王 堅(jiān)，王 輝

(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，湖北 武漢 430071)

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”的“3060”目標(biāo)背景下，我國(guó)新能源風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)規(guī)模迅猛發(fā)展，發(fā)電量占比不斷提升，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。

2021年11月10日，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)2021年度電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展工作的通知》，首次將火電機(jī)組“抽汽蓄能”列為鼓勵(lì)重大創(chuàng)新示范項(xiàng)目進(jìn)行推廣。

2022年2月10日，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布 《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》(發(fā)改能源〔2022〕209號(hào))，文件要求：建設(shè)火電機(jī)組抽汽蓄能等依托常規(guī)電源的新型儲(chǔ)能技術(shù)，推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化協(xié)同發(fā)展。文件指出：對(duì)于配套建設(shè)新型儲(chǔ)能或以共享模式落實(shí)新型儲(chǔ)能的新能源發(fā)電項(xiàng)目，結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)水平和系統(tǒng)效益，可在競(jìng)爭(zhēng)性配置、項(xiàng)目核準(zhǔn)、并網(wǎng)時(shí)序、保障利用小時(shí)數(shù)、電力服務(wù)補(bǔ)償考核等方面優(yōu)先考慮。政策鼓勵(lì)下，煤電企業(yè)靈活性改造的意愿仍顯不足，主要還是未找到長(zhǎng)期可預(yù)見(jiàn)的盈利模式。同時(shí)，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)性和安全性不足等問(wèn)題。頻繁、大幅度地調(diào)節(jié)會(huì)縮減火電機(jī)組使用壽命，并導(dǎo)致收益較低；低負(fù)荷率下長(zhǎng)期運(yùn)行使得機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均大幅降低，與節(jié)能降耗的整體目標(biāo)不符。電源側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)則可以實(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)多為汽機(jī)側(cè)民用供暖蓄熱，如熱水罐、低溫相變儲(chǔ)熱等，儲(chǔ)能規(guī)模有限，非供暖期不能發(fā)揮調(diào)峰作用，也無(wú)法提供穩(wěn)定的高溫工業(yè)用蒸汽。電化學(xué)儲(chǔ)能則存在安全性、壽命周期等方面的問(wèn)題。

本文在火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中的“鍋爐—汽機(jī)”之間，并聯(lián)大容量高溫熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，削弱原本剛性聯(lián)系的“機(jī)爐耦合”。深度調(diào)峰時(shí)，保持鍋爐運(yùn)行在較高負(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。同時(shí)實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”和“機(jī)爐解耦”，是火電廠靈活性提升的全新解決方案。

1 熔鹽儲(chǔ)熱的抽汽儲(chǔ)能技術(shù)

熔鹽儲(chǔ)熱目前主要用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，顯示出大規(guī)模儲(chǔ)熱技術(shù)的可靠性和較好的經(jīng)濟(jì)性。范慶偉[1]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。崔華[2]等公開(kāi)一種火電機(jī)組的儲(chǔ)熱調(diào)峰裝置，抽取鍋爐主蒸汽進(jìn)行熔鹽儲(chǔ)熱，釋熱時(shí)用來(lái)產(chǎn)生蒸汽供小汽輪機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組靈活調(diào)峰。當(dāng)前抽汽熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)只考慮了如何從火電機(jī)組抽汽儲(chǔ)熱，缺乏對(duì)原機(jī)組運(yùn)行的安全性評(píng)估和經(jīng)濟(jì)、合理的配套放熱方案，調(diào)峰能力有限。本文針對(duì)現(xiàn)有方案中儲(chǔ)能規(guī)模有限、單位投資較大、對(duì)原有機(jī)組安全運(yùn)行影響較大等痛點(diǎn)展開(kāi)了研究，提出了全新的解決方案。

