℃;储热系统采用汽轮机中压抽汽为热源，加热除盐水为相变储热装置充热，放热时，储热装置加热除盐水向热网循环水放热。该项目将相变储热技术用于供暖调峰，但储能规模小，储热温度低，作为示范项目难以达到商业化项目的经济性要求。

除了供暖储热外，相变储热技术更适合多种温度区间衔接的储热应用场合，如火电厂的回热系统，能够实现电力调频调峰功能，如下图5所示。

图5：相变储热在火电厂回热系统的应用

在锅炉给水旁路接入中高温相变储热装置，在凝结水旁路接入低温相变储热设备;当需要降负荷时，增加锅炉给水流量和凝结水流量，增大回热抽汽，使汽轮机出力降低，多余的给水和凝结水流经相变储热器将热能存储;当需要增加负荷时，部分锅炉给水和凝结水经过储热器换热升温，减少回热抽汽，增加汽轮机出力。

相变储热技术用于火电厂回热系统，不仅储能密度高，负荷调节速度快，而且不受供暖季限制，可以全年调频调峰，但需要优化相变储热系统的储热换热性能，进一步降低成本。

3.3、热水储能技术的应用

火电厂热水储能技术在国内外已有广泛应用，主要用于热电厂供暖季热电解耦，提高供热机组的运行灵活性;工作原理是供热蒸汽流量出现过剩时，将多余热能转化为热水并存储到热水罐中，当电力需求处于低谷时，减小锅炉和汽轮机出力，供热不足的部分由热水罐补充;当电力需求处于高峰时，增加锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强电厂的顶负荷能力，供热不足的部分由热水罐补充。

实际工程一般采用单罐热水斜温层储热方式，利用水的温度密度差特性，热水存储在储罐的上部，冷水在储罐的下部，热水和冷水之间有一层厚度较小的温度梯度层，如下图6所示。单罐斜温层储热技术实现了一个罐体同时储存高低温水，简化了储热系统配置，降低了造价。目前单罐热水储能的工程应用较多，运行经验丰富，技术成熟可靠。

图6：单罐热水储能在火电厂的应用

以蒸汽为热源的热水储能，投资成本和运行费用较低，既能够增加热电厂的低负荷运行能力，也能够增加高峰时段的顶负荷能力，具有较强的技术优势和市场竞争力。但同时，热水储能也存在储热密度低，空间占用大的问题，尤其是城市区域的热电厂改造，由于占地方面的限制，采用热水储能技改存在一定难度。

3.4、混凝土热储能技术的应用

混凝土热储能作为一种太阳能光热发电技术中低成本热储能解决方案，是一种高效、大规模、低成本的中高温显热储能技术，技术示意图如下图7所示。

图7：混凝土储热原理示意图

耐高温混凝土内部设置换热介质流通管道，高温传热介质通过换热管道，释放热能，混凝土作为储热介质，温度升高，储存热能;放热时，混凝土将热能传导至传热介质，温度降低，完成热能释放;混凝土储热的主要材料是钢筋和水泥，获取方便，成本低，安全性好，运输方便，便于模块化设计制造。

混凝土是一种性能优良、造价低廉的太阳能光热发电领域显热储热材料，国内外科研机构均开展了针对高温混凝土材料的研究，如德国DLR，国内武汉理工大学和中国科学院等，主要目标是提高混凝土储热系统的换热储热性能，增加比热容和导热系数，降低建设成本等。不同于光热发电领域的高温高压蒸汽热能的存储与输出，火电厂热储能的需求是高温蒸汽热量输入和中低温蒸汽甚至热水的热量输出，能够大幅降低混凝土储热的技术要求，有利于混凝土储热单元的换热和储热优化设计，进一步降低储热成本。

混凝土换热储热一体，温度适应范围广，能够直接储存高温高压水蒸气热能，有效解决火电厂高温高压蒸汽的换热储热难题，匹配火电厂热储能的技术要求，例如，可直接应用于热电厂供暖蒸汽热能存储，如下图8所示，实现热电解耦，提高机组运行灵活性。

图8：混凝土储热在火电厂的应用

当供暖蒸汽出现过剩时，将多余蒸汽导入混凝土储热单元存储热能，蒸汽冷却后送入冷凝水箱或排入凝汽器，当电力需求处于低谷时，减小锅炉负荷，降低汽轮机出力，供暖蒸汽不足的部分由混凝土储热单元加热冷凝水产生蒸汽补充;当电力需求处于高峰时，增加锅炉出力，减少汽轮机对外供热，增强电厂的顶负荷能力，供热不足的部分由混凝土储热单元产生蒸汽补充。

与单罐热水储能相比，混凝土热储能安全性好，储热温度高，储能密度高，成本低廉，而且混凝土储热的热能输出形式多样，即可输出热水用于民用供暖，也能输出蒸汽用于工业供热，具有较好的经济性优势和市场应用潜力。

4、结论

火电厂灵活性改造技术中，采用增加机组供热能力的方法，如汽轮机旁路供热，低压缸零出力和高背压循环水供热技术等，能够有效降低机组的强迫出力，提高电厂低负荷运行灵活性，但会降低机组在负荷高峰时的顶负荷能力，在新的辅助服务规则下面临调峰收益损失。

采用电热供暖调峰技术，如电锅炉固体储热，电极锅炉等，投资成本高，以电能为热源，运行费用高，在辅助服务市场中竞争力不足。

火电厂采用热储能调峰技术，既能增加机组的低负荷运行能力，也能增加负荷高峰时的顶负荷能力，运行费用低，具备较好的经济优势。

通过对熔盐热储能、相变储能、热水储能和混凝土热储能几种技术在火电厂应用的方案对比，可得出如下表2结论：

表2.png

表2：熔盐、相变、热水和混凝土热储能在火电厂应用的技术对比

综合多种热储能技术在火电厂应用的分析比较，可以得出：

(1) 熔盐热储能和相变储能适合汽轮机回热系统的热储能，但存在成本高，经济性较差的问题;

(2) 热水储能投资成本低，经济性较好，但储能密度小，占地大，应用场合存在一定限制;

(3) 混凝土热储能成本低，储能密度较高，应用温度范围广，即可用于民用供暖，也可用于工业供热，具有较好的经济可行性和市场应用潜力。

注：本文系投稿，本文观点不代表北极星电力网观点

( 来源: 北极星电力网作者: 张勇 )

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