陳曉利，高繼錄，李 博，付 強(qiáng)，張立業(yè)，王 智

(1.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.國家電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181;國家電投東北電力有限公司本溪熱電分公司，遼寧 本溪 117000)

2016年國家發(fā)改委、能源局先后印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2016〕392號)和《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》(發(fā)改能源〔2016〕1430號)。政策提出推動集中式與分布式儲能協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)與新能源、電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。儲能行業(yè)的發(fā)展建設(shè)以及規(guī)劃新能源重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目對推動儲能行業(yè)的快速發(fā)展有積極意義。采用大規(guī)模儲能裝置，可以解決發(fā)電與用電的時差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性的影響[1-3]。將儲熱技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲能具有其獨(dú)特的自身優(yōu)勢[4]。與電化學(xué)儲能相比，熱儲能大規(guī)模應(yīng)用的歷史更長，范圍也更加廣泛。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟最新發(fā)布的《全球儲能市場跟蹤報(bào)道(2017年第三季度)》顯示，截止2017年第三季度，全球已投運(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)占比前三的分別是抽水蓄能、熔鹽儲熱和電化學(xué)儲能。在全球范圍內(nèi)，熔鹽儲熱始終牢固占據(jù)著儲能裝機(jī)規(guī)模的第二。

熔鹽儲熱供能技術(shù)是新興的供能技術(shù)，是引導(dǎo)清潔供能、改善環(huán)境、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要組成部分[5-6]。熔融鹽儲能技術(shù)是利用硝酸鹽等原料作為傳熱介質(zhì)，通過新能源發(fā)出的熱能與熔鹽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換來存儲或發(fā)出能量。一般與太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，使光熱發(fā)電系統(tǒng)具備儲能和夜間發(fā)電能力，滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要，是具有很強(qiáng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的技術(shù)，已經(jīng)在西班牙、意大利等歐洲地區(qū)和部分北美地區(qū)等發(fā)達(dá)國家得到了實(shí)際的商業(yè)化應(yīng)用[7-10]。20世紀(jì)90年代，各國開始研究以熔鹽為介質(zhì)的儲熱技術(shù)，率先將熔鹽引入光熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)的是美國于1996年投產(chǎn)的Solar Two塔式熔鹽電站，電站裝機(jī)容量10 MW，使用被稱作Solar Salt的40%硝酸鈉和60%硝酸鉀作為儲熱介質(zhì)[11-12]。2005年西班牙的Torresol Energy(Sener和Masdar的合資公司)在Andalucia地區(qū)開始設(shè)計(jì)和建造裝機(jī)容量19.9 MW的Gemasolar太陽能塔式電站，2011年4月投產(chǎn)，儲熱時間為15 h，該電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明高容量儲熱提高了電力調(diào)度的良好性。美國Solar Reserves公司于2014年2月在美國內(nèi)華達(dá)州建成新月沙丘熔鹽塔式電站，裝機(jī)容量為110 MW，同樣采用雙罐直接儲熱技術(shù)，儲熱時間10 h，儲熱系統(tǒng)效率達(dá)到99%。而我國的熔鹽儲熱應(yīng)用近幾年也相繼火熱起來，僅2017年就有敦煌熔鹽塔式10萬kW光熱發(fā)電項(xiàng)目、魯能青海西州50 MW塔式熔鹽光熱電站、內(nèi)蒙古馬可波羅夢幻城綠色熔鹽供熱制冷項(xiàng)目等7個熔鹽儲熱項(xiàng)目開工。

利用谷電儲熱冬季供熱、夏季供冷的技術(shù)，用價格便宜的低谷電取代燃?xì)夂桶嘿F的高峰電力，提高電供能的使用比例，是有效控制空氣質(zhì)量的重要途徑之一，同時也提高了發(fā)電設(shè)備及輸電設(shè)備的使用率。而通過熔鹽儲熱、放熱過程，風(fēng)電、分布式光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電等不穩(wěn)定的間歇電源可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)電。本文基于自主研發(fā)建設(shè)的雙罐熔鹽儲熱-換熱系統(tǒng)平臺，研究提出了帶有熔鹽儲熱的風(fēng)、光、儲一體化的綜合智慧能源系統(tǒng)方案，開發(fā)了可復(fù)制、可推廣、可延伸，覆蓋電/熱/冷/水的帶有熔鹽儲熱的分布式能源多聯(lián)供功能模塊，具備在分布式電站、工業(yè)園區(qū)、辦公樓宇等多場景應(yīng)用模式下的商業(yè)推廣價值，對提升熔鹽儲熱技術(shù)的可持續(xù)研發(fā)能力、引領(lǐng)熔鹽儲熱技術(shù)開發(fā)以及熔鹽儲熱技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 雙罐熔鹽儲熱-換熱系統(tǒng)平臺

