周 科，李銀龍，李明皓，魯曉宇，楊 冬

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

近年來，風電、光伏等可再生能源裝機總量持續(xù)增長，與此同時，可再生能源與火電能源之間相互沖擊逐漸顯現，可再生能源的消納成為突出問題[1]。我國“三北”地區(qū)熱電聯產供熱機組裝機容量已經超過火電總裝機容量的30%[2]。為保證供熱需求，在供熱期，熱電聯產機組需采取“以熱定電”運行方式，造成機組調峰能力不足、靈活運行能力較差，從而出現冬季供暖期可再生能源的棄能問題[3-6]。燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術在不影響供熱的前提下實現一定程度上的熱電解耦，提高機組的調峰能力，從而增加可再生能源的消納空間。儲熱技術在熱負荷低谷時將系統(tǒng)多余的熱量儲存起來，熱高峰時釋放，有效滿足熱需求，同時可根據外界熱負荷的波動及時調節(jié)系統(tǒng)供熱量[7]。文獻[8]指出儲熱裝置在丹麥、芬蘭等歐洲國家廣泛應用，是提高熱電聯產機組調峰能力的有效手段之一。

提升電力系統(tǒng)靈活性是新型電力系統(tǒng)需解決的核心問題[9]。燃煤發(fā)電仍是我國的主力調峰電源，未來幾年機組深度調峰與低負荷運行將常態(tài)化[10-11]，然而傳統(tǒng)火電自身調峰能力差，且負荷響應遲滯，燃煤機組的靈活性改造是解決火電與新能源發(fā)展之間沖突的重要舉措。燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術是實現機組靈活改造的主要途徑，2016年國家能源局推進的22個火電機組靈活性改造試點項目中，儲熱技術占比達到65%[12]。文獻[13]指出在風力發(fā)電占芬蘭總發(fā)電量24%的情況下，采用經濟上最優(yōu)的蓄熱方式可以將熱電聯產機組產量提高15%。BENALCAZAR等[14]提出一種混合整數線性規(guī)劃方法解決燃煤機組與儲熱系統(tǒng)的運行規(guī)劃問題，該方法考慮了系統(tǒng)運行成本、熱負荷與電廠收入。閆百濤等[15]提出利用混凝土儲熱模塊與燃煤發(fā)電系統(tǒng)耦合可以提高能源利用效率、增強火力發(fā)電調峰能力以及緩解電網調度壓力。LI等[16]對600 MW超臨界燃煤機組熱力系統(tǒng)中相變儲熱裝置在3種儲熱策略和2種放熱策略下耦合系統(tǒng)的調峰能力進行了模擬研究。GARBRECHT 等[17]提出利用高、低溫兩級熔鹽儲罐存儲2種溫度等級能量，適應不用工況下的電力需求，系統(tǒng)具有更高靈活調節(jié)能力。龐力平等[18]模擬研究了額定工況時高溫熔鹽儲能系統(tǒng)儲熱和放熱過程對二次再熱機組鍋爐和汽輪機負荷的響應特性及系統(tǒng)的熱力性能變化。燃煤機組耦合儲熱技術在國內外關注度較高，該技術不僅可以提升燃煤機組的調峰容量，提高電網對可再生能源的消納能力，同時在提升電廠服務水平以及電廠經濟效益方面成效顯著。

燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術是提升燃煤機組調峰能力的重要技術之一。針對燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術，論述了可應用于燃煤機組的3種物理儲熱技術：熱水儲熱、相變填充床儲熱與熔鹽儲熱技術，分析3種物理儲熱技術的特點，總結了近10 a三種儲熱技術的研究現狀與常用于評價儲熱裝置的熱力性能指標。在此基礎上，分析燃煤發(fā)電-物理儲熱耦合系統(tǒng)調峰能力及其影響因素，建立耦合系統(tǒng)的調峰能力計算模型，提出耦合系統(tǒng)合理運行機制。建立評價耦合系統(tǒng)的熱力性能指標，為燃煤發(fā)電-物理儲熱耦合系統(tǒng)的研究提供參考；構建含耦合系統(tǒng)的電熱綜合調度模型，為電力系統(tǒng)運行規(guī)劃提供決策工具。

