作者：王輝 李峻 祝培旺 王堅(jiān) 張春琳
單位：中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司
引用： 王輝,李峻,祝培旺等.應(yīng)用于火電機(jī)組深度調(diào)峰的百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(05):1760-1767.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0230
摘 要 為提高電力系統(tǒng)靈活性電源占比，解決新能源消納問(wèn)題，本研究提出百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)，在火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中的“鍋爐-汽機(jī)”之間，嵌入大容量高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱電解耦。研究表明，百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)，可使汽機(jī)按照最低出力運(yùn)行，同時(shí)保證鍋爐安全運(yùn)行且不停爐，大幅度增加火電機(jī)組深度調(diào)峰能力。在保證鍋爐安全性和鹽水換熱器制造能力條件下，儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)較高的主蒸汽壓力和較高的過(guò)冷高壓水溫度，能有效提高熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度和減少熔鹽使用量，達(dá)到降低熔鹽儲(chǔ)能初投資的目的。對(duì)百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)各模塊進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明，系統(tǒng)綜合效率高達(dá)77.8%，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能；高溫儲(chǔ)熱；深度調(diào)峰；熔鹽
“十三五”期間，新能源風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)規(guī)模迅猛發(fā)展，同時(shí)電力負(fù)荷中居民用電和第三產(chǎn)業(yè)用電比重持續(xù)快速增長(zhǎng)。不論是新能源發(fā)電出力，還是居民和第三產(chǎn)業(yè)的用電負(fù)荷，都具有很強(qiáng)的日內(nèi)波動(dòng)性，這些都對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性運(yùn)行造成很大挑戰(zhàn)。在碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)的背景下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的提出對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性提出了更高的要求。而據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)以煤電為主，抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)占比不到6%，比較而言，歐美等國(guó)靈活電源比重較高，西班牙、德國(guó)、美國(guó)占比分別為34%、18%、49%[3]。電力系統(tǒng)急需大比例靈活電源改善電源結(jié)構(gòu)，緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力，解決新能源電力消納問(wèn)題，在現(xiàn)階段，對(duì)系統(tǒng)中容量占比最大的火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造是改善這一問(wèn)題的重要手段。
2018年3月，《國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見(jiàn)》(發(fā)改能源〔2018〕364號(hào))在關(guān)于加快推進(jìn)電源側(cè)調(diào)節(jié)能力提升的要求中，明確提出實(shí)施火電靈活性提升工程和推動(dòng)新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的火電機(jī)組靈活性改造主要受限于鍋爐調(diào)峰深度有限、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性不足的問(wèn)題。頻繁、大幅度地調(diào)節(jié)會(huì)降低火電機(jī)組使用壽命，并導(dǎo)致收益較低。儲(chǔ)熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源整合，提高能源系統(tǒng)調(diào)峰能力，但目前火電機(jī)組儲(chǔ)熱技術(shù)均為汽機(jī)側(cè)民用供暖蓄熱，容量有限，非供暖期不能發(fā)揮調(diào)峰作用。
