2022年12月初,西安熱(re)工研(yan)究(jiu)院總(zong)包的國(guo)(guo)信靖江熔鹽儲熱(re)項(xiang)目成功投(tou)運(yun),該項(xiang)目是我(wo)國(guo)(guo)首個熔鹽儲熱(re)技術耦合煤(mei)電機組(zu)項(xiang)目,為(wei)我(wo)國(guo)(guo)火電機組(zu)實施(shi)熔鹽儲熱(re)改造提供了樣板。
在6月(yue)13日(ri)于浙江杭州召(zhao)開的(de)2023中國(guo)國(guo)際光熱(re)大(da)會(hui)暨CSPPLAZA第十(shi)屆年(nian)會(hui)上,西安(an)熱(re)工研究院節能中心汽輪機靈(ling)活運(yun)行(xing)(xing)技(ji)術研究所副所長(chang)王偉就《熔鹽儲熱(re)耦(ou)合煤電機組(zu)調(diao)頻調(diao)峰及安(an)全供(gong)汽技(ji)術》作了主題匯(hui)報,匯(hui)報以國(guo)信靖江應用示范項目為例,從多方面(mian)出發,詳細闡(chan)述了熔鹽儲熱(re)與煤電機組(zu)耦(ou)合集成與靈(ling)活運(yun)行(xing)(xing)技(ji)術的(de)優(you)勢。
▲西安熱工研(yan)究(jiu)院(yuan)節能(neng)中(zhong)心汽輪機(ji)靈(ling)活運行技(ji)術研(yan)究(jiu)所副所長王偉
1
項目背景
2021年3月15日,總(zong)書記在中央財經(jing)委員會第九次會議上對能(neng)源(yuan)電力(li)(li)發(fa)展作出了系(xi)統闡述,首次提出構建新型電力(li)(li)系(xi)統;黨的(de)二十大(da)報告(gao)強調(diao)加(jia)快規(gui)劃建設新型能(neng)源(yuan)體系(xi),為新時代(dai)能(neng)源(yuan)電力(li)(li)發(fa)展提供了根本遵循;截止2022年底,全國發(fa)電總(zong)裝機容量25.6億千瓦(wa)(wa)(wa),火電13.3億千瓦(wa)(wa)(wa),其(qi)中煤電11.4億千瓦(wa)(wa)(wa),煤電裝機占比43.8%,提供了60%以上的(de)電量和70%的(de)調(diao)峰任務(wu)。
可(ke)以(yi)看到,新型能源體系中,新能源通(tong)過(guo)提升(sheng)可(ke)靠支撐能力(li)逐步向系統(tong)主體電(dian)源轉變(bian)。煤(mei)(mei)電(dian)仍是電(dian)力(li)安(an)(an)全保障(zhang)的“壓(ya)艙石”,承(cheng)擔(dan)(dan)基(ji)礎保障(zhang)的“重擔(dan)(dan)”。儲(chu)能技術(shu)具有響應速度(du)快、精度(du)高(gao)、控(kong)制(zhi)靈(ling)活等優勢,可(ke)彌補煤(mei)(mei)電(dian)機組靈(ling)活運行(xing)的短板,緩解(jie)機組靈(ling)活運行(xing)的經濟性和(he)安(an)(an)全可(ke)靠性等問(wen)題。
2
煤電機組的技術需求
王偉(wei)指出(chu),煤電機組的技術(shu)需(xu)求主(zhu)要包含(han)四個方面:
(1)煤電機組高參數(shu)供汽能力不足
煤電機組(zu)受設備固有特性(xing)影響(xiang),缺乏大流量高參數工業供汽能(neng)力,需進行較大規模(mo)的不可逆改造。
(2)煤電(dian)機(ji)組(zu)與(yu)高參(can)數(shu)供汽解耦(ou)難(nan)題
高(gao)參數供汽機組抽汽位置靠前,與低(di)參數采暖供汽相比,熱電(dian)耦合特性更強(qiang),缺(que)乏有效(xiao)的解耦手段。
(3)熱電聯產機組調(diao)頻能力有限(xian)
受供汽參數穩(wen)定性要求,供汽機(ji)組(zu)調頻能力(li)嚴重受限,機(ji)組(zu)難以(yi)參與輔(fu)助服務市場。
(4)現(xian)有(you)儲能(neng)技術(shu)難以解決多樣(yang)需(xu)求
電(dian)(dian)化學儲能主要用(yong)于輔助煤(mei)電(dian)(dian)機組AGC調(diao)頻場景;電(dian)(dian)蓄(xu)熱鍋爐適用(yong)于低參數采暖(nuan)供汽(qi)機組的(de)深度調(diao)峰。
綜上,煤(mei)(mei)電(dian)功能(neng)定位的(de)(de)(de)調整給靈活高效的(de)(de)(de)煤(mei)(mei)電(dian)技術發展(zhan)(zhan)帶來新(xin)的(de)(de)(de)契機,熔鹽儲熱作為安(an)全可靠且價格低(di)廉的(de)(de)(de)儲能(neng)技術,適用(yong)于(yu)大規模頻繁儲放的(de)(de)(de)場景,其各(ge)項優勢(shi)與煤(mei)(mei)電(dian)機組的(de)(de)(de)需求和(he)發展(zhan)(zhan)方向較為契合。