1 儲熱技術

借助儲熱技術實現熱電解耦，是提升燃煤機組調峰能力最經濟可行的技術路線[19-20]。儲熱裝置內部的熱量可以在不同溫度、地點、容量需求時放出，解決能源分配與使用的不匹配問題。對于純凝機組，當電量需求較少時，更多抽汽的熱量存儲于儲熱裝置中；當電量需求較大時，利用存儲的熱量滿足發(fā)電熱需求，提高電能產量。對于抽汽式機組，當用電需求低而熱需求高時，可以排出儲能裝置內的熱量，減小機組發(fā)電量；當用電需求高而熱需求低時，可通過向儲能裝置存儲熱量，增加機組發(fā)電量。儲熱技術的類型較多，按物理技術可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱[21-22]；按內部壓力可分為定壓、變壓儲熱[23]；按負荷可分為部分負荷和全負荷蓄熱[24]。在實際應用中，常采用多種儲熱方式相互耦合達到高效節(jié)能的目的。

1.1 熱水儲熱技術

熱水儲熱技術是利用儲熱介質顯熱的一種儲熱技術。利用工質顯熱的儲熱技術具有穩(wěn)定、響應較快、投資較低等優(yōu)點。固體儲熱也是利用顯熱的儲熱技術，目前鵝卵石、沙子、混凝土、礫石等介質被廣泛應用于太陽能、工業(yè)余熱、風電供熱、建筑節(jié)能等領域。固體儲熱克服了化學儲熱的不穩(wěn)定性與工作溫度限制，運行壓力接近常壓。OLIVKAR等[25]研究了不同固體儲熱介質對太陽能加熱器熱力性能的影響，結果表明利用沙子與顆粒碳混合物為儲熱介質的系統(tǒng)熱效率最高，而水泥最低。FARZAN等[26]研究了瀝青作為儲熱介質的太陽能空氣加熱器的熱力性能，結果表明熱力性能的提升較明顯。固體儲熱目前在光電產業(yè)應用較多且容量較小，而在燃煤發(fā)電的大容量機組上應用較少。固體儲熱系統(tǒng)與熱水儲熱系統(tǒng)相比運行方式較為復雜，同時對裝置的結構穩(wěn)定性要求較高，另外考慮到經濟性、運行維護等方面，熱水儲熱系統(tǒng)更受歡迎。顯熱儲熱技術的靈活性與技術參數見表1。SALMAN等[27]給出了顯熱儲熱技術的靈活性與技術參數。儲熱罐最初采用雙罐形式，后被單罐形式取代。單罐形式利用溫差自然分層即斜溫層，同時存儲冷熱介質，顯著降低工質用量，占地面積小且設備造價低，受到廣泛關注。國內外學者對儲熱罐的基本原理、結構優(yōu)化、工程應用以及運行策略等方面進行了大量研究，同時在燃煤機組-熱水儲熱耦合技術方面做了大量工作。

表1 顯熱儲熱技術的靈活性與技術參數

在儲熱罐的基本原理和結構優(yōu)化方面，劉璇等[28]研究了罐體容積相等時不同高徑比下斜溫層厚度的變化，結果表明最佳高徑比在1.58～1.88。戈志華等[29]分析了儲水罐中布水器的開孔數、開孔直徑、罐體高徑比等結構參數對斜溫層厚度的影響，研究表明，斜溫層厚度與孔口流速有一定的耦合關系。RAHMAN等[30]提出可用于分布式發(fā)電模擬的分層儲水罐模型，模型可確定分布式發(fā)電系統(tǒng)的儲熱罐尺寸和配置，并準確預測耦合系統(tǒng)中儲熱罐的吸熱量和放熱量。DOGAN等[31]研究了罐內布置的障礙物類型與位置對斜溫層的影響，結果表明障礙物具有熱屏障的作用同時促進流動，有效促進了罐內的熱分層。ABDELHAK等[32]研究了水平與豎直布置的儲熱罐結構對斜溫層的影響，結果表明水平結構的儲熱罐易發(fā)生環(huán)形流或渦流現象。YANG等[33]研究了靜態(tài)運行方式時不同水箱形狀對熱能力和熱分層的影響，研究表明球罐和桶形水箱最適合儲熱，圓筒形水箱最不適合儲熱。不同形狀的熱分層是由水箱底部的流量和由流體到環(huán)境的熱傳遞決定。

在儲水罐運行策略優(yōu)化方面，王小惠等[34]對儲熱罐放熱、散熱及連續(xù)儲、放熱工況下斜溫層的儲熱性能開展數值模擬研究，結果表明斜溫層的相對增長率受斜溫層初始厚度和位置影響，斜溫層的厚度隨循環(huán)次數的增加不斷增長，儲熱罐的有效利用率不斷降低。蘇雪剛等[35]通過Fluent軟件模擬儲熱罐蓄放熱過程中斜溫層的變化規(guī)律，研究了熱水蓄熱罐系統(tǒng)布置方式。于浩[36]利用數值模擬對儲熱罐內溫度場和速度場進行了研究，計算了在不同入口流速下罐內溫度場和速度場的分布，同時比較了不同工況下罐內斜溫層的特性。