熔鹽儲(chǔ)熱目前主要用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的大規(guī)模儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。范慶偉等提出基于儲(chǔ)熱過(guò)程的工業(yè)供汽機(jī)組熱電解耦方案，在火電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)抽取主蒸汽/高溫再熱蒸汽儲(chǔ)熱，在供汽高負(fù)荷時(shí)熔鹽放熱，實(shí)現(xiàn)熱電解耦。鹿院衛(wèi)等公開(kāi)一種火電廠深度調(diào)峰裝置專利，分別抽取鍋爐主蒸汽、鍋爐高溫再熱蒸汽、汽輪機(jī)級(jí)間再熱蒸汽進(jìn)行儲(chǔ)熱，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組靈活調(diào)峰。時(shí)正海等公開(kāi)一種鍋爐高溫?zé)煔馊埯}儲(chǔ)熱裝置及其工作方法專利，利用鍋爐高溫?zé)煔饧訜崛埯}儲(chǔ)熱，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組靈活調(diào)峰。當(dāng)前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)受限于鍋爐再熱器超溫問(wèn)題，只能在火電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)熱，不能在深度調(diào)峰低負(fù)荷工況下儲(chǔ)熱，調(diào)峰能力有限。
本研究在火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中的“鍋爐-汽機(jī)”之間，嵌入大容量高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，削弱原本剛性聯(lián)系的“爐機(jī)耦合”。深度調(diào)峰時(shí)，保持鍋爐正常運(yùn)行負(fù)荷，汽機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷調(diào)峰工況，鍋爐側(cè)多余高參數(shù)蒸汽熱量被儲(chǔ)熱系統(tǒng)存儲(chǔ)，保證大規(guī)模儲(chǔ)熱和深度調(diào)峰運(yùn)行。
1 百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝設(shè)計(jì)
1.1 儲(chǔ)熱介質(zhì)
大型火電機(jī)組用于推動(dòng)汽輪機(jī)做功的蒸汽溫度在540～600 ℃，屬于高溫領(lǐng)域。在高溫儲(chǔ)熱技術(shù)中，二元熔鹽(solar salt)儲(chǔ)熱既能很好匹配這一溫度參數(shù)，又能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)熱和放熱，非常適合應(yīng)用于火電機(jī)組儲(chǔ)熱。二元熔鹽由KNO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)和NaNO3(60%)組成，熔點(diǎn)約為220 ℃，常壓條件下可在600 ℃時(shí)保持化學(xué)穩(wěn)定性，熔化狀態(tài)下的流動(dòng)性和換熱性能較好。二元熔鹽儲(chǔ)熱是太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中廣泛采用的儲(chǔ)能介質(zhì)，已經(jīng)投入商業(yè)示范運(yùn)行，使用溫度范圍280～565 ℃，具備技術(shù)可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。
1.2 儲(chǔ)熱工藝
大型火電機(jī)組中的高溫介質(zhì)包含煙氣、高壓主蒸汽和高溫再熱蒸汽，均可通過(guò)換熱器與熔鹽換熱儲(chǔ)熱。其中煙氣的溫度品位最高，爐膛出口煙溫在低負(fù)荷時(shí)仍然高達(dá)700～800 ℃，然而大量抽取爐膛出口煙氣用于儲(chǔ)熱時(shí)，將導(dǎo)致尾部煙道換熱器受熱比例失衡，造成蒸汽參數(shù)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題。高壓主蒸汽與熔鹽換熱儲(chǔ)熱時(shí)，受限于鍋爐再熱器安全性問(wèn)題，只能少量抽汽儲(chǔ)能，無(wú)法滿足深度調(diào)峰要求。高溫再熱蒸汽的主要問(wèn)題是，因蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度低于熔鹽凝固風(fēng)險(xiǎn)溫度，只能將部分顯熱與熔鹽換熱儲(chǔ)熱，無(wú)法滿足深度調(diào)峰要求。