2 儲(chǔ)能加熱蒸汽的全新利用方案

用于抽汽儲(chǔ)能的熱源蒸汽可以選擇原有熱力系統(tǒng)中的主蒸汽、高溫再熱和各級(jí)回?zé)岢槠?。汽輪機(jī)的回?zé)岢槠髁肯鄬?duì)較小，熱容量較小，用于短時(shí)調(diào)頻是可行的，但影響到的調(diào)峰容量幅度較小。因此，本研究中加熱儲(chǔ)能介質(zhì)的蒸汽只選擇主蒸汽或高溫再熱蒸汽。

單獨(dú)抽取主蒸汽時(shí)，高壓缸排汽減少，進(jìn)入鍋爐再熱器的蒸汽流量減少，鍋爐內(nèi)部過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽的吸熱比例遭到破壞，極有可能導(dǎo)致再熱器超溫，鍋爐廠一般建議不超過(guò)8%～10%鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rate，BMCR)流量；單獨(dú)抽取高溫再熱蒸汽不會(huì)影響到上游鍋爐的運(yùn)行，但如果抽取比例過(guò)大，也會(huì)對(duì)汽輪機(jī)中、低壓缸的效率產(chǎn)生不利影響；因此，為達(dá)到一定調(diào)峰容量，需要同時(shí)抽取主蒸汽和高溫再熱蒸汽，同時(shí)控制好主蒸汽的抽汽流量，防止再熱器超溫；控制好高溫再熱蒸汽的抽取流量，保證汽輪機(jī)中、低壓缸所必須的最小冷卻流量。

加熱蒸汽的熱能利用，有利用顯熱(不凝結(jié))和利用潛熱(凝結(jié)成水)兩種方案。潛熱利用方案能夠盡可能多地利用抽汽的熱能。王輝[3]等提出利用加熱主蒸汽的潛熱，其蒸汽的凝結(jié)水，采用高壓增壓水泵返回原系統(tǒng)的高壓給水系統(tǒng)。同時(shí)，高溫再熱蒸汽在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)壓力較低，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度已經(jīng)低于熔鹽的凝固點(diǎn)220 ℃，無(wú)法設(shè)計(jì)熔鹽加熱器，顯然不適合利用其潛熱。王輝[3]等的方案也是只利用其顯熱，提出用蒸汽增壓機(jī)提升熔鹽換熱器出口的高溫再熱蒸汽壓力，返回鍋爐再熱器吸熱。設(shè)置高壓增壓水泵和蒸汽增壓機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的廠用電上升，儲(chǔ)能的存取效率就會(huì)下降。因此，利用蒸汽潛熱固然可以最大限度利用抽汽的熱能，但需要在儲(chǔ)能容量和效率之間取得一種平衡。本文推薦只利用蒸汽的顯熱，不考慮增加高壓水泵和蒸汽增壓機(jī)，犧牲一定的儲(chǔ)熱容量，但系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、可靠。同時(shí)，主蒸汽加熱熔鹽后憑自身壓力基本可以全部返回低溫再熱系統(tǒng)，不減少鍋爐再熱器的流量，確保鍋爐的安全運(yùn)行。

3 儲(chǔ)能、釋能工藝路線的優(yōu)化

根據(jù)前述分析，采取同時(shí)抽取主蒸汽和高溫再熱蒸汽，僅利用其顯熱加熱熔鹽，壓力下降后分別匯入高壓缸排汽和中壓缸排汽，回到原熱力系統(tǒng)。相當(dāng)于蒸汽—熔鹽加熱器分別與汽輪機(jī)的高壓缸和中壓缸并聯(lián)運(yùn)行。因?yàn)檫M(jìn)入鍋爐的給水和低溫再熱蒸汽流量保持不變，蒸汽參數(shù)匹配，不對(duì)鍋爐的燃燒造成任何影響，抽取的蒸汽比例原則上不受限制，儲(chǔ)能容量可以做的更大。由于是利用蒸汽自身的壓力克服蒸汽加熱器的阻力，不需要另外增加水泵或增壓機(jī)，不增加廠用電。