自主設(shè)計(jì)建設(shè)了熔鹽儲熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及控制開放性試驗(yàn)平臺，見圖1。主要設(shè)備包括2個熔鹽儲罐，1臺電熔鹽爐，1臺熔鹽初融爐，蒸汽過熱器、蒸發(fā)器、熔鹽再熱器、純水預(yù)熱器，1套減溫減壓裝置，1套氮?dú)夤庋b置，1個5 m3軟水箱，一臺給水泵，1套供電設(shè)備，1套自動控制軟硬件設(shè)備，多臺電加熱器及保溫加熱器。

圖1 熔鹽儲熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及控制開放性試驗(yàn)平臺

熔鹽儲熱試驗(yàn)臺系統(tǒng)工藝流程見圖2，具體如下。

圖2 熔鹽儲熱試驗(yàn)臺系統(tǒng)流程圖

熔鹽側(cè)：290℃以上的冷熔鹽經(jīng)熔鹽電加熱器加熱到550℃后進(jìn)入到熔鹽熱罐，加熱后的熱熔鹽依次經(jīng)過蒸汽過熱器、水蒸發(fā)器，與給水進(jìn)行換熱，換熱后的290℃冷熔鹽進(jìn)入熔鹽再熱器，經(jīng)過熱蒸汽加熱到345℃后回到熔鹽冷罐。熔鹽系統(tǒng)設(shè)備管路內(nèi)的壓力基本為常壓。

汽水側(cè)：給水經(jīng)給水泵進(jìn)入水預(yù)熱器，在預(yù)熱器中使用電熱設(shè)備將水加熱至252℃后進(jìn)入水蒸發(fā)器，與熱熔鹽進(jìn)行換熱后蒸發(fā)為252℃飽和蒸汽后進(jìn)入蒸汽過熱器，進(jìn)一步與熱熔鹽換熱后，520℃的過熱蒸汽進(jìn)入熔鹽再熱器預(yù)熱熔鹽，換熱后的315℃過熱蒸汽經(jīng)減溫減壓器后排出。從給水到減溫減壓器前汽水系統(tǒng)管道內(nèi)壓力為3.8 MPa。

利用熔鹽儲熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及控制開放性試驗(yàn)平臺，針對太陽光熱電站中常用的二元熔鹽，其組分及物性參數(shù)見表1，開展了二元熔鹽儲熱系統(tǒng)換熱、儲熱、放熱特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 二元熔鹽組分及物性參數(shù)

表2 熔鹽換熱試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，熔鹽出口溫度與換熱器校核值符合性較好，說明換熱器設(shè)計(jì)正確，熔鹽與過熱蒸汽的換熱、熔鹽與飽和水的換熱、過熱蒸汽與熔鹽的換熱規(guī)律與文獻(xiàn)結(jié)果一致。熔鹽換熱效率為96%～98%。通過試驗(yàn)掌握了熔鹽儲熱系統(tǒng)的換熱、儲熱、放熱特性。

2 帶有熔鹽儲熱的綜合智慧能源系統(tǒng)方案

本文依托自主研發(fā)建設(shè)的雙罐熔鹽儲熱-換熱系統(tǒng)平臺和新建的試驗(yàn)廠房，研究開發(fā)了帶有熔鹽儲熱的風(fēng)、光、儲一體化的分布式能源多聯(lián)供系統(tǒng)方案，系統(tǒng)包括250 kW屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，6.48 kW雙軸跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，10 kW分布式風(fēng)電系統(tǒng)，制冷量181 kW、制熱量114 kW蒸汽型溴化鋰機(jī)組，18 t熔鹽儲熱雙罐蒸汽系統(tǒng)，并配套智能化能源綜合分析管控平臺等。系統(tǒng)布置概況見圖3。

圖3 帶有熔鹽儲熱的分布式能源多聯(lián)供項(xiàng)目

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電承擔(dān)園區(qū)基本電負(fù)荷，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、新建試驗(yàn)廠房獨(dú)立供熱”的運(yùn)行模式，市政電網(wǎng)供電承擔(dān)用電調(diào)節(jié)負(fù)荷；利用低谷電加熱熔鹽儲熱釋放熱量產(chǎn)生蒸汽，通過蒸汽型溴化鋰機(jī)組承擔(dān)新建試驗(yàn)廠房的冷、熱負(fù)荷，蒸汽冷凝水供應(yīng)園區(qū)生活用水。系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 帶有熔鹽儲熱的分布式能源多聯(lián)供系統(tǒng)流程