綜上可知，國內外學者對儲熱罐結構進行了大量研究，研究重點多集中于儲熱罐中的斜溫層分布情況、蓄放熱過程中斜溫層的變化規(guī)律。實際上在不同因素的影響下，罐內的流動均勻性對斜溫層的分布影響較大，因此可以從儲熱罐儲放熱過程中罐內溫度場、速度場等方面綜合觀察斜溫層的變化，提高儲熱裝置的儲放熱效率。同時儲熱裝置在循環(huán)過程中的儲放熱效率是系統(tǒng)運行中需關注的問題，研究表明隨著循環(huán)次數增加，儲放熱效率不斷降低，因此如何提升儲熱裝置循環(huán)過程中的效率是關鍵。

1.2 相變填充床儲熱技術

填充床儲熱技術是利用儲熱介質潛熱的一種儲熱技術。對于熱電廠的中低溫儲熱裝置，由于水的靈活性更適合直接用于供熱。盡管單罐蓄熱技術已經發(fā)展成熟，并已在一些太陽能電廠和熱電聯產電廠中大規(guī)模應用，但與潛熱蓄熱相比，其儲能密度仍有限。因此，相變儲熱技術受到較多關注[37-38]。為避免相變材料(Phase Change Materials,PCM)泄漏并克服大多數相變材料導熱系數低的缺點，PCM必須包含在其他導熱系數高的材料中，如不銹鋼和鋁。在儲熱裝置中常使用的方法可分為2類：使用PCM模塊[39-40]和封裝PCM填充床[41-42]。SUN等[41]在水箱中使用有機PCM PK6填充床，研究發(fā)現PCM填充床在儲熱過程中沒有增強斜溫層，但能促進放熱過程中斜溫層保持穩(wěn)定。YANG等[43]對多層型填充床蓄熱器和單型填充床的熱力性能進行比較，發(fā)現多層型填充床的相變材料融化較早，出水溫度相對較高。

目前，在儲熱罐中添加相變材料的研究比較有限，多采取數值模擬的形式，涉及的2個主要問題至今仍未解決；① PCM填充床是否改善斜溫層仍然存在異議。這種差異可能源于試驗或計算條件的差異，如PCM膠囊的直徑(導致填充床孔隙率和傳熱表面的差異)，儲熱罐的幾何結構與傳熱流體流速(導致傳熱流體雷諾數和填充床區(qū)域傳熱時間的差異)之間的關系，PCM膠囊(包括PCM和外殼材料)的熱物理性質。上述因素可能影響傳熱流體與PCM之間的傳熱，從而導致斜溫層性能變化。② 先前研究多為儲熱罐小部分空間設置PCM填充床，可能考慮大規(guī)模PCM填充床增設是否會影響斜溫層性能或使投資急劇增長。然而，為了提高熱電廠儲熱罐的調節(jié)能力，需盡可能提高儲熱罐的儲能密度。

表2 熱水儲熱罐與PCM儲熱罐的性能比較[48]

續(xù)表

研究表明，相變填充床儲熱技術研究廣泛，近10 a，研究多集中于相變填充床儲熱技術的相變材料選用、相變材料的布置形式、相變材料與傳熱流體之間的傳熱、填充床布置位置、填充床儲熱設備的蓄放熱性能等方面。與熱水儲熱技術相同的是，儲熱罐內的斜溫層是評價裝置熱力性能的一項重要指標。相變填充床儲熱技術雖儲存儲能密度較大，但由于填充床的存在，其斜溫層性能不及熱水儲熱罐。裝置內的斜溫層性能與儲能密度改變時，儲熱裝置的熱力性能存在最優(yōu)值。目前研究均集中于單一參數的變化，應關注最優(yōu)值。同時，由于填充床的存在，傳熱流體的速率影響傳熱性能，因此初始階段儲熱和循環(huán)過程中，傳熱流體與相變填充床之間的熱量交換效率是關鍵，影響相變填充床儲熱裝置的設計與高效運行。

