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依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池及其性能分析
邵明軒，孫楊，張祥，許誠，李棟，吳瑞鵬，王德昌
（青島大學(xué)；華北電力大學(xué)；國網(wǎng)浙江省電力有限公司）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.223261
1 研究背景
發(fā)展新能源電力是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。風(fēng)電、光伏等技術(shù)具有間歇性、反調(diào)峰性，需要配置大規(guī)模電力存儲(chǔ)技術(shù)來維持電力系統(tǒng)極端工況的供求平衡。探索高效率、低擴(kuò)容成本、不依賴地質(zhì)條件、適應(yīng)較長儲(chǔ)能周期的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，是增強(qiáng)電網(wǎng)韌性、保障新能源電力持續(xù)高速發(fā)展的重要課題。
將熱能作為儲(chǔ)電媒介的卡諾電池，具有擴(kuò)容成本低、不受地理?xiàng)l件約束的特點(diǎn)，有望成為大規(guī)模、長周期電力存儲(chǔ)的技術(shù)選項(xiàng)。不過，作為大功率儲(chǔ)能技術(shù)，兩類典型的卡諾電池（布雷頓型、朗肯型）分別面臨著關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟度低、能效低等問題。對于朗肯型卡諾電池圖1(a)），是否可以在保留技術(shù)成熟度優(yōu)勢的同時(shí)，讓熱泵的產(chǎn)熱以更高能級(jí)釋放、從而適應(yīng)更高效的放電循環(huán)、進(jìn)而提高儲(chǔ)能效率，是值得研究的問題。
圖1 常規(guī)朗肯型卡諾電池(a)與依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池(b)的能量轉(zhuǎn)化模式對比
低階煤（褐煤、次煙煤等）的預(yù)干燥是近年受到廣泛關(guān)注的大型電站節(jié)能途徑：利用大型電站的余熱或低品位熱去除一部分低階煤的水分，可以顯著降低鍋爐的排煙熱損失，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。事實(shí)上，低階煤的預(yù)干燥可將100~300℃溫區(qū)的熱能，轉(zhuǎn)化為1800℃左右的燃燒熱，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為500~600℃的主蒸汽熱能，這一過程實(shí)現(xiàn)了低品位熱能的提質(zhì)。而干燥低階煤的短期存儲(chǔ)也可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的目標(biāo)?；谶@一思路，本研究提出一種卡諾電池的新模式，即依托低階煤電站布置的、具有“提質(zhì)儲(chǔ)熱”特征的卡諾電池（圖1(b)），有望打破儲(chǔ)熱溫度對儲(chǔ)能效率的制約；同時(shí)，卡諾電池與電站的耦合集成，有望改善電站的調(diào)峰能力與碳排放水平。
2 系統(tǒng)描述：依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池
本研究提出了低階煤電站與朗肯型卡諾電池的耦合互補(bǔ)系統(tǒng)（圖2）。這一復(fù)合能量系統(tǒng)由三個(gè)核心單元構(gòu)成：
（1）充電單元：主要包括熱泵循環(huán)（與常規(guī)低溫卡諾電池的充電單元相同）和干燥機(jī)。充電單元的性能可以借助電站抽汽提升。
（2）儲(chǔ)能單元：主要包括干燥煤冷卻器與儲(chǔ)倉。充電單元產(chǎn)生的干燥煤，首先需滿足此時(shí)的電站用煤需求，剩余的將儲(chǔ)存在干燥煤儲(chǔ)倉中。
（3）放電單元：直接使用低階煤電站作為卡諾電池的放電單元。
圖2 依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池的核心流程示意圖
3 案例分析與性能評價(jià)
結(jié)合典型300 MW低階煤發(fā)電機(jī)組構(gòu)建了案例系統(tǒng)（圖3），按照“24小時(shí)內(nèi)干燥煤供求平衡”的原則設(shè)計(jì)了運(yùn)行案例，進(jìn)而深入地剖析了充、放電過程的能量轉(zhuǎn)化特性（圖4）與運(yùn)行特性（圖5）。結(jié)果表明：
（1）在深度調(diào)峰階段，卡諾電池的充電功率可達(dá)到21.27 MW，電站最小技術(shù)出力小幅降低2%，二者將共同提升電站的深度調(diào)峰能力（以充電為主導(dǎo)）。若通過“一拖二”等方式拓展干燥煤需求，充電功率、電站的深度調(diào)峰能力有望進(jìn)一步提升。24小時(shí)內(nèi)，相較于傳統(tǒng)燃煤電站，耦合系統(tǒng)可多消納新能源電力165.5 MWh，日均儲(chǔ)能密度約64.3 kWh/t。
（2）日均儲(chǔ)能效率可達(dá)73.87%。若考慮電站抽汽的能量成本，總體儲(chǔ)能效率仍可達(dá)到66.47%，顯著高于利用相同抽汽的常規(guī)朗肯型卡諾電池（44.54%）。低階煤的提質(zhì)效應(yīng)使卡諾電池可以利用蒸汽朗肯循環(huán)替代效率較低的有機(jī)朗肯循環(huán)，這是儲(chǔ)能效率顯著提高的主要原因。
（3）相較于常規(guī)電站，耦合系統(tǒng)單日可實(shí)現(xiàn)碳減排3.56%（134.52噸），主要原因在于夜間棄電對日間發(fā)電需求的高效替代。
圖3 案例系統(tǒng)
圖4 能量轉(zhuǎn)化分析圖
圖5 常規(guī)低階煤電站與耦合系統(tǒng)的深度調(diào)峰能力對比
進(jìn)而，探究了集成的充電循環(huán)功率對各單元性能的影響（圖6）。結(jié)果表明：
（1）隨著充電功率的提升，電站最小技術(shù)出力降幅較?。?.09~2.66%，1.0~4.0MW），且邊際效應(yīng)逐漸減弱。主要原因在于低壓抽汽做功能力低，抽汽點(diǎn)后的做功能力損失被汽輪機(jī)壓比變化引發(fā)的抽汽點(diǎn)前功率變化補(bǔ)償；且抽汽流量越大，補(bǔ)償效應(yīng)越明顯。
（2）隨著充電功率的提升，儲(chǔ)能效率逐漸下降，主要原因在于電站抽汽壓力的降低。但無論儲(chǔ)能規(guī)模大小，提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池均可保持較高的效率（往返效率介于72.2%~97.2%之間，總體儲(chǔ)能效率介于69.9%~97.2%之間）。
圖6 電站的最小技術(shù)出力(a)卡諾電池的往返效率 (b)與總體儲(chǔ)能效率 (c)隨充電功率的變化規(guī)律
4 結(jié)論
依托低階煤電站構(gòu)建卡諾電池，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的電力存儲(chǔ)。原煤預(yù)干燥與存儲(chǔ)過程的“提質(zhì)儲(chǔ)熱”特性是關(guān)鍵因素。依托存量煤電開展此類改造，既可以強(qiáng)化電網(wǎng)的消納能力、促進(jìn)新能源電力技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，也符合煤電靈活、低碳轉(zhuǎn)型的趨勢。
