邵建林 ，鄭明輝 ，郭宬昊 ，閆夢迪 ，夏子晴 ，許宏鵬 ，魏書洲 ,?

（1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065201；2.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065201；3.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；4.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

為適應(yīng)全球氣化變化以及我國“碳達(dá)峰、碳中和”的“雙碳”工作的開展和實施，新能源電力將發(fā)揮著重要作用，能源體系和電力系統(tǒng)將迎來新的變革。新能源電力的波動性和不確定性對原有燃煤機(jī)組的調(diào)峰能力提出了更高的要求[1]。目前對于燃煤機(jī)組的靈活性調(diào)整主要表現(xiàn)為快速啟停，提高升降負(fù)荷速率以及降低機(jī)組的最小運(yùn)行負(fù)荷。方旭等[2]對利用熱泵余熱回收技術(shù)提高其運(yùn)行負(fù)荷能力進(jìn)行了綜述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方案可以部分熱電解耦，降低機(jī)組最小負(fù)荷且有較好的經(jīng)濟(jì)效益；王金星等[3]針對快速啟停提出采用水冷壁安全防護(hù)技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以有效應(yīng)對在啟停時機(jī)組產(chǎn)生的熱變形。

對于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，“以熱定電”的生產(chǎn)模式限制了其靈活運(yùn)行能力。目前提高燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性主要包括低壓缸零出力改造以及增設(shè)輔助設(shè)備[4]，擴(kuò)大燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱電比也是一個重要內(nèi)容[5]。天罡等[6]分析了350 MW燃煤供熱機(jī)組在切除低壓缸后再供熱的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中末級葉片未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模水蝕且經(jīng)濟(jì)效益顯著，但其運(yùn)行監(jiān)視測點(diǎn)不足，無法對葉片進(jìn)行監(jiān)控；劉雙白等[7]基于低壓缸零出力改造方案對某320 MW供熱機(jī)組開展理論模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)組供熱能力將大幅度提升，節(jié)能效果顯著，但該理論模型未考慮在實際改造過程中的經(jīng)濟(jì)性和安全性。由此可見，根據(jù)區(qū)域熱電需求針對性地改造燃煤聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能夠在靈活性和經(jīng)濟(jì)性上展現(xiàn)一定的優(yōu)勢，但是由于系統(tǒng)自身性能的限定，仍會帶來不同程度的問題。儲能技術(shù)作為一種跨時間尺度調(diào)節(jié)的輔助技術(shù)，為彌補(bǔ)系統(tǒng)自身的約束，進(jìn)一步實現(xiàn)深度調(diào)峰提供了潛在的應(yīng)用前景[8]，同時也為原有燃煤機(jī)組在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過程中提供了一個重要發(fā)展方向[9]。目前，燃煤機(jī)組的儲能技術(shù)主要應(yīng)用于一次調(diào)頻和降低最小運(yùn)行負(fù)荷。例如，何林軒等[10]分析了飛輪儲能輔助火電機(jī)組一次調(diào)頻的效果，發(fā)現(xiàn)采用飛輪儲能輔助一次調(diào)頻能夠減輕電機(jī)組調(diào)頻負(fù)擔(dān)，提高機(jī)組效率。

隨著新能源電力不斷并網(wǎng)，未來儲能技術(shù)的發(fā)展將從經(jīng)濟(jì)性、安全性、低碳性等方面助力國家電網(wǎng)建設(shè)。同時，熱電機(jī)組與儲能的耦合配置有利于提升火電機(jī)組靈活性以及熱電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力[11]。本文將以“雙碳”目標(biāo)為背景，通過對潛在的儲能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的分析與對比，進(jìn)一步提出耦合儲能技術(shù)的發(fā)展方向，最后基于研究分析提出了需要關(guān)注的問題及具可行性的相關(guān)建議。

1 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活調(diào)節(jié)需求

雖然燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的能量利用率，但“以熱定電”的生產(chǎn)模式大大降低了系統(tǒng)的靈活運(yùn)行能力?；陔娏π枨?、燃料組合和發(fā)電效率[12]，可再生能源的不確定性及其并網(wǎng)需求要求電網(wǎng)的各產(chǎn)能組件具有較高的靈活性。而提高燃煤機(jī)組的靈活性主要包括最小運(yùn)行負(fù)荷能力，快速啟停以及升降負(fù)荷速率。在提高機(jī)組升降負(fù)荷速率方面，張興等[13]對500 kW/100 kWh的飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)與火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻可以提高機(jī)組的快速響應(yīng)能力并具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