3
儲能技術研究現狀
對各種儲(chu)能技術進行對比,不(bu)難(nan)發現熔鹽儲(chu)熱(re)不(bu)管從儲(chu)能容量還是儲(chu)能時長(chang)上來(lai)說都有很大的優勢。
當前新能源(yuan)大規模(mo)接入電(dian)網,新能源(yuan)發(fa)電(dian)的隨機波動(dong),對電(dian)網的靈活性(xing)(xing)(xing)調整(zheng)提出(chu)了更迫切的需(xu)求,但(dan)煤電(dian)機組由于超馳調節以及電(dian)熱流強耦合特(te)性(xing)(xing)(xing),其(qi)自身靈活性(xing)(xing)(xing)調整(zheng)能力有待進一(yi)步提高(gao),因此電(dian)網對于煤電(dian)機組高(gao)靈活性(xing)(xing)(xing)的需(xu)求和煤電(dian)機組自身靈活性(xing)(xing)(xing)不足之(zhi)間(jian)的矛盾日益突出(chu)。
熔鹽儲熱技術具有高安(an)全、低(di)成(cheng)本、大規模、長壽命、易回收等(deng)特(te)(te)點,應用(yong)于提高煤電(dian)機組靈活性及高參數工業(ye)供汽等(deng)方(fang)面有獨特(te)(te)的優勢。
下圖是(shi)西安熱(re)工院在國信靖江示范項目中(zhong)所(suo)用(yong)熔鹽的三(san)種狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態,左一是(shi)未熔化之前(qian)固(gu)體狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態;中(zhong)間(jian)是(shi)熔化之后(hou)取樣(yang)的液(ye)體狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態;右一是(shi)液(ye)體凝固(gu)之后(hou)的狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態。
目(mu)前國(guo)內外關于熔鹽儲熱技術(shu)的研究主要集中在兩個(ge)方面(mian):
第一,配(pei)(pei)方研究(jiu)。國內研究(jiu)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)的(de)團隊(dui)主要以(yi)北京工業大學(xue)、中山大學(xue)和(he)中國科(ke)學(xue)院上海應用物理研究(jiu)所(suo)為代表,整體來看目前針對混合(he)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)配(pei)(pei)方的(de)研究(jiu)已經相(xiang)對成(cheng)熟,提出了適(shi)應不同(tong)工作溫度的(de)多(duo)種熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)配(pei)(pei)方,最低熔(rong)(rong)點可以(yi)降低至80℃,最高使(shi)用溫度能超過1000℃,此外熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)密度、比(bi)熱和(he)粘度等相(xiang)關物性數據也比(bi)較完(wan)善(shan)。
目前應用范圍最廣的(de)熔(rong)鹽是(shi)太陽鹽(二元(yuan)鹽)、希特斯鹽(三元(yuan)鹽)。
第二,應用研究。全球已商業化運行的(de)(de)太陽能光熱(re)(re)發電站基本均使用熔鹽作為儲熱(re)(re)介(jie)質;國內(nei)部分地區在煤改電中采(cai)用“低谷電+熔鹽儲熱(re)(re)”供暖的(de)(de)技術方案(an)。
熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)應用于(yu)煤電機組靈活性(xing)和高(gao)參(can)數工業供汽領域,在國內外相關研究中未見能夠支持(chi)工程示范(fan)的應用技術(shu)研究。
西安熱工研究院承擔的(de)“國信(xin)靖(jing)江電廠(chang)基于熔鹽儲能的(de)煤電機(ji)組(zu)調頻(pin)、調峰(feng)、供熱安全(quan)整體解(jie)決方案EPC項(xiang)目”是熔鹽儲熱技(ji)術(shu)首次(ci)大規模(mo)工程(cheng)應用于解(jie)決燃煤機(ji)組(zu)靈活性(xing)與安全(quan)供熱的(de)難題。
▲國(guo)內外關于熔鹽儲熱技(ji)術的專利統計情況(kuang)