利用該系統(tǒng)方案構(gòu)建的開放式研發(fā)體系，在促進(jìn)熔鹽儲熱在分布式能源中應(yīng)用的同時，還將促進(jìn)熔鹽儲熱技術(shù)在火電靈活性改造領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)熔鹽儲熱技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，為風(fēng)電、分布式光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電等不穩(wěn)定的間歇電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)電提供技術(shù)支撐，為熔鹽儲熱用于燃煤機(jī)組熱電解耦以及綜合智慧能源系統(tǒng)中提供技術(shù)支撐。

3 系統(tǒng)用能測算

經(jīng)初步測算：本系統(tǒng)前20年年發(fā)電量為32.1萬kWh，后5年年發(fā)電量為30.9萬kWh，園區(qū)基本用電約20萬kWh，尚有部分余電。在冬季供暖期間和夏季制冷期間，余電用于加熱熔鹽儲熱，其余時段，余電上網(wǎng)。

本項(xiàng)目總規(guī)劃建設(shè)面積7201.89 m2，包括現(xiàn)有的3棟辦公樓，建筑面積5 096 m2；將新建1棟試驗(yàn)廠房，建筑面積1 915.70 m2。項(xiàng)目所在地的每天用電負(fù)荷約220 kW。依據(jù)GB/T51074-2015《城市供熱規(guī)劃規(guī)范》，辦公區(qū)設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷取60 W/m2，廠房設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷取130 W/m2。本項(xiàng)目辦公區(qū)采暖期工作日設(shè)計(jì)供熱時間為8:00～18:00，共10 h，設(shè)計(jì)供熱溫度為18℃。其余時間為保溫防凍時間，設(shè)計(jì)供熱溫度為5℃。廠房整個采暖期設(shè)計(jì)供熱溫度為5℃。根據(jù)沈陽市的氣象條件，分別計(jì)算上班時期和非上班時期的供熱量后相加可得出采暖季的供熱量，如表3所示。

表3 冬季供熱量

依據(jù)GB/T51074-2015《城市供熱規(guī)劃規(guī)范》，辦公區(qū)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷取90 W/m2，廠房設(shè)計(jì)冷負(fù)荷取150 W/m2。本項(xiàng)目供冷期工作日設(shè)計(jì)供冷時間為8:00～18:00，共10 h，設(shè)計(jì)供冷溫度為24℃，其余時間不供冷。根據(jù)沈陽市的氣象條件，計(jì)算出上班期間的供冷量，如表4所示。

表4 夏季供冷量

利用分布式光伏和晚上電網(wǎng)系統(tǒng)的低谷電加熱熔鹽進(jìn)行儲能。可實(shí)現(xiàn)用戶全天10 h供能需求。采暖低谷電時間段為22:00至次日8:00，共計(jì)10 h；供冷低谷時長8 h。熔鹽電加熱器的功率225 kWh，冬季利用谷電儲熱按照沈陽市的制冷、供熱標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)廠房的年供熱量為357 GJ、年供冷量447 GJ，熔鹽儲熱用于供熱、制冷的最小年用電量為23.3萬kWh，系統(tǒng)供能和耗能參數(shù)見表5。

表5 帶有熔鹽儲熱的分布式能源多聯(lián)供系統(tǒng)供能和耗能預(yù)測

因此，在承擔(dān)了園區(qū)基本用電負(fù)荷后，分布式光伏和風(fēng)電所發(fā)電量無法滿足冬季采暖和夏季制冷期間的儲熱系統(tǒng)的用電量，需要部分利用電網(wǎng)谷電。

4 結(jié)論

本文基于自主研發(fā)建設(shè)的雙罐熔鹽儲熱-換熱系統(tǒng)平臺，研究提出了帶有熔鹽儲熱的風(fēng)、光、儲一體化的綜合智慧能源系統(tǒng)方案，開發(fā)了可復(fù)制、可推廣、可延伸，覆蓋電/熱/冷/水的帶有熔鹽儲熱的分布式能源多聯(lián)供功能模塊，具備在分布式電站、工業(yè)園區(qū)、辦公樓宇等多場景應(yīng)用模式下的商業(yè)推廣價值，為熔鹽儲熱技術(shù)在供熱制冷領(lǐng)域、熱電解耦以及在綜合智慧能源系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供重要理論與技術(shù)支撐。