本研究提出的火電機(jī)組百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝，同時(shí)抽取高壓主蒸汽和高溫再熱蒸汽與熔鹽換熱，實(shí)現(xiàn)百兆瓦級(jí)儲(chǔ)熱和深度調(diào)峰。詳細(xì)工藝方案如圖1所示，該工藝方案包含充熱過(guò)程、儲(chǔ)熱過(guò)程和放熱過(guò)程。
圖1 火電機(jī)組百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝流程
如圖1所示，充熱過(guò)程涉及主機(jī)模塊和充熱功率模塊，包括高壓主蒸汽換熱和高溫再熱蒸汽換熱過(guò)程。其中，鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽除滿足主機(jī)模塊中的汽輪發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰所需蒸汽流量外，剩余高壓主蒸汽進(jìn)入充熱功率模塊中，依次與過(guò)熱加熱器、相變加熱器和預(yù)熱加熱器內(nèi)熔鹽換熱，放熱后變成高壓凝結(jié)水回水，該回水經(jīng)高壓給水泵升壓后送回主機(jī)模塊高壓加熱器的出口給水管道，與高壓給水混合后送入鍋爐省煤器。進(jìn)一步在鍋爐本體吸熱后，再次產(chǎn)生高壓主蒸汽，實(shí)現(xiàn)高壓主蒸汽在主機(jī)模塊和充熱功率模塊之間的吸熱-放熱循環(huán)。
另外，鍋爐產(chǎn)生的高溫再熱蒸汽除滿足主機(jī)模塊中的汽輪發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰所需蒸汽流量外，剩余高溫再熱蒸汽進(jìn)入充熱功率模塊與再熱加熱器內(nèi)熔鹽換熱，放熱后變成低溫低壓蒸汽，再被升壓設(shè)備提高壓力后送回主機(jī)模塊中的低溫再熱蒸汽管道，與高壓缸出口低溫再熱蒸汽混合后送入鍋爐再熱器。進(jìn)一步在鍋爐中吸熱后，再次產(chǎn)生高溫再熱蒸汽，實(shí)現(xiàn)高溫再熱蒸汽在主機(jī)模塊和充熱功率模塊之間的吸熱-放熱循環(huán)。
儲(chǔ)熱過(guò)程涉及充熱功率模塊和儲(chǔ)熱能量模塊。儲(chǔ)熱能量模塊中的冷鹽罐內(nèi)低溫熔鹽由低溫熔鹽泵加壓，首先送入充熱功率模塊中的預(yù)熱加熱器，被加熱后再進(jìn)入相變加熱器，加熱后分成兩路熔鹽，一路進(jìn)入過(guò)熱加熱器被加熱，另一路進(jìn)入再熱加熱器被加熱，兩路熔鹽混合后進(jìn)入熱鹽罐儲(chǔ)存起來(lái)，實(shí)現(xiàn)熔鹽回路的流動(dòng)和儲(chǔ)熱。儲(chǔ)熱過(guò)程中，冷鹽罐內(nèi)熔鹽逐漸變少，熱鹽罐內(nèi)熔鹽逐漸增多。
放熱過(guò)程涉及儲(chǔ)熱能量模塊、放熱功率模塊和主機(jī)模塊。熔鹽儲(chǔ)熱為高溫儲(chǔ)熱，放熱過(guò)程可產(chǎn)生較高參數(shù)的蒸汽。主機(jī)模塊中的除氧器水經(jīng)加壓后送入放熱功率模塊，在熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)與來(lái)自儲(chǔ)熱能量模塊熱鹽罐的高溫熔鹽換熱，依次經(jīng)過(guò)預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器后變成設(shè)定參數(shù)蒸汽。放熱產(chǎn)生的高參數(shù)蒸汽可以返回主機(jī)模塊，替代高壓加熱器抽汽間接做功。放熱過(guò)程中，冷鹽罐內(nèi)熔鹽逐漸增多，熱鹽罐內(nèi)熔鹽逐漸變少。
上述熔鹽儲(chǔ)熱工藝流程建立之后，鍋爐和汽輪機(jī)之間的剛性聯(lián)系被打斷，鍋爐可保持在正常負(fù)荷運(yùn)行，產(chǎn)生的主蒸汽和高溫再熱蒸汽一部分進(jìn)入汽輪機(jī)，按照電力調(diào)度需求進(jìn)行汽輪機(jī)低負(fù)荷透平發(fā)電，而另外一部分高參數(shù)蒸汽進(jìn)入熔鹽儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)。如此，汽機(jī)能夠按照最低出力運(yùn)行，同時(shí)保證鍋爐安全運(yùn)行且不停爐，解決傳統(tǒng)靈活性改造方案存在的鍋爐低負(fù)荷脫硝和穩(wěn)燃問(wèn)題。
2 百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝設(shè)計(jì)
2.1 熱質(zhì)平衡理論
