通過火電廠靈活性改造技術的比較分析，提高汽輪機供熱能力、降低機組強迫出力的技術，如汽輪機旁路、低壓缸零出力和高背壓循環水供熱技術等，增加了電廠低負荷運行能力，但高峰負荷時的頂負荷能力也隨之降低，在新的輔助服務市場規則下，帶來調峰收益損失;電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱技術能夠大幅增加調峰能力，改造成本高、運行費用高;熱儲能技術在火電廠的應用，既能增加機組調峰深度，也能增加頂負荷能力，投資和運行成本較低，具有明顯優勢，通過對熔鹽、相變、熱水和混凝土儲熱技術在火電廠的應用分析比較，熔鹽和相變儲熱經濟性較差，熱水和混凝土儲熱具有較強的技術經濟優勢，而且混凝土儲熱密度更高，應用范圍更廣。

1、技術背景

在電力市場改革的背景下，清潔高效靈活運行已經成為火電行業轉型發展的重要目標，火電廠靈活性改造技術得到了越來越多的關注。選擇合適的靈活性改造技術是火電廠運營者最關心的問題，而這其中，靈活性改造成本，運行費用以及電力輔助服務市場規則下的調峰收益是選擇最合適改造技術的關鍵。最近發布的《東北電力輔助服務市場運營規則(暫行)》，市場規則得到進一步完善升級，新規則設計了尖峰旋轉備用市場日前競價機制，實現輔助服務市場“壓低谷、頂尖峰”全覆蓋，明確“能上能下”的雙向調峰機組才能獲得全部輔助服務收益，向火電機組提出了完整的靈活性標準，能夠激勵和引導火電廠采取合適的靈活性改造技術，全面提升機組調峰能力。

2、靈活性改造技術比較

目前火電廠靈活性改造主要面對的是“三北”地區供熱電廠在采暖季運行靈活性不足的問題，因此，提高供熱機組的調峰能力是靈活性改造的主要內容。供熱機組的靈活性改造主要分為三類，一是增加機組供熱能力，在滿足供熱負荷的條件下降低鍋爐出力，減小機組強迫出力，主要有汽輪機旁路供熱技術，低壓缸零出力供熱技術和高背壓循環水供熱技術等;二是電熱供暖調峰技術，將機組發出的電能轉化為熱能對外供暖，如電極鍋爐技術和電鍋爐固體儲熱技術;三是熱儲能調峰技術，將汽輪機內過剩的蒸汽熱能轉化為儲能介質的熱能存儲起來，如應用較多的熱水罐儲能技術，相變儲熱技術以及潛在的熔鹽熱儲能技術和混凝土儲熱技術等。

2.1、增加機組供熱調峰技術

增加機組供熱能力的調峰技術主要是將汽輪機內部蒸汽的做功份額減小，將其轉化為對外供暖的熱能，能夠降低汽輪機組的強迫出力，具有較強的調峰能力。汽輪機旁路供熱將做功能力較強的高溫高壓蒸汽抽出供熱，調峰潛力大，但存在較大的熱經濟損失，運行成本較高;低壓缸零出力技術將中壓缸排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，運行費用較低;低壓缸高背壓循環水供熱技術既保留低壓缸部分做功能力，又消除了冷源損失，具有最佳的熱經濟性和運行成本優勢，但一般需要更換專門的低壓缸轉子，改造費用較高。這些技術的共同特點是減少蒸汽在汽輪機內部做功，增加供熱，擴展機組的低負荷運行范圍，如下圖1所示：

圖1：增加機組供熱能力的調峰示意圖

從上圖可以看出，在供熱負荷(綠線)不變的情況下，有效降低了機組的最低負荷;但值得注意的是，這種靈活性改造技術只能增加機組的低負荷調峰能力，不能增加機組高峰負荷時的頂負荷能力，甚至高背壓循環水供熱改造會降低機組的頂負荷能力，按照最新的輔助服務市場規則，屬于“能下不能上”的靈活性改造技術，不能帶來全面的調峰收益。