高溫熔鹽儲(chǔ)熱的優(yōu)勢(shì)在于能夠產(chǎn)生高溫蒸汽，帶有熔鹽儲(chǔ)能的太陽(yáng)能熱發(fā)電的蒸汽發(fā)生器技術(shù)已有成熟的應(yīng)用。產(chǎn)生的蒸汽可返回原有熱力系統(tǒng)增大發(fā)電出力，也可根據(jù)用戶的需要提供特定參數(shù)的工業(yè)蒸汽供熱。

對(duì)于有工業(yè)供熱需求的火電機(jī)組，機(jī)組低負(fù)荷調(diào)峰時(shí)很難提供穩(wěn)定的工業(yè)蒸汽。配備高溫熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)后，按目標(biāo)蒸汽的參數(shù)、流量設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，可不受調(diào)峰負(fù)荷限制的“熱電解耦”方式提供穩(wěn)定的高溫工業(yè)蒸汽。

儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽，由于傳熱端差的存在，溫度顯然要低于原抽取蒸汽的溫度，壓力則可根據(jù)回收點(diǎn)的要求來(lái)選擇。對(duì)于返回系統(tǒng)發(fā)電，有3種方案：

方案一：類似光熱發(fā)電，另外增加配套完整的一整套小型汽輪發(fā)電系統(tǒng)；

方案二：返回原熱力系統(tǒng)中的主蒸汽系統(tǒng)，增加原汽輪機(jī)發(fā)電出力；

方案三：返回原熱力系統(tǒng)中的高溫再熱蒸汽系統(tǒng)，增加原汽輪機(jī)中、低壓缸發(fā)電出力。

崔華[2]等提出的專利方案一增加的造價(jià)較多，并且調(diào)峰小發(fā)電機(jī)組上網(wǎng)面臨著政策方面的審批難題。方案二、三的區(qū)別在于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的增壓給水泵的容量和廠用電差別較大，對(duì)蒸汽發(fā)生器設(shè)備的造價(jià)影響也較大。如果按中壓參數(shù)考慮，從低加后的凝結(jié)水引出水源，增壓泵揚(yáng)程較小、蒸發(fā)器承壓設(shè)計(jì)壓力也可較小，該模塊造價(jià)會(huì)大幅度降低。本研究推薦方案三。原則性熱力系統(tǒng)及模塊劃分如圖1所示。

圖1 抽汽儲(chǔ)能、放熱工藝路線系統(tǒng)及模塊劃分示意圖

4 案例主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測(cè)算

4.1 技術(shù)參數(shù)

以華中地區(qū)某350 MW超臨界一次再熱火電機(jī)組為例，其運(yùn)營(yíng)電力集團(tuán)有建設(shè)新能源基地配套儲(chǔ)能項(xiàng)目的需求和電廠自身的深度調(diào)峰改造需求。調(diào)峰目標(biāo)設(shè)定為汽輪發(fā)電機(jī)組維持深度調(diào)峰30%負(fù)荷出力，鍋爐保持在50%負(fù)荷較高出力。按前文的優(yōu)化方案，只考慮利用蒸汽顯熱，儲(chǔ)熱進(jìn)出口參數(shù)分別取高、中壓缸進(jìn)出口參數(shù)，此時(shí)可用于熔鹽儲(chǔ)熱的高壓主蒸汽292.104 t/h，高溫再熱蒸汽250.464 t/h，可利用的抽汽熱能見(jiàn)表1所列。

表1 可利用抽汽熱能參數(shù)

合計(jì)儲(chǔ)熱功率65 MW。按照高、中壓缸的熱效率92%計(jì)算，此時(shí)機(jī)組減少輸出的電功率約60 MW。按照日調(diào)峰需求，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)一般為8～12 h，取10 h計(jì)算，則儲(chǔ)熱量為650 MWh。

設(shè)置體積為3 500 m3的冷、熱儲(chǔ)罐各一座，各配置2×100%容量立式長(zhǎng)軸熔鹽泵，共4臺(tái)熔鹽泵。熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表2所列。

表2 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)參數(shù)