如圖2所示，百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝包含4個(gè)換熱過(guò)程。一是高壓主蒸汽過(guò)熱放熱過(guò)程，從過(guò)熱蒸汽(Qm、pm1、Tm1)變?yōu)榻咏柡驼羝?Qm、pm2、Tm2)，將熔鹽從(Qs1、ps2、Ts2)升溫至(Qs1、ps3、Ts3)；二是高壓主蒸汽凝結(jié)放熱過(guò)程，從接近飽和蒸汽(Qm、pm2、Tm2)變?yōu)轱柡透邏核?Qm、pm3、Tm3)，將熔鹽從(Qs0、ps1、Ts1)升溫至(Qs0、ps2、Ts2)；三是高壓主蒸汽過(guò)冷放熱過(guò)程，從飽和高壓水(Qm、pm3、Tm3)變?yōu)檫^(guò)冷高壓水(Qm、pm4、Tm4)，將熔鹽從(Qs0、ps0、Ts0)升溫至(Qs0、ps1、Ts1)；四是高溫再熱蒸汽的放熱過(guò)程，從高溫再熱蒸汽(Qr、pr1、Tr1)變?yōu)榈蜏卦贌嵴羝?Qr、pr2、Tr2)，將熔鹽從(Qs2、ps2’、Ts2)升溫至(Qs2、ps3’、Ts3)。
圖2 熔鹽儲(chǔ)熱工藝熱質(zhì)平衡
其中，Q為流量，kg/s；p為壓力，MPa；T為溫度，℃；下標(biāo)m表示主蒸汽；r表示再熱蒸汽；s表示熔鹽。主要熱質(zhì)平衡計(jì)算式如下
式中，H為焓值，kJ/kg；cp為熔鹽比熱容，kJ/(kg·℃)；Ts為熔鹽溫度，℃。熔鹽比熱容與溫度關(guān)系如下
由圖2和熱質(zhì)平衡方程可知，儲(chǔ)熱換熱過(guò)程中，受限于熔鹽凝固溫度，主蒸汽和再熱蒸汽換熱后的溫度(Tm4、Tr2)不能低于凝固風(fēng)險(xiǎn)溫度，主蒸汽和熔鹽換熱夾點(diǎn)溫差的上端溫度(Tm2)取決于主蒸汽壓力(pm2)，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程的熱熔鹽溫度(Ts3)取決于主蒸汽和再熱蒸汽的最高溫度(Tm1、Tr1)和熔鹽流量(Qs1、Qs2)。
2.2 儲(chǔ)熱過(guò)程優(yōu)化
為進(jìn)一步闡述熱質(zhì)平衡方程中不同變量之間的邏輯關(guān)系，分析自變量變化對(duì)因變量的影響，并論證最優(yōu)熔鹽儲(chǔ)能方案。本研究以電功率350 MW超臨界火電機(jī)組百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能為例，汽輪發(fā)電機(jī)組維持深度調(diào)峰30%負(fù)荷出力，鍋爐保持在70%負(fù)荷高出力，則火電機(jī)組減少的40%負(fù)荷用于熔鹽儲(chǔ)能，故熔鹽儲(chǔ)能等效電功率為140 MW。此時(shí)用于熔鹽儲(chǔ)熱的高壓主蒸汽517.8 t/h，高溫再熱蒸汽237.8 t/h，兩者溫度分別為566 ℃和528 ℃。
熔鹽儲(chǔ)熱成本主要受熔鹽使用量的影響，在西班牙Andasol 1槽式光熱電站中，熔鹽和儲(chǔ)熱罐分別占其儲(chǔ)熱系統(tǒng)50%和20%的成本。因此，有必要優(yōu)化儲(chǔ)熱系統(tǒng)方案，達(dá)到減少熔鹽使用量、降低儲(chǔ)熱系統(tǒng)初投資的目的。
熔鹽儲(chǔ)熱為顯熱儲(chǔ)熱，在充熱功率和充熱時(shí)長(zhǎng)確定的條件下，熔鹽使用量取決于熔鹽流量(Qs0)和熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程溫差(?T=Ts3-Ts1)。如前所述，受限于熔鹽安全使用溫度范圍，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程冷熔鹽溫度(Ts1)設(shè)計(jì)為280 ℃，夾點(diǎn)溫差5 ℃，假定主蒸汽換熱后的溫度，即過(guò)冷高壓水溫度，和再熱蒸汽換熱后的溫度相同，即Tm4＝Tr2。則熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)和熔鹽流量(Qs0)隨主蒸汽壓力(pm2)的變化關(guān)系分別如圖3和圖4所示。
圖3 熱熔鹽溫度(Ts3)隨主蒸汽壓力(pm2)的變化關(guān)系
圖4 熔鹽流量(Qs0)隨主蒸汽壓力(pm2)的變化關(guān)系
計(jì)算選取的主蒸汽壓力范圍是13.5 MPa≤p≤21.5 MPa，該壓力范圍對(duì)應(yīng)的蒸汽飽和溫度范圍是333.8～371.8 ℃，可保證主蒸汽冷凝放出大量熱被冷熔鹽(280 ℃)吸收。由圖3可知，隨著主蒸汽壓力(pm2)的增大，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)也逐漸提高，且兩者近似呈線型關(guān)系。以過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)290 ℃為例，兩者關(guān)系為