2.2、電熱供暖調峰技術

電熱供暖調峰技術主要有電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱技術，不涉及熱電廠本體設備改造，對熱電廠正常運行影響較小。電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱直接消耗電能，減少熱電廠對外供電，以此增加低負荷調峰能力，具有調峰深度大，運行靈活性好的優勢，但缺點是投資成本高，運行成本高，適合市場初期收益較高的深度調峰市場需求，隨著越來越多電廠的加入輔助服務市場，深度調峰需求越來越少，在以拼成本的市場競爭中，以電能為熱源的供熱調峰技術將難以獲得競爭優勢。

2.3、熱儲能調峰技術

熱儲能調峰技術是將機組變負荷運行時出現的過剩蒸汽熱量轉化為儲熱介質的熱能存儲起來，當需要時將熱能釋放，以此增加機組靈活性的調峰技術。例如，在采暖季供熱蒸汽出現過剩時，將多余熱能存儲到儲熱設備中，當電力負荷處于低谷時，減小鍋爐負荷和汽輪機出力，滿足機組低負荷調峰要求，供熱不足的部分由儲熱設備補充;當電力負荷處于高峰時，增加鍋爐負荷，減少汽輪機對外供熱，增強機組的頂負荷能力，供熱不足的部分由儲熱設備補充;從熱電廠供熱特性圖來看，熱儲能相當于將固定的供熱需求轉化為可變的供熱需求，拓展了熱電廠調峰運行范圍，如下圖2所示。

圖2：熱儲能調峰示意圖

如上圖所示，熱儲能使熱電廠具備了“雙向”調峰能力，即可增加熱電廠低負荷運行能力，也能增加高峰期的頂負荷能力，可以獲得完整的調峰收益，而且由于采用蒸汽作為熱源，熱儲能的熱經濟性好，運行成本低，因此熱儲能調峰技術具有最佳的技術經濟競爭優勢。

3、熱儲能技術在火電廠中的應用

3.1、熔鹽儲熱技術的應用

熔鹽熱儲能技術由于工作溫度高，比熱容高，熱穩定性好，蒸汽壓力低的優勢，已經在太陽能光熱發電領域得到了廣泛應用，如由多元硝酸無機鹽組成的Solarsalt鹽，Hitec鹽和HitecXL鹽等，另外，美國Sandia國家實驗室和Halotechnics公司以及國內的北京工業大學等單位在積極研制新型的低熔點熔鹽，希望能夠進一步拓展熔鹽溫度利用范圍，降低熱儲能成本。這些熔鹽的主要參數如下表1所示：

表1：熔鹽技術參數表

以上熔鹽體系中，熔點在100℃以下的熔鹽配方中均含有價格較高的LiNO3，而且含有Ca(NO3)2的混合熔鹽在熔點溫度附近的粘度較大，適宜的工作溫度均在100℃以上;另外美國Halotechnics公司的熔鹽具有較低的熔點，但含有價格昂貴的CsNO3，因此這些熔鹽雖然有熔點低的優勢，但普遍存在價格較高、推廣應用難度大的問題。

從火電廠蒸汽生產流程及熔鹽的儲熱換熱特點來看，熔鹽熱儲能適用于高溫高壓蒸汽的熱能存儲，可以在汽輪機高壓旁路或者再熱器出口設置熔鹽儲熱系統，如下圖3所示。

圖3：熔鹽熱儲能在汽輪機旁路系統的應用示意圖

在實際中，無論是高溫高壓的主蒸汽還是過熱度很高的再熱蒸汽，載熱密度低，且蒸汽高溫潛熱需要維持高壓，向熔鹽換熱需要采用換熱面積較大的高壓厚壁換熱器，導致換熱效率低下且成本高;如果為減小換熱器設計制造難度和降低成本，增大換熱溫差，則會減小熔鹽溫度利用區間，帶來熔鹽用量的大幅增加，從而導致熱儲能成本大幅增加，因此，利用高溫高壓蒸汽向熔鹽換熱儲熱，工程實施難度大且成本高，技術經濟可行性低。

相對于換熱難度較大的高溫高壓蒸汽，回熱系統的鍋爐給水是一個相對理想的熱源，在高加旁路安裝熔鹽儲熱裝置，如下圖4所示，進行熱能的存儲和釋放，可快速調節汽輪機負荷，能夠實現電力調頻和調峰。

