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煤电机组耦合储热系统的灵活性调峰特性研究及其性能评价

一、摘要

“双碳目标”背景下，煤电机组将长期作为主力调峰电源，保障电网安全稳

定。储热是提升煤电机组灵活性的重要手段，但煤电耦合储热系统的运行特

性尚不明确，不同储热技术与煤电机组耦合适应性亟待研究。为此，该文构

建600MW煤电-90MW显热/潜热/热化学储热3种耦合系统，详细考察系

统储/释热过程调峰能力及热力学性能，并基于优劣解距离法(techniquefor

orderpreferencebysimilaritytoanidealsolution，TOPSIS)综合评价，

明确最优耦合方案。

研究发现，储热过程，Ca(OH)2/CaO热化学储热的调峰容量、调峰深度及

㶲效率均优于热水及熔融盐储热，而释热过程熔融盐储热性能最优；通

过TOPSIS综合评价法确定热储热方案均为抽取主蒸汽作为热源，最佳释热

方案均为以#2高加进水为冷源，同时确定煤电耦合熔融盐储热为最佳系统耦

合方案。相关研究结论可为构建煤电耦合储热调峰系统提供一定的理论和数

据支撑。

二、引言

构建以新能源为主体的电力系统是实现“双碳目标”的重要支撑。然而，新

能源发电具有间歇性、随机性和波动性等特点。因此，为保障电网安全稳定

运行，需要借助高稳定性电源进行灵活调峰。煤电作为我国电力系统压舱石，

将会在未来很长一段时间内担当主力调峰电源，这对燃煤发电机组的灵活性

提出巨大挑战。

煤电机组灵活性改造是解决上述问题的重要手段，主要包括锅炉本体改造、

蒸汽旁路改造、省煤器分级改造、储能等。其中，储能技术能够在跨时间尺

度上更好实现“源”侧和“荷”侧匹配，同时在很大程度上降低煤电系统调

峰过程能量损失，是极具发展潜力的灵活性改造方案。目前，储能技术按照

能量形式分为物理储能和化学储能，前者包括压缩空气储能、抽水蓄能、飞

轮储能等，后者包括储热、氢储能、蓄电池储能等。以物理储能为代表的压

缩空气储能技术具有运行寿命长、并网性能好和调频能力强等特点，但能量

循环效率相对较低；抽水蓄能技术具有运行方式灵活、调峰调频性能优越等

特点，但受地理影响因素较大。

以蓄电池为代表的化学储能具有能量密度高、电能质量可靠、自放电率高等

特点，但电池寿命有限、运行维护成本较高；氢储能具有大容量、快速响应

等特点，但储存、运输等仍处于技术攻关阶段。

相较于上述储能技术，储热技术可应用于电源侧和用户侧，并且在装机规模、

储能密度、技术成本和使用寿命等方面具有明显优势。据统计，我国22个

火电灵活性改造试点项目中，采用储热技术进行改造的占比最大，至少有12

个项目采用储热相关技术进行改造。

目前，国内外学者围绕储热技术开展系统深入的研究。依据技术原理的不同，

储热主要分为显热储热(以水、油等为介质)、潜热储热(以熔盐为介质)和热化

学储热(以钙循环、氨循环等为介质)。范庆伟等研究发现热电联产机组配置热

水储热后，系统的调峰容量在一定范围内保持不变，随后呈现线性下降趋势。

苏鹏等通过研究热水储热系统和电锅炉系统的技术经济性，发现热水储热系

统、电锅炉系统均能够在一定程度上提升火电机组的运行灵活性，增加机组

调峰深度。Garbrecht等创新性提出两种基于温度匹配的熔融盐储热方式，

通过温度对口优化，储热过程的能量损失显著降低。邹小刚等设计煤电机组

耦合熔盐系统的调峰方案，并对比分析不同耦合方案的热效率、调峰能力和

熔盐用量等，进而获得最优煤电耦合熔盐储热系统。马海彦等研究熔融盐储

热技术耦合热电联产机组的技术可行性、技术方案、投资收益等，发现熔融盐

储热可大幅降低机组的调峰深度，提高机组的调频能力，同时投资收率较好。

Schaube等通过实验发现Ca(OH)2/CaO循环热化学储热工作次数超

过100次循环后，在转化率和化学反应速率两方面仍能保持较高的稳定性。

Uchino等提出一种利用Ca(OH)2/CaO热化学储热的调峰系统，其中，储

热阶段利用电厂燃烧产生热量，释热阶段利用水合反应产生热量转换为电力。

上述研究表明，显热、潜热、热化学储热均能显著提高煤电机组的灵活性调

峰能力，但现有研究多聚焦于单一储热技术与煤电机组的耦合分析，而对不

同储热技术与煤电的耦合适应性缺乏全面系统的综合评价。并且，现有评价

方法仅局限于调峰容量、系统能量效率等单一指标，而未能从调峰能力、热

力学性能等方面综合考虑煤电耦合储热系统的运行性能。因此，有必要对不

同储