由于主蒸汽壓力(pm2)的增大，其對(duì)應(yīng)凝結(jié)溫度越高，在凝結(jié)放熱段大量釋放出更高溫度的熱量，有助于提高熔鹽在凝結(jié)放熱段之后的溫度(Ts2)。而凝結(jié)換熱段換熱量占熔鹽換熱量比例可達(dá)70%以上，所以，儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)較高的主蒸汽壓力(pm2)，可提高熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)。圖3中，在主蒸汽壓力pm2=21.5 MPa時(shí)，熔鹽儲(chǔ)熱溫度(Ts3)最高可達(dá)485 ℃；但主蒸汽壓力降至pm2=15.5 MPa時(shí)，熔鹽儲(chǔ)熱溫度(Ts3)最高僅有395 ℃，儲(chǔ)能?損失大幅增加。由此進(jìn)一步推測(cè)，若將主蒸汽壓力提高到臨界點(diǎn)以上，還可繼續(xù)提高熔鹽儲(chǔ)熱溫度(Ts3)。但目前管殼式換熱器受高溫高壓換熱介質(zhì)的限制，要做到超臨界換熱非常困難。故本方案熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程中，主蒸汽壓力(pm2)宜取21.5 MPa，接近臨界壓力。
在儲(chǔ)熱量固定的條件下，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)的提高有助于減少熔鹽使用量。如圖4所示，熔鹽流量(Qs0)隨主蒸汽壓力(pm2)的增加均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著主蒸汽壓力(pm2)的提高，熔鹽流量(Qs0)緩步減小。在主蒸汽壓力pm2=21.5 MPa時(shí)，熔鹽流量(Qs0)最少只有3171 t/h；但主蒸汽壓力降至pm2=15.5 MPa時(shí)，熔鹽流量(Qs0)高達(dá)6371 t/h，導(dǎo)致儲(chǔ)能所需熔鹽量增加1倍。進(jìn)一步分析圖4可知，當(dāng)主蒸汽壓力接近pm2=21.5 MPa時(shí)，熔鹽流量(Qs0)的變化已趨于平緩，這表明繼續(xù)提高主蒸汽壓力(pm2)的優(yōu)化作用有限，取主蒸汽壓力(pm2)為21.5 MPa較為合適。
熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熔鹽流量(Qs0)和熱熔鹽溫度(Ts3)隨過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)的變化關(guān)系分別如圖5和圖6所示。由圖知，在相同主蒸汽壓力(pm2)條件下，熔鹽流量(Qs0)隨過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)的增加近似呈線型減小的關(guān)系，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)隨過(guò)冷高壓水的溫度(Tm4)增加呈加速增大的關(guān)系。由于過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)的增大，其與凝結(jié)放熱溫差越小，在過(guò)冷換熱段釋放出更少的熱量，有助于減少在過(guò)冷加熱段的熔鹽流量(Qs0)。與此同時(shí)，熔鹽充熱熱量將被更高溫度的凝結(jié)換熱段和過(guò)熱換熱段占據(jù)更高比例，故熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)會(huì)逐漸增大。所以，儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)較高的過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)，可提高熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)和減少熔鹽流量(Qs0)。
圖5 熔鹽流量(Qs0)隨過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)的變化關(guān)系
圖6 熱熔鹽溫度(Ts3)隨過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)的變化關(guān)系
進(jìn)一步分析圖5和圖6可知，最小熔鹽流量(Qs0)和最大熱熔鹽溫度(Ts3)均出現(xiàn)在過(guò)冷高壓水的溫度Tm4=360 ℃條件下，故儲(chǔ)熱過(guò)程理論上應(yīng)盡量提高過(guò)冷高壓水的溫度(Tm4)才能降低儲(chǔ)熱成本，但實(shí)際上過(guò)冷高壓水的溫度過(guò)高(Tm4>360 ℃)會(huì)造成數(shù)個(gè)換熱器處于水的臨界點(diǎn)附近換熱，由于此時(shí)水的熱物性參數(shù)波動(dòng)較大，導(dǎo)致?lián)Q熱器制造困難或者成本增大。此外，較高溫度的過(guò)冷高壓水(Tm4>360 ℃)與主機(jī)模塊高加加熱器出口給水混合后，可能導(dǎo)致鍋爐省煤器入口給水接近飽和態(tài)，容易造成省煤器內(nèi)給水汽化問(wèn)題，影響鍋爐安全性。故本方案熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程中，過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)宜取360 ℃。