外掛式儲(chǔ)能換熱模塊概況：儲(chǔ)罐直徑約21 m，高12 m；熔鹽泵安裝在罐頂；換熱器與蒸汽發(fā)生設(shè)備可在冷、熱罐之間分層疊式露天布置，也可室內(nèi)布置；根據(jù)電廠場(chǎng)地情況可布置成占地80 m×80 m或50 m×120 m。

放熱過(guò)程：系統(tǒng)抽取除氧器水箱178 ℃的凝結(jié)水，升壓后經(jīng)過(guò)預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器，加熱至540 ℃，并入高溫再熱蒸汽進(jìn)入中、低壓缸做功。按5 h放熱時(shí)長(zhǎng)計(jì)算，可生產(chǎn)168.9 t/h流量的蒸汽(壓力4.8 MPa，溫度540 ℃)，在中、低壓缸中可增加約52 MW的出力(缸效按92%計(jì)算)。

因此本抽汽儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的650 MWh熱量，按機(jī)組50% THA工況時(shí)的發(fā)電效率44.35%計(jì)算，如不抽取，可以發(fā)電288.3 MWh；返回系統(tǒng)發(fā)電后釋放的電量約為52×5=260 MWh。則本儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率可以評(píng)估為260/288.3=90.2%。如果蒸發(fā)器生產(chǎn)的蒸汽不用來(lái)發(fā)電而是用來(lái)供熱，扣除廠用電和保溫散熱損失，儲(chǔ)能系統(tǒng)存取效率將會(huì)超過(guò)92%。

4.2 投資測(cè)算(設(shè)備及安裝)

本系統(tǒng)設(shè)備估價(jià)如下：

1)蒸汽加熱熔鹽加熱器，雙列，總換熱功率65 MW，估價(jià)800萬(wàn)元；

2) 2×3 500 m3熔鹽儲(chǔ)罐，冷、熱罐各一臺(tái)，罐體及基礎(chǔ)，估價(jià)3 000萬(wàn)元；

3)熔鹽6 300 t，按5 500元/t計(jì)算，計(jì)價(jià)3465萬(wàn)元；

4)熔鹽泵，600 t/h流量，4臺(tái)，估價(jià)800萬(wàn)元；

5)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，含預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器，單列；凝結(jié)水升壓泵2臺(tái)，估價(jià)1 200萬(wàn)元；

6)其他電加熱器、電伴熱、管道、閥門和保溫工程、疏鹽、化鹽系統(tǒng)，估價(jià)1 000萬(wàn)元。

合計(jì)10 265萬(wàn)元。

4.3 項(xiàng)目盈利模式測(cè)算

對(duì)于符合發(fā)改委《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》(發(fā)改能源〔2022〕209號(hào))精神的存量機(jī)組抽汽蓄能新型儲(chǔ)能改造項(xiàng)目，國(guó)家出臺(tái)了眾多的鼓勵(lì)政策，其盈利模式至少包括以下幾種：

1)靈活性改造后新增加的60 MW調(diào)節(jié)容量，按湖北地區(qū)政策，可3.5倍即210 MW配置新能源指標(biāo)，與新能源企業(yè)共享儲(chǔ)能獲取收益。具體分成方式，要根據(jù)風(fēng)光火儲(chǔ)一體化能源企業(yè)內(nèi)部協(xié)議。

2)改造后可兼顧向下調(diào)峰與向上頂峰，按照調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則，可獲得調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用。根據(jù)華中監(jiān)能市場(chǎng)〔2020〕87號(hào) 關(guān)于印發(fā)《湖北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》(以下簡(jiǎn)稱“運(yùn)營(yíng)規(guī)則”)的通知，以50%THA為基準(zhǔn)，按調(diào)峰深度分檔計(jì)價(jià)補(bǔ)償方案見(jiàn)表3所列。本案例從50%THA下調(diào)20%THA，汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在30%THA，因此，按第四檔計(jì)價(jià)。