1.3 熔鹽儲熱技術

熔鹽儲熱技術是一種利用顯熱與潛熱的儲熱技術。與前2種儲熱技術區(qū)別在于，熔鹽儲熱技術被廣泛應用于高溫儲能領域。大型燃煤機組用于推動汽輪機做功的蒸氣溫度在540～600 ℃，高溫熔鹽儲熱技術能較好地匹配這一溫度參數[50]，熔鹽作為傳熱和儲熱介質，具有高比熱容、高能量密度、高熱穩(wěn)定溫度等優(yōu)點[51]，目前常見的熔鹽儲熱介質有碳酸鹽、氯化物、氟化物、硝酸鹽等。硝酸鹽由于熱穩(wěn)定性高、腐蝕性低最適合作為熔鹽儲能介質。多元混合硝酸鹽已成功應用于太陽能光熱發(fā)電技術中，如二元共晶硝酸鹽(60% NaNO3-40% KNO3)，熔點約221 ℃，高溫熱穩(wěn)定性可達565℃。三元共晶硝酸熔鹽(53% KNO3-7% NaNO3-40% NaNO2)，熔點約142 ℃，在454 ℃時具有較好的熱穩(wěn)定性。近年來以三元氯化鹽為代表的高溫熔鹽成為新趨勢，同時開發(fā)低熔點、穩(wěn)定性好、腐蝕性低、溫度區(qū)間大、投資低的熔鹽體系也是重要途經。該技術能實現大規(guī)模儲熱和放熱，非常適合應用于燃煤機組儲熱。同時考慮到非采暖期時的熱電聯產機組與純凝機組的深度調峰需求，熔鹽儲熱技術逐漸受到關注。光熱電站熔鹽儲熱系統(tǒng)的商業(yè)示范運行驗證了該技術的可靠性、安全性和經濟性[52]。

關于熔鹽系統(tǒng)結構優(yōu)化設計、熔鹽系統(tǒng)傳熱機理以及高溫熔鹽系統(tǒng)運行過程中面臨的熱損失問題研究較多。時華等[53]考慮到熔鹽罐在初次投入使用或長時間停機后投運時可能出現的熔鹽凝固和凍堵事故[54]，搭建了1 MWth中試太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(圖1)，對熔鹽儲罐預熱過程溫度場的變化進行了試驗和數值模擬研究。目前在預熱方面的研究還較少，高效的預熱方式能縮短熔鹽儲熱罐的投運時間，提升儲熱系統(tǒng)的效率。ELSIHY等[55]對熔鹽填充床系統(tǒng)與純熔鹽系統(tǒng)的斜溫層特性進行比較，結果表明熔鹽填充床儲罐的斜溫層厚度高于純熔鹽儲罐，而純熔鹽儲罐的熱分層效果更好。TORRAS等[56]采用并行模塊化面向對象的方法對熔鹽儲罐的性能進行了數值模擬研究，主要包括罐壁、保溫材料、罐基、熔鹽介質等因素。ZHANG等[57]提出了單罐熔鹽系統(tǒng)入口速度與放熱時間、熔鹽平均溫度之間的關系式，為單罐熔鹽系統(tǒng)的設計提供指導。YIN等[58]發(fā)現多孔填充床的蓄熱效率略低于純熔鹽溫躍層蓄熱。文獻[59-61]在罐體幾何尺寸、保溫層厚度、罐內溫度對熔鹽儲罐熱損失的影響進行了數值模擬研究。WAN等[62]建立了一種耦合熱性能評估模型，用于評估熔鹽儲罐的熱損失和溫度分布，同時研究了熔鹽儲罐在不同工況下的力學性能，除應用于太陽能發(fā)電領域外，在中高溫領域也有廣泛應用。與其他方式相比，熔鹽儲熱供熱具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保、控溫精確等優(yōu)勢[63]。