在實(shí)際熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)和再熱蒸汽換熱后的溫度(Tr2)可設(shè)為不同值。在Tm4＝360 ℃時(shí)，若再熱蒸汽換熱后的溫度(Tr2)取相同值，則會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入鍋爐再熱器的冷段蒸汽溫度偏高，在保證鍋爐出口蒸汽溫度一定條件下，可造成再熱器一直處于事故噴水工況。故同時(shí)考慮鍋爐再熱器安全性和冷熔鹽換熱溫差，則本方案熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程中，再熱蒸汽換熱后的溫度(Tr2)宜取320 ℃。
3 百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能工藝參數(shù)及綜合效率分析
3.1 主要工藝參數(shù)
結(jié)合工程實(shí)際和前述理論分析，百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)選定技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。儲(chǔ)熱容量指熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)存熱量，由充熱功率和充熱時(shí)長(zhǎng)決定。其中，充熱時(shí)長(zhǎng)取火電機(jī)組供熱季常見(jiàn)的調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)6 h。充熱功率為主機(jī)模塊中鍋爐熱功率與汽輪機(jī)所需蒸汽熱功率差值，則本例充熱功率為279.6 MW。故熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱量為1677.5 MW·h。
表1 百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)
3.2 百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能綜合效率分析
為進(jìn)一步分析儲(chǔ)熱系統(tǒng)工藝特點(diǎn)，有必要建立各模塊的理論計(jì)算模型，并論證其邊界條件和綜合效率。本研究將熔鹽儲(chǔ)能綜合效率定義為儲(chǔ)熱效率和做功?效率之積，表示熱量經(jīng)過(guò)熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)充放過(guò)程，還剩余做功能力的比例。其中，儲(chǔ)熱效率為放熱產(chǎn)生蒸汽熱量與充熱所需蒸汽熱量之比，做功?效率為放熱產(chǎn)生蒸汽可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額與充熱所需蒸汽可轉(zhuǎn)化為有用功的最高份額之比。
充熱功率模塊的主要功能是將鍋爐產(chǎn)生的高壓主蒸汽和高溫再熱蒸汽的熱量傳遞給熔鹽，并以溫度的形式儲(chǔ)存起來(lái)。充熱功率是按照火電機(jī)組調(diào)峰深度進(jìn)行配置，具體計(jì)算模型如下
式中，Pc為充熱功率；Pe為火電機(jī)組額定功率；k0為基本調(diào)峰負(fù)荷率；k1為深度調(diào)峰負(fù)荷率；Qm為主蒸汽流量；Hm1為主蒸汽換熱前焓值；Hm4為過(guò)冷高壓水焓值；Qr為高溫再熱蒸汽流量；Hr1為高溫再熱蒸汽換熱前焓值；Hr2為高溫再熱蒸汽換熱后焓值；Qs為儲(chǔ)熱熔鹽流量；cp為儲(chǔ)熱熔鹽比熱容；Ts1為熔鹽儲(chǔ)熱前的溫度；Ts3為熔鹽儲(chǔ)熱后的溫度。
充熱功率模塊涉及管道和設(shè)備熱損失率η1和儲(chǔ)熱系統(tǒng)電耗率η2，取熱損失率η1=1%，增壓泵電耗率與再熱蒸汽流量相關(guān)，當(dāng)再熱蒸汽流量約為主蒸汽流量0.8倍時(shí)，運(yùn)行電耗率η2=12.84%(其中，增壓機(jī)電耗率8.75%，高低溫熔鹽泵電耗率共1.15%，高壓水泵電耗率1.93%，電伴熱等其他輔機(jī)電耗率計(jì)1%)。
儲(chǔ)熱容量模塊的主要功能是保證當(dāng)前充熱功率條件下，鍋爐富余熱量能夠在需求的調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)內(nèi)全部?jī)?chǔ)存起來(lái)，儲(chǔ)熱容量是按照火電機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行配置，具體計(jì)算模型如下