圖4：熔鹽熱儲能在火電廠回熱系統的應用

在汽輪機抽汽回熱系統的給水旁路設置熔鹽熱儲能系統，利用調節流經高加的鍋爐給水流量，改變各級高加的抽汽量，從而快速調節汽輪機輸出功率;當降負荷時，增加給水流量，更多蒸汽抽入高加，汽輪機出力減少，多余的鍋爐給水經過換熱器將熱能存儲到熔鹽罐;當增加負荷時，減少流經高加的給水流量，減小汽輪機抽汽，增加汽輪機功率輸出，其余的鍋爐給水經由熔鹽罐加熱后送入鍋爐，從而滿足調峰需求。

值得注意的是，目前大型熱電廠低負荷時的鍋爐給水溫度一般不超過250℃，即使采用價格較貴的低熔點熔鹽，熔鹽儲熱系統的工作溫度利用范圍僅為100℃~120℃左右，熔鹽顯熱利用效率較低，導致熔鹽用量和儲能成本增加，熱儲能經濟性較差。

3.2、相變儲熱技術的應用

相變儲熱技術是利用儲熱體在發生相變時需要吸收或釋放相變潛熱的原理進行熱能的存儲和利用，優點是儲熱和放熱溫度變化小，儲熱密度高。目前的中高溫相變儲熱系統中，普遍采用無機鹽混合物作為相變材料，存在相變過程導熱系數低的問題，需要采取多種傳熱強化措施，如增加換熱翅片或導熱劑等，導致中高溫相變儲熱系統成本較高，工程實施難度大。

中低溫相變儲熱技術在熱電廠已有工程應用，如內蒙古豐泰熱電廠相變儲熱項目，儲熱容量為20MWh，采用復合二元鹽相變材料，相變溫度為92℃;儲熱系統采用汽輪機中壓抽汽為熱源，加熱除鹽水為相變儲熱裝置充熱，放熱時，儲熱裝置加熱除鹽水向熱網循環水放熱。該項目將相變儲熱技術用于供暖調峰，但儲能規模小，儲熱溫度低，作為示范項目難以達到商業化項目的經濟性要求。

除了供暖儲熱外，相變儲熱技術更適合多種溫度區間銜接的儲熱應用場合，如火電廠的回熱系統，能夠實現電力調頻調峰功能，如下圖5所示。

圖5：相變儲熱在火電廠回熱系統的應用

在鍋爐給水旁路接入中高溫相變儲熱裝置，在凝結水旁路接入低溫相變儲熱設備;當需要降負荷時，增加鍋爐給水流量和凝結水流量，增大回熱抽汽，使汽輪機出力降低，多余的給水和凝結水流經相變儲熱器將熱能存儲;當需要增加負荷時，部分鍋爐給水和凝結水經過儲熱器換熱升溫，減少回熱抽汽，增加汽輪機出力。

相變儲熱技術用于火電廠回熱系統，不僅儲能密度高，負荷調節速度快，而且不受供暖季限制，可以全年調頻調峰，但需要優化相變儲熱系統的儲熱換熱性能，進一步降低成本。

3.3、熱水儲能技術的應用

火電廠熱水儲能技術在國內外已有廣泛應用，主要用于熱電廠供暖季熱電解耦，提高供熱機組的運行靈活性;工作原理是供熱蒸汽流量出現過剩時，將多余熱能轉化為熱水并存儲到熱水罐中，當電力需求處于低谷時，減小鍋爐和汽輪機出力，供熱不足的部分由熱水罐補充;當電力需求處于高峰時，增加鍋爐出力，減少汽輪機對外供熱，增強電廠的頂負荷能力，供熱不足的部分由熱水罐補充。

實際工程一般采用單罐熱水斜溫層儲熱方式，利用水的溫度密度差特性，熱水存儲在儲罐的上部，冷水在儲罐的下部，熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層，如下圖6所示。單罐斜溫層儲熱技術實現了一個罐體同時儲存高低溫水，簡化了儲熱系統配置，降低了造價。目前單罐熱水儲能的工程應用較多，運行經驗豐富，技術成熟可靠。

圖6：單罐熱水儲能在火電廠的應用

以蒸汽為熱源的熱水儲能，投資成本和運行費用較低，既能夠增加熱電廠的低負荷運行能力，也能夠增加高峰時段的頂負荷能力，具有較強的技術優勢和市場競爭力。但同時，熱水儲能也存在儲熱密度低，空間占用大的問題，尤其是城市區域的熱電廠改造，由于占地方面的限制，采用熱水儲能技改存在一定難度。