1.1 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)而言具有較高的利用效率，理論上，該系統(tǒng)的綜合能源利用效率可達(dá)80%以上[14]。高背壓機(jī)組和抽凝機(jī)組是目前燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的主要運(yùn)行方式[2,15]，如圖1所示。其中對于抽凝機(jī)組，汽輪機(jī)的排汽為正壓排汽，且排汽直接送到熱用戶，其“以熱定電”的主要原因在于在中壓缸抽出一部分蒸汽用于供熱。這勢必會使得進(jìn)汽量減少，發(fā)電量降低，而熱負(fù)荷的多少決定抽汽量。對于高背壓機(jī)組，則通過汽輪機(jī)的抽氣口直接將部分仍具有做功能力的蒸汽抽出送至熱用戶。用戶端供熱量決定了汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，而機(jī)組的發(fā)電量直接被進(jìn)汽量決定，因此機(jī)組的發(fā)電量完全受熱負(fù)荷的制約。為此，有必要進(jìn)一步探索平抑機(jī)組負(fù)荷波動，同時進(jìn)一步降低其最小運(yùn)行負(fù)荷能力。

1.2 “雙碳”目標(biāo)牽引方向

長期碳減排已成為我國的一項重要能源政策，其政策走向如圖2所示。2021年以前，我國能源政策的主要導(dǎo)向為加快煤炭行業(yè)完成落后產(chǎn)能改造，建設(shè)“煤改氣”工程，大力發(fā)展清潔能源[16]。而進(jìn)一步分析中國能源結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，中國的風(fēng)電、光伏等可再生能源占比明顯增長，但比例仍然較低[17]。而自2021年之后，尤其是“雙碳”目標(biāo)提出后，未來中國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變方向很可能直接從煤炭轉(zhuǎn)向新能源，且煤炭僅作為保障型能源供給。在雙碳目標(biāo)的指導(dǎo)下，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行靈活性改造已經(jīng)是大勢所趨，進(jìn)一步發(fā)展耦合儲能技術(shù)勢在必行，增加能源系統(tǒng)的存儲能力與節(jié)能力是必由之路[18]。在減少排放的同時增強(qiáng)對新能源的消納能力并逐漸建立新能源發(fā)電與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合的綜合能源系統(tǒng)對火電行業(yè)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

圖2 中國碳減排政策動態(tài)Fig.2 Trends of China's carbon emission reduction policies

1.3 機(jī)組耦合儲能技術(shù)形式

在雙碳目標(biāo)的指引下，將儲能技術(shù)與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相耦合是一個較為重要的發(fā)展方向。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合系統(tǒng)如圖3所示。可用于機(jī)組耦合儲能技術(shù)形式主要包括儲熱、蓄電、飛輪儲能、抽水蓄能、化學(xué)儲能等儲能裝置。儲能技術(shù)的調(diào)節(jié)能夠有效提高系統(tǒng)對多種能源需求的動態(tài)響應(yīng)能力。例如，楊挺等[19]通過研究熱電聯(lián)產(chǎn)耦合太陽能系統(tǒng)，提出了機(jī)組慣性功率補(bǔ)償方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方案能有效的縮短調(diào)節(jié)時間，適應(yīng)負(fù)荷的動態(tài)變化過程；Nurdan Burgu等[20]采用光伏板電池耦合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，分析其在醫(yī)院的應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)不僅提高了能效而且減少了二氧化碳排放；Shu-shuo Kang等[21]提出了熱電聯(lián)產(chǎn)耦合地源熱泵的能源系統(tǒng)，通過參數(shù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)比傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總效率提高了接近20%。

圖3 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of coupling system of cogeneration unit

2 潛在儲能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前用于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活性改造的技術(shù)主要包括擴(kuò)大熱電比、增設(shè)電熱轉(zhuǎn)換裝置以及耦合儲能系統(tǒng)[15]。其中擴(kuò)大熱電比、增設(shè)電熱轉(zhuǎn)換裝置屬于儲熱技術(shù)，是物理過程。耦合儲能技術(shù)則已涉及到了化學(xué)能轉(zhuǎn)化。潛在儲能具體技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀如下：Benjamin McDaniel等[22]對系統(tǒng)增加儲熱罐，不僅緩解系統(tǒng)熱負(fù)荷的要求，提高系統(tǒng)的靈活性，而且可以令熱電系統(tǒng)維持運(yùn)行在高效的區(qū)域。于波等[23]對混合儲能的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)建立能量管理模型并進(jìn)行并網(wǎng)仿真模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于蓄電池和超級電容器構(gòu)建的儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)能量管理中具有更好的協(xié)同優(yōu)勢，其通過優(yōu)化蓄電池的充放電過程，一方面延長了電池使用壽命的作用，另一方面為光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的平穩(wěn)可靠提供支撐。潛在儲能技術(shù)的分類以及其應(yīng)用場景如圖4所示。潛在儲能技術(shù)性能對比如表1所示。

表1 潛在儲能技術(shù)性能對比Tab.1 Comparison on performances of potential energy storage technology