式中，Qc為儲(chǔ)熱容量；t為調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)。儲(chǔ)熱容量模塊涉及管道和設(shè)備熱損失率η3，取熱損失率η3=1%。
放熱功率模塊的主要功能是將儲(chǔ)存熱量釋放，產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽，并返回汽輪機(jī)做功發(fā)電。放熱功率模塊涉及管道和設(shè)備熱損失率η4和做功?損失率η5。取熱損失率η4=1%，而做功?損失與放熱溫度有關(guān)，假定主蒸汽溫度566 ℃的?效率為100%，則在儲(chǔ)能過(guò)程熱熔鹽溫度480.1 ℃條件下，放熱過(guò)程產(chǎn)生蒸汽溫度進(jìn)一步降低到470 ℃以內(nèi)，溫度降低導(dǎo)致做功?損失率η5=8%。
系統(tǒng)綜合效率η可以按如下方式進(jìn)行計(jì)算
經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)綜合效率高達(dá)77.8%，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
4 結(jié) 論
本研究建立了百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)在火電機(jī)組深度調(diào)峰的理論模型，通過(guò)技術(shù)研究分析，論證了儲(chǔ)熱工藝參數(shù)及綜合效率。主要結(jié)論如下。
（1）百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)用于火電機(jī)組深度調(diào)峰可削弱原本剛性聯(lián)系的“爐機(jī)耦合”，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱過(guò)程中汽機(jī)的低負(fù)荷深度調(diào)峰和鍋爐的正常負(fù)荷運(yùn)行。
（2）儲(chǔ)熱使火電機(jī)組具備大規(guī)模熱電分離效果，可將機(jī)組在供電低負(fù)荷無(wú)法降低出力的部分能量?jī)?chǔ)存，并轉(zhuǎn)移至供電高負(fù)荷時(shí)釋放能量，做到“削峰填谷”。
（3）儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)較高的主蒸汽壓力(pm2)，可在凝結(jié)放熱段大量釋放出更高溫度的熱量，能有效提高熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)。進(jìn)一步地，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)的提高有助于減少熔鹽使用量。例如，在主蒸汽壓力(pm2)分別為21.5 MPa和15.5 MPa時(shí)，前者熔鹽流量(Qs0)僅為后者的1/2，前者熱熔鹽溫度(Ts3)比后者高出90 ℃。
（4）儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)較高的過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)時(shí)，熔鹽充熱熱量將被更高溫度的凝結(jié)換熱段和過(guò)熱換熱段占據(jù)更高比例，可提高熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度(Ts3)和減少熔鹽流量(Qs0)。
（5）本方案熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程中，熔鹽儲(chǔ)熱過(guò)程冷熔鹽溫度(Ts1)設(shè)計(jì)為280 ℃，夾點(diǎn)溫差5 ℃。經(jīng)優(yōu)化后的主蒸汽壓力(pm2)取21.5 MPa，過(guò)冷高壓水溫度(Tm4)取360 ℃，再熱蒸汽換熱后的溫度(Tr2)取320 ℃。分析可得，儲(chǔ)熱過(guò)程熱熔鹽溫度480.1 ℃，儲(chǔ)熱容量1677.5 MW·h，熔鹽使用量23150 t。
（6）對(duì)百兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)各模塊的進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果表明，系統(tǒng)綜合效率高達(dá)77.8%，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
第一作者：王輝（1970—），男，教授級(jí)高工，從事電力工程設(shè)計(jì)咨詢工作和熱能動(dòng)力技術(shù)研究，E-mail：[email protected]；
通訊作者：李峻，教授級(jí)高工，從事電力工程設(shè)計(jì)咨詢工作和新能源發(fā)電技術(shù)研究，E-mail：[email protected]。