上圖是西安熱工院(yuan)對于熔(rong)鹽儲(chu)(chu)熱專(zhuan)(zhuan)利情況(kuang)的統計(ji),可以看到,熔(rong)鹽儲(chu)(chu)熱相關(guan)專(zhuan)(zhuan)利從(cong)2005年開(kai)始快速增長,2022、2023年達到峰值。
▲2023年3月底專利統計數據
在2023年(nian)3月底(di)的專(zhuan)利統(tong)計數據中,西安熱工研(yan)究院僅熔鹽儲熱相(xiang)關(guan)專(zhuan)利申請數達(da)173項,位列國內第(di)二。
4
熔鹽儲熱與煤電機組耦合集成與靈活運行技術
熔鹽儲熱(re)在煤電(dian)機(ji)組靈活性、風光火儲一體(ti)化(hua)、源網荷儲一體(ti)化(hua)、光熱(re)電(dian)站(zhan)、獨立(li)儲能電(dian)站(zhan)、鍋(guo)爐替代、供熱(re)供汽、深度調峰及電(dian)網調頻方(fang)面(mian)都會有(you)很大的應用前(qian)景。
西安(an)熱(re)工院(yuan)長期從事火(huo)(huo)電(dian)機組研究,對于火(huo)(huo)電(dian)機組存(cun)在(zai)的(de)問(wen)題以及電(dian)網(wang)對于火(huo)(huo)電(dian)機組的(de)要(yao)求比(bi)較清(qing)楚,西安(an)熱(re)工院(yuan)的(de)整(zheng)體解決方(fang)案可(ke)(ke)解決調峰、調頻、供熱(re)等多(duo)方(fang)面存(cun)在(zai)的(de)問(wen)題,亦可(ke)(ke)滿足(zu)目前火(huo)(huo)電(dian)廠(chang)普遍存(cun)在(zai)的(de)諸多(duo)需求。
2022年12月(yue),靖江電廠熔鹽儲能調(diao)峰供熱(re)項(xiang)(xiang)目投產,受到(dao)各大(da)媒體的(de)爭相報道。該項(xiang)(xiang)目在2×USC660MW機組(zu)開展工(gong)程(cheng)示(shi)范,整(zheng)個(ge)項(xiang)(xiang)目容量為40MW、80MWh,西安(an)熱(re)工(gong)院在實現深度(du)(du)調(diao)峰與(yu)供熱(re)供汽解耦,在保證(zheng)50t/h工(gong)業(ye)供汽供汽的(de)同(tong)時,機組(zu)深度(du)(du)調(diao)峰可以達(da)到(dao)30%以下,頂(ding)峰到(dao)95%以上(shang)(shang)。機組(zu)調(diao)頻能力也大(da)幅度(du)(du)提高,AGC的(de)考核指(zhi)標(biao)提高300%以上(shang)(shang),機組(zu)升降負(fu)荷速率(lv)達(da)到(dao)3%Pe/min以上(shang)(shang),而國內(nei)火電機組(zu)爬坡速率(lv)普遍處于1-1.5%Pe/min的(de)水(shui)平(ping)。
在機組原(yuan)有CCS控制的基礎上實現了機爐儲的聯合(he)協(xie)調(diao)優化(hua),采(cai)用儲能(neng)系統盡(jin)量去響應電網調(diao)整需求,鍋爐可以在更安全可靠的工(gong)況下(xia)運(yun)行,汽(qi)輪(lun)機也以更經濟的方式(shi)運(yun)行。同時也具備啟動鍋爐的角色。
江(jiang)蘇(su)方天電力技術有限公(gong)司完成的靖江(jiang)熔(rong)鹽項目試驗報告顯示(shi),靖江(jiang)熔(rong)鹽項目電能質(zhi)量合(he)格、變負荷(he)速率和(he)AGC調(diao)節精度遠(yuan)高于電網要求、一次調(diao)頻完全滿(man)足電網要求。
上圖是江蘇(su)省2019年(nian)(nian)到2022年(nian)(nian)電網深度調峰補(bu)貼,可以看出江蘇(su)電網對于調峰的支持力度非常(chang)大,而(er)且逐年(nian)(nian)增加。
現貨交易模式下盈利方式
自(zi)2021年11月,國(guo)家(jia)能源局山東(dong)(dong)(dong)監管(guan)辦、山東(dong)(dong)(dong)省(sheng)發(fa)改委、山東(dong)(dong)(dong)省(sheng)能源局、國(guo)網山東(dong)(dong)(dong)省(sheng)電(dian)力(li)公司(si)聯合發(fa)布(bu)了《關于開(kai)展(zhan)山東(dong)(dong)(dong)省(sheng)電(dian)力(li)現貨(huo)市場(chang)2021年12月結算(suan)試(shi)運行的通知(zhi)》,現貨(huo)市場(chang)已(yi)實(shi)現連續結算(suan)試(shi)運行。