表3 湖北地區(qū)調(diào)峰補(bǔ)償方案

按該《運(yùn)營(yíng)規(guī)則》，頂峰電量原則上要競(jìng)爭(zhēng)報(bào)價(jià)上網(wǎng)，具體結(jié)算價(jià)格還不明確，本次評(píng)估暫按最低結(jié)算價(jià)格即標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)保守計(jì)算。

3)參與電儲(chǔ)能調(diào)峰交易。儲(chǔ)能電價(jià)由容量電價(jià)和運(yùn)行電價(jià)組成。目前的儲(chǔ)能電價(jià)形成機(jī)制尚不明確，參考湖南地區(qū)儲(chǔ)能電站報(bào)價(jià)，取500元/MWh；

4)利用高溫儲(chǔ)能所特有的生產(chǎn)高溫工業(yè)蒸汽的能力，售熱獲得發(fā)電收益和供熱收益。

綜合上述收益，仍以上述350 MW超臨界機(jī)組60 MW儲(chǔ)能模塊為例，暫不考慮同時(shí)獲得調(diào)峰收益和儲(chǔ)能電價(jià)，本抽汽儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益預(yù)測(cè)見(jiàn)表4所列。

表4 抽汽儲(chǔ)能深度調(diào)峰系統(tǒng)收益預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行抽汽儲(chǔ)能高溫熔鹽儲(chǔ)熱改造，將極大地提高其深度調(diào)峰能力，尤其是能解決供熱機(jī)組電網(wǎng)深度調(diào)峰需求和工業(yè)供熱之間的矛盾，通過(guò)抽汽儲(chǔ)能消納不必要的棄光棄風(fēng)。通過(guò)研究分析，本文論證了包含充熱過(guò)程、儲(chǔ)熱過(guò)程和放熱過(guò)程的完整新型抽汽儲(chǔ)能技術(shù)方案、工藝參數(shù)及綜合效率。主要結(jié)論如下：

1)抽汽儲(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)峰和鍋爐的全負(fù)荷脫硝運(yùn)行。

2)火電機(jī)組在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)往往無(wú)法保障供熱所需的穩(wěn)定的工業(yè)蒸汽，熔鹽高溫儲(chǔ)熱使供電低負(fù)荷時(shí)由儲(chǔ)能釋放能量，生產(chǎn)高溫工業(yè)蒸汽，實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”，擺脫電力負(fù)荷限制。

3)本文推薦的“外掛式”儲(chǔ)放熱模塊，熔鹽加熱考慮同時(shí)抽取主蒸汽和高溫再熱蒸汽，利用其顯熱加熱熔鹽并分別返回高壓缸排汽和中壓缸排汽；儲(chǔ)放熱過(guò)程不影響鍋爐原有的汽水流量，保障了鍋爐安全性，利用蒸汽自身壓力驅(qū)動(dòng)，無(wú)需增壓，系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效。

4)在釋能利用環(huán)節(jié)，借鑒成熟的太陽(yáng)能熱發(fā)電的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生產(chǎn)的蒸汽可以返回主蒸汽、高溫再熱蒸汽系統(tǒng)發(fā)電或?qū)ν夤I(yè)供熱。

5)案例測(cè)算了350 MW超臨界火電機(jī)組的儲(chǔ)能規(guī)?？梢赃_(dá)到650 MWh以上；儲(chǔ)放熱系統(tǒng)整體造價(jià)約1億元，深度調(diào)峰收益投資回收期約為2.9 a。系統(tǒng)綜合儲(chǔ)能效率超過(guò)90.2%，在大規(guī)模儲(chǔ)能、深度調(diào)峰領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

6)大容量新型抽汽儲(chǔ)能技術(shù)可以同時(shí)滿足建設(shè)新能源基地配套儲(chǔ)能需求和火電機(jī)組自身深度調(diào)峰需求，其經(jīng)濟(jì)性十分明顯，但目前受調(diào)峰補(bǔ)貼政策的影響較大；對(duì)于同時(shí)有工業(yè)供汽需求的熱電機(jī)組，配套本文外掛式新型抽汽儲(chǔ)能模塊，售熱收益長(zhǎng)期穩(wěn)定。