目前，熔鹽儲熱技術在燃煤機組深度調峰方面少有應用，2021年10月，江蘇國信子公司靖江發(fā)電廠首次將熔鹽儲能技術用于電廠側的調頻調峰。目前學者們針對燃煤機組-熔鹽儲熱耦合系統(tǒng)方案進行了大量研究，旨在尋找高效、靈活的燃煤-熔鹽儲熱耦合方案。李峻等[64]提出在傳統(tǒng)“鍋爐-汽機”熱力系統(tǒng)中嵌入大容量高溫熔鹽儲熱系統(tǒng)的靈活性改造方案，如圖2所示。研究表明該方案不僅能極大提高深度調峰能力，還能促進火電廠轉型升級。王輝等[65]提出了應用于火電機組深度調峰的百兆瓦級熔鹽儲能技術，并對耦合系統(tǒng)的各模塊進行了理論計算，結果表明，系統(tǒng)綜合效率達77.8%，在大規(guī)模儲能領域應用前景廣闊。時正海等[66]公開一種鍋爐高溫煙氣熔鹽儲熱裝置及其工作方法，利用鍋爐高溫煙氣加熱熔鹽儲熱，實現火電機組靈活調峰?？傮w來看，國內學者近3 a中提出了多種燃煤-熔鹽儲能耦合方案，由于熔鹽儲能系統(tǒng)對換熱工質溫度的要求較高，因此儲能系統(tǒng)在燃煤機組內熱量提取位置對耦合系統(tǒng)的運行效率非常重要。目前常見的儲熱策略中，熱量提取位置多在主蒸氣與再熱蒸氣管路，而在放熱策略中，熱量的放出位置多在除氧器與給水泵出口。在耦合系統(tǒng)中，熔鹽儲能系統(tǒng)的運行策略與蓄熱容量也是影響耦合系統(tǒng)運行效率的重要指標。

圖1 1 MWth中試太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 1 MWth pilot solar thermal power system

圖2 嵌入高溫熔鹽儲熱系統(tǒng)的火電機組工藝Fig.2 Process of the thermal power unit embedded in high temperature molten salt heat storage system

熔鹽儲熱技術廣泛應用于高溫儲熱領域，對熔鹽儲熱裝置而言，裝置預熱研究較少，高效的預熱方式可提升儲熱裝置的效率，并減小熱沖擊。熔鹽儲能裝置的斜溫層性能是判斷熱力性能的重要指標，因此在提升斜溫層性能方面，3種儲熱技術類似。熔鹽儲熱還面臨高溫裝置的熱損失問題，因此目前在減小熱損失或熱損失利用方面研究較少。近2 a，熔鹽儲熱技術在我國燃煤機組的應用研究越來越多，但研究多停留于模擬階段，技術尚未成熟。該儲熱系統(tǒng)在燃煤機組的取熱位置、取熱方式、放熱方式等問題還需進一步探索。

2 儲熱裝置的性能評價指標

儲熱技術是提高能源利用效率、提升燃煤機組深度調峰能力與能源系統(tǒng)穩(wěn)定供應的重要技術。針對儲熱裝置的性能評價相關參數研究較多[67-74]。一些無量綱參數(無量綱溫度、分層數和理查森數)能夠表示儲熱罐中的分層情況。本節(jié)總結了評價儲能裝置性能的一些參數，并對儲能裝置的熱力性能進行評價，從而選擇高效的蓄能方式與運行方式。

2.1 蓄放熱功率

儲熱裝置的蓄放熱功率指單位時間內儲能裝置能夠蓄積的熱量與放出的熱量，計算公式為

Pc=(tin-tout)cp,wqvρw，

(1)

Pd=(tout-tin)cp,wqvρw，

(2)

式中，Pc、Pd分別為儲熱裝置的蓄熱、放熱功率，kW；tin、tout分別為傳熱流體進口、出口溫度，℃；cp,w為傳熱流體的比熱容，kJ/(kg·K)；qv為流體體積流量，m3/s;ρw為流體密度，kg/m3。

2.2 無量綱溫度

無量綱溫度包括無量綱儲熱截止溫度與無量綱放熱截止溫度。這2個參數在0～1，較大的值代表更高的儲、放熱程度，計算公式為

(3)

(4)

2.3 Richardson數

Richardson數Ri為浮升力與混合力之比，用于評價儲熱罐內的分層情況，計算公式為

(5)

(6)

其中，g為重力加速度，m/s2；β為熱膨脹系數；H為儲熱罐的高度，m；Tt、Tb為儲熱罐內的頂部與底部溫度，℃；vs為斜溫層處工質平均速度，m/s;Q為放熱流量，m3/s；rs為斜溫層半徑，m。Richardson數較小時代表儲熱罐內混合程度較高，較大時代表分層程度較高。

2.4 蓄放熱效率

蓄放熱效率用來描述不同工況時蓄放熱的利用率，根據熱力學第一定律，η為每次蓄放熱過程中儲存/釋放的實際熱量與儲熱罐理論蓄熱容量的比值(式(7))。Etotal的計算公式為式(8)～(11)，涉及相變材料與包括相變材料的外殼時，由公式(10)、(11)可計算得到對應儲存的熱能。

(7)