以(yi)上圖2021年年底以(yi)及2022年年初山東現(xian)貨(huo)交易(yi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)(chang)典型日為例,波谷電價低至-0.08元/kWh,波峰電價高(gao)達0.966元/kWh。現(xian)貨(huo)交易(yi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)(chang)已(yi)日漸成(cheng)熟(shu),并已(yi)呈(cheng)現(xian)基本(ben)的(de)市(shi)(shi)場(chang)(chang)(chang)規律,交易(yi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)(chang)體(ti)系(xi)的(de)完善為新能源的(de)進(jin)一(yi)步發展創造(zao)有(you)益空間,也給煤電機組的(de)運營方式調整(zheng)帶來了(le)新挑戰和機遇。
西安(an)熱工(gong)研究(jiu)院項(xiang)目研究(jiu)團隊,近幾年在(zai)煤(mei)電靈(ling)活性(xing)提升(sheng)領域開(kai)展多(duo)項(xiang)國家(jia)級科(ke)技(ji)攻關和示范項(xiang)目,獲(huo)得(de)豐富的科(ke)研成(cheng)果。并(bing)與行(xing)業(ye)內知名高校和科(ke)研單位建立了(le)深厚的合作基礎。
由(you)于傳統(tong)(tong)的(de)燃煤發(fa)(fa)電機(ji)組(zu)和(he)熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱是兩個(ge)獨立(li)且相對完善的(de)系統(tong)(tong),打破(po)兩個(ge)系統(tong)(tong)原有的(de)平衡,再(zai)建立(li)新的(de)耦(ou)合系統(tong)(tong)平衡,難度可想而知。靖(jing)江熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱示范項(xiang)目投(tou)運之后,王(wang)偉所(suo)長有感而發(fa)(fa),寫了(le)一篇小記,他以這首小記結束了(le)他的(de)匯報,與同行(xing)共勉:
《新水調歌頭·逆水行舟》
壬寅(yin)之(zhi)(zhi)(zhi)冬,葭月上弦。北望馬洲之(zhi)(zhi)(zhi)空,南眺長江之(zhi)(zhi)(zhi)遠。念吾輩所從之(zhi)(zhi)(zhi)事,幸甚至哉,歌以(yi)詠志。
辛丑新冬(dong),吾率眾至馬(ma)洲,初臨,地闊土坪,草色尚存(cun)。立(li)冬(dong)之日(ri)破(po)土筑(zhu)臺,直至年關方出(chu)視平(ping),深(shen)知(zhi)根(gen)基乃萬(wan)物(wu)之本,不敢(gan)懈怠,事必躬(gong)親,領寒冬(dong)江風(feng)之滲,懷久違熱(re)血之燃。
壬(ren)寅(yin)新(xin)(xin)春(chun),再返故地,高臺之(zhi)(zhi)(zhi)上,始做新(xin)(xin)篇(pian)。仲夏之(zhi)(zhi)(zhi)時,深受(shou)滬疫之(zhi)(zhi)(zhi)害(hai),物不(bu)(bu)能達,人(ren)不(bu)(bu)能至(zhi),急切焦慮,度日如年。創新(xin)(xin)之(zhi)(zhi)(zhi)路,坎坷(ke)曲折,頻生前(qian)(qian)人(ren)未(wei)遇之(zhi)(zhi)(zhi)險阻。當是(shi)時也,屢上閣樓,望長江之(zhi)(zhi)(zhi)空流,愁目下之(zhi)(zhi)(zhi)迷霧,斷前(qian)(qian)行(xing)(xing)之(zhi)(zhi)(zhi)方向,堅破冰之(zhi)(zhi)(zhi)信念。幸得(de)團隊之(zhi)(zhi)(zhi)韌之(zhi)(zhi)(zhi)智,日夜兼程,披荊斬棘,攻(gong)堅克難(nan),砥礪前(qian)(qian)行(xing)(xing)。究(jiu)怪疾之(zhi)(zhi)(zhi)本,探解(jie)決(jue)之(zhi)(zhi)(zhi)道,存新(xin)(xin)念之(zhi)(zhi)(zhi)法(fa),方得(de)今日之(zhi)(zhi)(zhi)果。
時至今日,觀漸(jian)善之(zhi)閣,如吾之(zhi)愛(ai)子,愛(ai)之(zhi)心切,惱之(zhi)頑劣(lie)。回(hui)望往昔,道阻且長,感念吾父母,吾師長,吾兄弟(di),吾妻子之(zhi)助,臨表涕零,不知(zhi)所言(yan)。
望吾輩之(zhi)業,為行業之(zhi)光,則心(xin)甚慰。