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傳統(tǒng)煤電能否轉(zhuǎn)型為大規(guī)模、高效“電池”?
日期:2024-01-30   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:simaran_sxj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池及其性能分析

邵明軒,孫楊,張祥,許誠,李棟,吳瑞鵬,王德昌

(青島大學(xué);華北電力大學(xué);國網(wǎng)浙江省電力有限公司)

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.223261

1 研究背景

發(fā)展新能源電力是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路。風(fēng)電、光伏等技術(shù)具有間歇性、反調(diào)峰性,需要配置大規(guī)模電力存儲(chǔ)技術(shù)來維持電力系統(tǒng)極端工況的供求平衡。探索高效率、低擴(kuò)容成本、不依賴地質(zhì)條件、適應(yīng)較長儲(chǔ)能周期的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),是增強(qiáng)電網(wǎng)韌性、保障新能源電力持續(xù)高速發(fā)展的重要課題。

將熱能作為儲(chǔ)電媒介的卡諾電池,具有擴(kuò)容成本低、不受地理?xiàng)l件約束的特點(diǎn),有望成為大規(guī)模、長周期電力存儲(chǔ)的技術(shù)選項(xiàng)。不過,作為大功率儲(chǔ)能技術(shù),兩類典型的卡諾電池(布雷頓型、朗肯型)分別面臨著關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟度低、能效低等問題。對(duì)于朗肯型卡諾電池圖1(a)),是否可以在保留技術(shù)成熟度優(yōu)勢(shì)的同時(shí),讓熱泵的產(chǎn)熱以更高能級(jí)釋放、從而適應(yīng)更高效的放電循環(huán)、進(jìn)而提高儲(chǔ)能效率,是值得研究的問題。



圖1 常規(guī)朗肯型卡諾電池(a)與依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池(b)的能量轉(zhuǎn)化模式對(duì)比

低階煤(褐煤、次煙煤等)的預(yù)干燥是近年受到廣泛關(guān)注的大型電站節(jié)能途徑:利用大型電站的余熱或低品位熱去除一部分低階煤的水分,可以顯著降低鍋爐的排煙熱損失,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。事實(shí)上,低階煤的預(yù)干燥可將100~300℃溫區(qū)的熱能,轉(zhuǎn)化為1800℃左右的燃燒熱,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為500~600℃的主蒸汽熱能,這一過程實(shí)現(xiàn)了低品位熱能的提質(zhì)。而干燥低階煤的短期存儲(chǔ)也可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的目標(biāo)?;谶@一思路,本研究提出一種卡諾電池的新模式,即依托低階煤電站布置的、具有“提質(zhì)儲(chǔ)熱”特征的卡諾電池(圖1(b)),有望打破儲(chǔ)熱溫度對(duì)儲(chǔ)能效率的制約;同時(shí),卡諾電池與電站的耦合集成,有望改善電站的調(diào)峰能力與碳排放水平。

2 系統(tǒng)描述:依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池

本研究提出了低階煤電站與朗肯型卡諾電池的耦合互補(bǔ)系統(tǒng)(圖2)。這一復(fù)合能量系統(tǒng)由三個(gè)核心單元構(gòu)成:

(1)充電單元:主要包括熱泵循環(huán)(與常規(guī)低溫卡諾電池的充電單元相同)和干燥機(jī)。充電單元的性能可以借助電站抽汽提升。

(2)儲(chǔ)能單元:主要包括干燥煤冷卻器與儲(chǔ)倉。充電單元產(chǎn)生的干燥煤,首先需滿足此時(shí)的電站用煤需求,剩余的將儲(chǔ)存在干燥煤儲(chǔ)倉中。

(3)放電單元:直接使用低階煤電站作為卡諾電池的放電單元。



圖2 依托低階煤電站的提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池的核心流程示意圖

3 案例分析與性能評(píng)價(jià)  

結(jié)合典型300 MW低階煤發(fā)電機(jī)組構(gòu)建了案例系統(tǒng)(圖3),按照“24小時(shí)內(nèi)干燥煤供求平衡”的原則設(shè)計(jì)了運(yùn)行案例,進(jìn)而深入地剖析了充、放電過程的能量轉(zhuǎn)化特性(圖4)與運(yùn)行特性(圖5)。結(jié)果表明:

(1)在深度調(diào)峰階段,卡諾電池的充電功率可達(dá)到21.27 MW,電站最小技術(shù)出力小幅降低2%,二者將共同提升電站的深度調(diào)峰能力(以充電為主導(dǎo))。若通過“一拖二”等方式拓展干燥煤需求,充電功率、電站的深度調(diào)峰能力有望進(jìn)一步提升。24小時(shí)內(nèi),相較于傳統(tǒng)燃煤電站,耦合系統(tǒng)可多消納新能源電力165.5 MWh,日均儲(chǔ)能密度約64.3 kWh/t。

(2)日均儲(chǔ)能效率可達(dá)73.87%。若考慮電站抽汽的能量成本,總體儲(chǔ)能效率仍可達(dá)到66.47%,顯著高于利用相同抽汽的常規(guī)朗肯型卡諾電池(44.54%)。低階煤的提質(zhì)效應(yīng)使卡諾電池可以利用蒸汽朗肯循環(huán)替代效率較低的有機(jī)朗肯循環(huán),這是儲(chǔ)能效率顯著提高的主要原因。

(3)相較于常規(guī)電站,耦合系統(tǒng)單日可實(shí)現(xiàn)碳減排3.56%(134.52噸),主要原因在于夜間棄電對(duì)日間發(fā)電需求的高效替代。



圖3 案例系統(tǒng)



圖4 能量轉(zhuǎn)化分析圖



圖5 常規(guī)低階煤電站與耦合系統(tǒng)的深度調(diào)峰能力對(duì)比

進(jìn)而,探究了集成的充電循環(huán)功率對(duì)各單元性能的影響(圖6)。結(jié)果表明:

(1)隨著充電功率的提升,電站最小技術(shù)出力降幅較?。?.09~2.66%,1.0~4.0MW),且邊際效應(yīng)逐漸減弱。主要原因在于低壓抽汽做功能力低,抽汽點(diǎn)后的做功能力損失被汽輪機(jī)壓比變化引發(fā)的抽汽點(diǎn)前功率變化補(bǔ)償;且抽汽流量越大,補(bǔ)償效應(yīng)越明顯。

(2)隨著充電功率的提升,儲(chǔ)能效率逐漸下降,主要原因在于電站抽汽壓力的降低。但無論儲(chǔ)能規(guī)模大小,提質(zhì)儲(chǔ)熱卡諾電池均可保持較高的效率(往返效率介于72.2%~97.2%之間,總體儲(chǔ)能效率介于69.9%~97.2%之間)。



圖6 電站的最小技術(shù)出力(a)卡諾電池的往返效率 (b)與總體儲(chǔ)能效率 (c)隨充電功率的變化規(guī)律

4 結(jié)論

依托低階煤電站構(gòu)建卡諾電池,有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的電力存儲(chǔ)。原煤預(yù)干燥與存儲(chǔ)過程的“提質(zhì)儲(chǔ)熱”特性是關(guān)鍵因素。依托存量煤電開展此類改造,既可以強(qiáng)化電網(wǎng)的消納能力、促進(jìn)新能源電力技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,也符合煤電靈活、低碳轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。 

原標(biāo)題:傳統(tǒng)煤電能否轉(zhuǎn)型為大規(guī)模、高效“電池”?
 
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來源:中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)
 
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