其中，τend為蓄放熱截止時間，s；τ為時間，s；Tin、Tout為儲熱罐進出口溫度，℃；Etotal為儲熱罐理論蓄熱容量，kW。當循環(huán)過程中進出口溫度與初始時刻的值相差3 ℃時認為蓄放熱截止。

Etotal=Ew+EPCM+Ess，

(8)

Ew=Mwcp,w(Tc,in-Td,in)，

(9)

EPCM=MPCM[cp,s(Tp,s-Td,in)+Δh+cp,L(Tc,in-Tp,L)]，

(10)

Ess=Msscp,ss(Tc,in-Td,in)，

(11)

式中，Ew為傳熱流體儲存的熱量，kW；EPCM為相變材料儲存的熱量，kW；Ess為包裹相變材料的外殼儲存的熱量，kW；Mw為儲熱罐內傳熱流體質量，kg/s；MPCM為儲熱罐內相變材料質量，kg/s；cp,s為相變材料固相比熱容，kJ/kg；Tp,s為固體相變溫度，℃；cp,L為相變材料液相比熱容，kJ/kg；Tp,L為液體相變溫度，℃；Δh為相變材料熔融熱，kJ/kg；Mss為儲熱罐內包裹相變材料的外殼質量，kg；cp,ss為包裹相變材料外殼比熱容，kJ/kg。

總體而言，利用蓄放熱功率、無量綱溫度、Richardson數、蓄放熱效率4個參數能夠對儲熱裝置的性能進行評價。涉及相變材料時，蓄放熱效率的計算包括材料相變過程中的能量變化。這些參數不僅評價了儲熱裝置的性能，更為儲熱裝置的運行條件與運行方式提供指導。在工程應用中，應結合實際運行情況規(guī)劃儲能系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案。

3 耦合系統(tǒng)調峰能力與評價指標

燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術在燃煤機組中設置儲熱裝置實現熱電解耦，深度挖掘燃煤機組的調峰能力，為太陽能、風能等可再生能源提供消納空間，實現新能源與燃煤發(fā)電機組的協(xié)調運行?；诔Ｓ萌济簷C組的儲熱技術特點，需對燃煤發(fā)電-儲熱耦合系統(tǒng)的調峰容量、調峰裕度以及影響調峰能力的因素進行研究[4]。建立評價耦合系統(tǒng)的熱力性能指標[12]。

3.1 配置儲熱后機組調峰能力分析

由于我國抽汽式機組裝機容量較大，本節(jié)以抽汽式機組為例進行闡述。儲熱前的機組配置采取“以熱定電”的運行方式，圖3為抽汽式熱電機組的電熱特性，即機組發(fā)電功率與供熱功率間的關聯耦合關系。儲熱前機組運行區(qū)間為ABCDA所圍區(qū)間，電熱特性為式(12)。儲熱后機組的運行區(qū)間為AGIJLA所圍區(qū)間，電熱特性為式(13)?？芍獌岷髾C組最大供熱功率由hT,max增加至hT,max+hfmax。對于某個供熱水平h，機組由儲熱前PF～PE的調峰區(qū)間增加至PM～PH的調峰區(qū)間，儲熱裝置補償了供熱不足或供熱剩余的部分，從而提升了機組的調峰能力。

圖3 配置儲熱前后機組電熱特性Fig.3 Electricity-heat relationship for extraction unit with heat accumulator

配置儲熱前機組的電熱特性：

(12)

配置儲熱后機組的電熱特性：

(13)

式中，cm為背壓曲線的斜率，可認為是常數；cv1、cv2分別為最大、最小電出力時進汽量不變時抽取單位供熱熱量下發(fā)電功率的減小量；K為常數；hmed為機組發(fā)電功率最小時的汽輪機供熱功率；hT,max為機組的最大供熱出力；hfmax為配置儲熱裝置后供熱功率的提升值；Pmin、Pmax分別為儲熱前抽汽式機組在純凝工況下最小、最大電功率；PL為儲熱后抽汽式機組在純凝工況下最小電功率；P為電功率；h為供熱出力。

根據機組的電熱特性，制定合理的靈活運行機制。由于電熱特性，儲存熱量在低谷時段獲得的可再生能源接納空間大于尖峰時段，因此儲熱量有限時，優(yōu)先補償低谷時段。同理，機組在尖峰段蓄熱、低谷段放熱，此時獲得的可再生能源接納空間量大于因尖峰蓄熱最大出力減小而導致的接納空間減少量。因此平時段蓄熱不足時，可采用在尖峰段蓄熱。依據這一理論，在不同蓄熱情況時可采用圖4的運行策略。