3.4、混凝土熱儲能技術的應用

混凝土熱儲能作為一種太陽能光熱發電技術中低成本熱儲能解決方案，是一種高效、大規模、低成本的中高溫顯熱儲能技術，技術示意圖如下圖7所示。

圖7：混凝土儲熱原理示意圖

耐高溫混凝土內部設置換熱介質流通管道，高溫傳熱介質通過換熱管道，釋放熱能，混凝土作為儲熱介質，溫度升高，儲存熱能;放熱時，混凝土將熱能傳導至傳熱介質，溫度降低，完成熱能釋放;混凝土儲熱的主要材料是鋼筋和水泥，獲取方便，成本低，安全性好，運輸方便，便于模塊化設計制造。

混凝土是一種性能優良、造價低廉的太陽能光熱發電領域顯熱儲熱材料，國內外科研機構均開展了針對高溫混凝土材料的研究，如德國DLR，國內武漢理工大學和中國科學院等，主要目標是提高混凝土儲熱系統的換熱儲熱性能，增加比熱容和導熱系數，降低建設成本等。不同于光熱發電領域的高溫高壓蒸汽熱能的存儲與輸出，火電廠熱儲能的需求是高溫蒸汽熱量輸入和中低溫蒸汽甚至熱水的熱量輸出，能夠大幅降低混凝土儲熱的技術要求，有利于混凝土儲熱單元的換熱和儲熱優化設計，進一步降低儲熱成本。

混凝土換熱儲熱一體，溫度適應范圍廣，能夠直接儲存高溫高壓水蒸氣熱能，有效解決火電廠高溫高壓蒸汽的換熱儲熱難題，匹配火電廠熱儲能的技術要求，例如，可直接應用于熱電廠供暖蒸汽熱能存儲，如下圖8所示，實現熱電解耦，提高機組運行靈活性。

圖8：混凝土儲熱在火電廠的應用

當供暖蒸汽出現過剩時，將多余蒸汽導入混凝土儲熱單元存儲熱能，蒸汽冷卻后送入冷凝水箱或排入凝汽器，當電力需求處于低谷時，減小鍋爐負荷，降低汽輪機出力，供暖蒸汽不足的部分由混凝土儲熱單元加熱冷凝水產生蒸汽補充;當電力需求處于高峰時，增加鍋爐出力，減少汽輪機對外供熱，增強電廠的頂負荷能力，供熱不足的部分由混凝土儲熱單元產生蒸汽補充。

與單罐熱水儲能相比，混凝土熱儲能安全性好，儲熱溫度高，儲能密度高，成本低廉，而且混凝土儲熱的熱能輸出形式多樣，即可輸出熱水用于民用供暖，也能輸出蒸汽用于工業供熱，具有較好的經濟性優勢和市場應用潛力。

4、結論

火電廠靈活性改造技術中，采用增加機組供熱能力的方法，如汽輪機旁路供熱，低壓缸零出力和高背壓循環水供熱技術等，能夠有效降低機組的強迫出力，提高電廠低負荷運行靈活性，但會降低機組在負荷高峰時的頂負荷能力，在新的輔助服務規則下面臨調峰收益損失。

采用電熱供暖調峰技術，如電鍋爐固體儲熱，電極鍋爐等，投資成本高，以電能為熱源，運行費用高，在輔助服務市場中競爭力不足。

火電廠采用熱儲能調峰技術，既能增加機組的低負荷運行能力，也能增加負荷高峰時的頂負荷能力，運行費用低，具備較好的經濟優勢。

通過對熔鹽熱儲能、相變儲能、熱水儲能和混凝土熱儲能幾種技術在火電廠應用的方案對比，可得出如下表2結論：

表2：熔鹽、相變、熱水和混凝土熱儲能在火電廠應用的技術對比

綜合多種熱儲能技術在火電廠應用的分析比較，可以得出：

(1)熔鹽熱儲能和相變儲能適合汽輪機回熱系統的熱儲能，但存在成本高，經濟性較差的問題;

(2)熱水儲能投資成本低，經濟性較好，但儲能密度小，占地大，應用場合存在一定限制;

(3)混凝土熱儲能成本低，儲能密度較高，應用溫度范圍廣，即可用于民用供暖，也可用于工業供熱，具有較好的經濟可行性和市場應用潛力。