圖4 潛在儲能技術(shù)的分類及應(yīng)用Fig.4 Classification and application of potential energy storage technologies

2.1 儲熱技術(shù)

采用儲熱技術(shù)可以讓機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時進(jìn)行儲熱，在低谷期可以作為熱源為熱網(wǎng)供熱，同時可以將儲存的熱量去加熱給水將熱量間接轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行供電。目前的儲熱技術(shù)可以細(xì)分為顯熱儲熱、潛熱儲熱與熱化學(xué)儲熱等，其具有的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。潛熱儲熱技術(shù)工作原理為熱能的儲存和釋放發(fā)生在材料的相變過程中，這令潛熱儲能密度明顯高于顯熱，且存放熱過程易于進(jìn)行熱量管控；但是潛熱儲熱技術(shù)存在儲熱介質(zhì)與容器的相容性差，相變材料較貴等不足。而潛熱儲熱技術(shù)中也包括熔鹽儲熱，熔鹽儲熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于蓄熱方式靈活，相比于其他儲能技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，初投資較低[26]。其基本原理為利用熔鹽自身比熱容，通過溫度的變化來進(jìn)行熱量的存儲與釋放。但是熔鹽儲熱技術(shù)由于熔巖凝固點(diǎn)較高的限制，容易造成集熱管管路堵塞，在實際應(yīng)用方面會有一些溫度上的限制。顯熱儲熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)集成的低成本和簡易性，儲能介質(zhì)具有環(huán)境友好性；但儲能密度低、集成系統(tǒng)體積龐大等不足制約該技術(shù)的推廣。儲能密度最大是熱化學(xué)儲熱技術(shù)相比于上述兩種儲熱技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)，其基本原理為利用物質(zhì)間的可逆化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)吸/脫附反應(yīng)的吸/放熱進(jìn)行熱量的存儲與釋放，因此儲熱期間的散熱損失極小，但熱化學(xué)儲熱技術(shù)也存在儲/釋熱過程復(fù)雜，不確定性大，控制難等不足[27]。

2.2 蓄電技術(shù)

目前的蓄電技術(shù)還可以細(xì)分為，鉛酸電池蓄電、釩液流電池蓄電、鋰離子電池蓄電、超級電容器蓄電技術(shù)等。其應(yīng)用匯總見表1。電化學(xué)電池的基本原理為利用電池材料化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)電能的存儲和釋放。鉛酸電池蓄電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于鉛酸電池性能可靠、價格低，可以在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，作為備用電源使用，但缺點(diǎn)為能量密度和功率密度均較低。釩液流電池的優(yōu)點(diǎn)在于電池壽命長、可深度放電、電解質(zhì)溶液可反復(fù)再生，卻也存在體積大、比能量低、密封性不好等問題。鋰離子電池具有能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)儲能方面有較強(qiáng)的競爭力。超級電容器具有電容量超高、功率密度大、充電速度快、充放電效率高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、免維護(hù)、安全無毒、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可以將機(jī)組多發(fā)的電儲存起來，提高機(jī)組的深度調(diào)峰能力。其不足之處表現(xiàn)為能量密度偏低，漏電流較大，單體工作電壓低，如何在保持其優(yōu)秀的功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步提升能量密度的是當(dāng)前重點(diǎn)研究方向[30-31]。

2.3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能基本原理為利用旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時的動能進(jìn)行能量存儲和釋放。利用飛輪裝置將電能儲存為機(jī)械能，是一種物理儲能方式，其技術(shù)的應(yīng)用匯總見表1。在谷值負(fù)荷時，可以將電能以機(jī)械能的形式儲存在飛輪之中，而峰值負(fù)荷到來時，將飛輪中的機(jī)械能釋放轉(zhuǎn)換為電能，滿足負(fù)荷。飛輪儲能技術(shù)具有功率密度高、充放電響應(yīng)速度快、使用壽命長、放電深度大、無環(huán)境污染、運(yùn)營成本低、安全風(fēng)險小等綜合優(yōu)勢[37]。電磁懸浮軸承支承式、超導(dǎo)磁懸浮軸承支承式和永磁-機(jī)械軸承混合支承式是三類不同的飛輪儲能系統(tǒng)[33]。其中電磁懸浮軸承需要有源控制；超導(dǎo)永磁軸承的運(yùn)行需要維持低溫環(huán)境；永磁軸承與小型螺旋槽流體動壓軸承的混合支承方式具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適用于小型飛輪（重量為數(shù)千克力到數(shù)十千克力），并且其摩擦功耗還有降低的潛力[34]。