張倩男[75]依據這一策略計算我國不同容量供熱機組的調峰能力，結果表明儲熱后調峰容量明顯高于儲熱前。

在適用于燃煤發(fā)電機組的3種儲熱技術中，熱水儲熱技術以穩(wěn)定、響應快、投資低的優(yōu)勢在熱電聯產機組中得到廣泛應用，但熱水儲熱能量密度低、斜溫層穩(wěn)定性較差限制其在大容量燃煤機組上的應用。相變填充床儲熱技術雖然相對熱水儲熱技術增大了能量密度，但斜溫層性能下降且在小流量時更能體現熱力性能的優(yōu)點，因此相變填充床更適用于小型供熱機組。熔鹽儲熱技術能量密度和熱穩(wěn)定性更高，特別適用于燃煤機組的高溫領域，不僅可應用于熱電聯產機組，也可在純凝機組調峰領域發(fā)揮優(yōu)勢，因此將熔鹽儲熱技術應用于燃煤發(fā)電機組深度調峰正成為新的研究趨勢。

燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術利用儲熱裝置補償供熱不足或儲存多余熱量，實現熱電解耦，提升燃煤機組的調峰能力。通過儲熱前后的燃煤機組電熱特性計算模型，定量計算出儲熱后燃煤機組的調峰容量。根據燃煤機組的電熱特性與儲能裝置的儲熱能力，結合機組承擔負荷變化的特點，制定燃煤機組的運行機制。依據這一理論，開發(fā)出一套包含燃煤機組調峰模塊、儲能裝置優(yōu)化運行模塊與耦合系統(tǒng)的優(yōu)化運行機制決策模塊的軟件，對燃煤發(fā)電-耦合系統(tǒng)在實際的工程應用中具有重要意義。

3.2 燃煤發(fā)電-儲熱耦合系統(tǒng)評價指標

耦合系統(tǒng)的評價指標主要包括儲熱過程、放熱過程與全過程的熱效率、系統(tǒng)調峰容量與調峰裕度[10]。

1)系統(tǒng)熱效率：

(14)

(15)

(16)

式中，ηc、ηf、η分別為儲熱、放熱和全過程系統(tǒng)熱效率，%；t1、t2分別為儲能過程起止時刻，s；t3、t4分別為放熱過程起止時刻，s；Pc,t、Pf,t分別為t時刻儲熱、放熱過程系統(tǒng)電功率，kW；Qc,t、Qf,t分別為t時刻儲熱負荷和放熱負荷，kW；Qb1,t、Qb2,t分別為t時刻儲熱、放熱過程火電廠鍋爐輸出熱負荷，kW；ηb,t為t時刻鍋爐效率，%。

2)調峰容量和調峰裕度：

(17)

(18)

ΔPt=ΔPc,t+ΔPf,t;ξt=ξc,t+ξf,t，

(19)

式中，ΔPc,t、ΔPf,t、ΔPt分別為t時刻儲熱、放熱與全過程系統(tǒng)增加的調峰容量，kW；Pc,t、Pf,t分別為儲熱、放熱過程系統(tǒng)輸出電功率，kW，P0、Pe分別為中間負荷、額定工況輸出電功率，kW；ξc,t、ξf,t、ξt分別為t時刻儲熱、放熱與全過程耦合系統(tǒng)增加的調峰裕度，%。

依據熱效率、調峰容量與調峰裕度指標對燃煤發(fā)電-耦合系統(tǒng)性能進行評價。系統(tǒng)運行過程中，儲放熱過程交替進行，也存在不儲熱、不放熱的過程。因此對于系統(tǒng)運行過程中評價指標的計算方法應盡可能準確。

3.3 含耦合系統(tǒng)的電熱綜合調度模型

燃煤發(fā)電-儲熱耦合系統(tǒng)旨在提升燃煤機組的調峰能力，使得電網為風電、光電等可再生能源提供更多的消納空間。但由于我國電力市場處于集中調度環(huán)境下，沒有實時電價的引導[76]，要充分利用燃煤發(fā)電-儲熱耦合系統(tǒng)消納可再生能源的收益，需要建立含耦合系統(tǒng)的電熱綜合調度模型，從系統(tǒng)層面實現最優(yōu)經濟運行。綜合系統(tǒng)調度模型包括目標函數與調度約束。

學者們從多個角度建立了綜合系統(tǒng)的目標函數。崔楊等[77]構建了以降低硫硝排放為目標的含儲熱熱電聯產機組與風電聯合調度的目標函數，同時在目標函數中考慮了系統(tǒng)的運行與維護成本。李守東等[78]建立了以風電消納量最大和系統(tǒng)運行成本最低為目標的電熱聯合系統(tǒng)調度的目標函數。戴遠航等[79]提出了以不同風電場景下聯合系統(tǒng)的收益期望為目標函數的風電-熱電聯產聯合運行調度模型。文獻[80]引入分時電價機制同時考慮了棄風懲罰費用，建立了以熱電廠和風電場總收益為目標函數的系統(tǒng)調度模型。

綜合系統(tǒng)調度模型中的調度約束包括系統(tǒng)約束、機組約束，儲熱方式的調度約束[81-82]。其中系統(tǒng)約束包括電力平衡約束、供熱約束、可再生能源出力約束(這里以風電為例)(式(20)～(22))。機組約束包括機組的電功率約束、熱功率約束、爬坡速度約束(式(23)～(25))。儲熱方式的約束包括儲熱裝置的蓄、放熱能力約束、容量約束(式(26)～(27))。

1)電力平衡約束：

(20)

2)供熱約束：

(21)

3)風電出力約束：

(22)

4)機組電功率約束：

(23)

式中，Pmin,i、Pmax,i分別為機組i最小、最大電功率；Ki為常數。

5)機組熱功率約束：

(24)

式中，hmax,i為機組熱功率最大值。

6)機組爬坡速率約束：

(25)

式中，Pup,i、Pdown,i為機組向上、向下爬坡速度約束。

7)儲熱裝置的蓄放熱能力約束：

(26)

8)儲熱裝置的容量約束：

(27)

式中，Ph,max為儲熱裝置的容量。

在系統(tǒng)約束條件上，加入系統(tǒng)某一指標為目標函數，共同構成系統(tǒng)綜合調度模型。在電熱綜合調度模型中，燃煤機組與儲熱裝置的計算模型較準確，但風電等可再生能源的預測功率不準確，這歸因于可再生能源的不確定性。預測誤差與儲熱系統(tǒng)的利用效率密切相關，針對特性地域的風電預測模型應經過多場景驗證，逐步優(yōu)化，盡可能減小預測誤差。以綜合模型作為調度系統(tǒng)合理安排配置儲熱后系統(tǒng)運行規(guī)劃的決策工具，達到提升綜合系統(tǒng)、消納可再生能源水平及移峰填谷的目標，對構建新型電力系統(tǒng)具有重要意義。

4 結語與展望

可再生能源的發(fā)展為占據我國主要電力供應的燃煤機組調節(jié)能力帶來了挑戰(zhàn)。燃煤機組深度調峰是解決新能源與傳統(tǒng)能源之間矛盾的主要措施。儲能技術利用其對熱能的靈活性存儲，最大化提高能源利用率。燃煤-儲能耦合技術通過熱電解耦，提升燃煤機組的調峰能力與靈活運行特性，為新能源上網提供空間。燃煤發(fā)電機組仍是我國電力供應的主要來源，燃煤發(fā)電-儲熱耦合技術在可再生能源快速發(fā)展的背景下有廣闊的發(fā)展?jié)摿Γ磥眈詈霞夹g發(fā)展可從以下4方面進行：

1)提升熱水儲熱裝置循環(huán)運行過程中的熱力性能。研究表明，隨循環(huán)次數的增加，熱水儲熱裝置的儲放熱效率不斷降低，斜溫層性能逐漸下降，因此可以進行熱水儲熱裝置的結構優(yōu)化，加強循環(huán)運行過程中的斜溫層研究。

2)提升相變填充床儲熱裝置運行過程中的斜溫層性能。由于填充床的存在，雖提升了儲能密度，但斜溫層性能弱于熱水儲熱，因此需在2者之間平衡，既保證較高的儲能密度，同時兼顧較好的斜溫層性能。

3)熔鹽儲熱技術在我國燃煤發(fā)電機組中目前還未實際應用，研究多停留于數值模擬階段。熔鹽儲熱系統(tǒng)在燃煤發(fā)電機組中的取熱位置、取熱方式、放熱位置還需進一步研究，旨在得到耦合系統(tǒng)高效的運行方式。

4)電熱綜合調度模型中風電等可再生能源的預測模型需進一步完善。可再生能源存在不確定性，預測誤差對儲熱系統(tǒng)的運行方式影響較大。因此不同地域的可再生能源電功率預測模型應經過多場景驗證，減小預測誤差，從而提升耦合系統(tǒng)運行效率。