3 耦合儲能技術(shù)的發(fā)展方向及相關(guān)建議

3.1 儲能技術(shù)協(xié)同調(diào)控

多種儲能技術(shù)的協(xié)同調(diào)控是進(jìn)一步降低投資成本，綜合提高系統(tǒng)性能的重要途徑之一。燃煤機(jī)組耦合儲能技術(shù)近幾年的發(fā)展如圖5所示。牟春華等[38]對火電機(jī)組與儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)頻研究，結(jié)果證實了耦合儲能可提升系統(tǒng)的調(diào)頻性能。隋云任等[39]對飛輪與常規(guī)火電機(jī)組耦合系統(tǒng)展開了調(diào)頻研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)能夠有效降低污染物排放以及避免非正常停機(jī)等情況。其中協(xié)同調(diào)控的主要內(nèi)容包括：（1）性能調(diào)配。儲能技術(shù)性能調(diào)配，可以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，減少兩區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線上交換功率的波動性。例如，何林軒等[10]對飛輪與600 MW火電機(jī)組耦合系統(tǒng)展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以減少系統(tǒng)頻率的偏差值，增大聯(lián)絡(luò)線上交換功率的穩(wěn)定，還能幫助飛輪儲能荷電狀態(tài)恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。（2）參數(shù)優(yōu)化。參數(shù)的優(yōu)化是指對原有系統(tǒng)耦合儲能技術(shù)后，其最佳運(yùn)行工況發(fā)生了改變，對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化能夠進(jìn)一步提高其機(jī)組性能。（3）區(qū)域規(guī)劃。通過區(qū)域劃分，構(gòu)建模型，進(jìn)而便于對此分析。（4）個例設(shè)定。以某種燃煤機(jī)組為例，通過具體的系統(tǒng)能力調(diào)研，確定更優(yōu)的各項參數(shù)，以使得整個系統(tǒng)收益最大。

圖5 燃煤機(jī)組耦合儲能技術(shù)年份發(fā)展圖Fig.5 Year development chart of coupling energy storage technology of coal-fired units

馬成龍等[40]通過系統(tǒng)性分析證明600 MW燃煤機(jī)組耦合飛輪儲能系統(tǒng)可以有效減少其響應(yīng)延遲，并能迅速跟隨AGC信號變動，最后在穩(wěn)定階段也能維持機(jī)組輸出功率始終保持在AGC信號附近波動。崔楊等[41]對儲熱電站與火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)度展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)度性能提升可有效提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 需要關(guān)注的問題和建議

飛輪儲能需要進(jìn)行長時間的連續(xù)調(diào)頻工作，因此我們需要關(guān)注儲能性能老化等相關(guān)問題，有利于飛輪儲能及燃煤機(jī)組的狀態(tài)在調(diào)頻過程中保持良好。

1）儲能性能老化。為保障燃煤劇組的安全運(yùn)行及減緩各裝置老化速度，增大收益，避免儲能性能老化具有重要意義。

2）新能源消納擴(kuò)容。新能源與燃煤機(jī)組相耦合既能夠避免能源短缺以及傳統(tǒng)能源帶來污染的問題，也能夠提升部分機(jī)組發(fā)電效率。王金星[15]對可再生能源與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相耦合展開了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將可再生能源產(chǎn)生的熱量經(jīng)過某些加熱器的旁路進(jìn)入燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提高其消納可再生能源的能力。

3）區(qū)域熱電負(fù)荷中長期變更。鄭明[42]對飛輪蓄能與火電機(jī)組耦合系統(tǒng)進(jìn)行變負(fù)荷控制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對1 000 MW火電機(jī)組甩負(fù)荷回路模塊優(yōu)化可達(dá)到較理想的效果。為了實現(xiàn)燃煤機(jī)組負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)，我們可以通過擴(kuò)大熱點(diǎn)比等，抵消熱電負(fù)荷的變更。

4）初投資與回收期的經(jīng)濟(jì)性分析。通過經(jīng)濟(jì)型分析，明確投資收益，為落實項目安排有著一定的指導(dǎo)意義。張興等[13]對飛輪與600 MW燃煤機(jī)組耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明飛輪儲能系統(tǒng)的超長壽命、快速功率響應(yīng)能力和高精度功率控制能力，可以增加火儲聯(lián)合調(diào)頻收益16 433 萬元，投入產(chǎn)出比達(dá)4.56。

4 結(jié)語

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的引導(dǎo)下，儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用已形成廣泛共識，在滿足“源-電”匹配性、提高原有燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力和電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性上扮演著重要角色。本文就燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)需求進(jìn)行綜述，同時對儲熱、蓄電以及飛輪儲能等具有應(yīng)用潛力的儲能技術(shù)進(jìn)行分析，提出了將燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與儲能技術(shù)相耦合的發(fā)展方向。最后綜合考慮燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合儲能技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，對耦合儲能技術(shù)的發(fā)展方向提出了需要關(guān)注的問題以及協(xié)同調(diào)控的相關(guān)建議，期望為儲能技術(shù)在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的應(yīng)用提供參考與借鑒。