走進國家能源集團安徽公司宿州電廠，最先映入眼簾的是兩座米色圓柱形巨罐。它們?nèi)缇奕税惚燃缍ⅲ赃呫y龍般的管道縱橫蜿蜒。
這是我國最大的“煤電+熔鹽”儲能項目、全國首臺套吉瓦時級煤電熔鹽儲換熱成套裝備及控制系統(tǒng)、國家首批綠色低碳先進技術示范項目。
“這個項目于8月底建成投產(chǎn)，它破解了傳統(tǒng)煤電‘以熱定電’的難題，讓煤電機組有了靈活調(diào)峰的‘超能力’，為全國煤電靈活性改造提供了可復制、可推廣的新模式。”國家能源集團安徽公司黨委書記、董事長云天寶告訴科技日報記者。
在“雙碳”目標引領下，我國能源結構轉型正加速推進。隨著新能源在電力結構中的占比不斷攀升，電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力日益加大。在此背景下，煤電成為非常重要的靈活性調(diào)峰電源。然而，傳統(tǒng)煤電機組為了滿足對外供熱需求，面臨著“以熱定電”的困局，難以靈活調(diào)峰。
“所謂‘以熱定電’，簡單來說，就是指機組的發(fā)電負荷必須根據(jù)實時供熱需求來決定。”國家能源集團安徽公司宿州電廠董事長吳德偉解釋，為了保證向周邊工業(yè)區(qū)或居民區(qū)持續(xù)、穩(wěn)定供熱，機組必須維持較高鍋爐負荷，從而必須產(chǎn)生相應電量。
這種強制聯(lián)動的運行模式，導致機組無法根據(jù)電網(wǎng)的實時需求靈活地調(diào)節(jié)發(fā)電量：在供熱需求大時，即使電網(wǎng)不需要那么多電力，機組也不能減少發(fā)電；反之，在電網(wǎng)需要更多電力支撐時，如果供熱需求不足，機組也無法有效提升發(fā)電能力。
為破解這一難題，國家能源集團于2022年啟動“基于熔鹽儲熱的煤電靈活性關鍵技術研究及示范應用”項目，旨在通過熔鹽儲熱技術，大幅提升能源綜合利用效率，有效解決煤電機組在深度調(diào)峰、頂峰發(fā)電與穩(wěn)定供熱之間的多重矛盾。
“熔鹽儲熱是一種新型儲能方式，具有轉化效率高、能量密度大、運營成本低等優(yōu)勢。”國家能源集團新能源技術研究院儲能技術研究中心負責人金翼介紹，熔鹽儲熱技術的引入，相當于為傳統(tǒng)煤電機組外接了一個“儲熱寶”，在機組調(diào)峰壓力較小時，熔鹽儲熱裝置會利用機組的富余熱能來加熱熔鹽，將熱能儲存在高溫熔鹽罐中，相當于提前把熱存起來；等到調(diào)峰壓力較大、需要機組全力發(fā)電時，裝置便釋放儲存的熱能，接手供熱任務，從而支撐機組滿負荷發(fā)電。
技術路線確定后，選擇何種熔鹽作為儲熱介質(zhì)，成為項目實施的首要課題。熔鹽種類繁多，如氟化物、氯化物、硝酸鹽等，其適用的溫度范圍也各不相同。“經(jīng)過大量實驗，我們發(fā)現(xiàn)硝酸鹽的整體溫度范圍最符合火電機組的運行要求。”國家能源集團新能源技術研究院儲能技術研究中心總工程師丁濤說，“在此基礎上，我們通過深入比選發(fā)現(xiàn)，由三種硝酸鹽混合配制的‘三元鹽’工作溫度范圍為190℃至450℃，恰好覆蓋了當前供熱機組的典型運行溫度區(qū)間，因而被確定為最終選擇。”
在完成熔鹽選型的基礎上，國家能源集團新能源技術研究院從理論設計、控制、應用三個層面系統(tǒng)推進，攻克了系統(tǒng)集成與協(xié)同控制中的多項關鍵技術。
該項目在系統(tǒng)設計上提出創(chuàng)新方案，采用“主蒸汽+熱再蒸汽+四抽蒸汽”三路協(xié)同抽汽方式，實現(xiàn)蒸汽在換熱后直接供熱，達成能量的梯級利用，儲放熱系統(tǒng)整體效率高達83.4%。這打破了傳統(tǒng)煤電機組“以熱定電”的運行限制，首次實現(xiàn)吉瓦時級別大規(guī)模熔鹽儲熱。在協(xié)同控制方面，項目首次開發(fā)了煤電耦合熔鹽儲熱仿真平臺，形成了聯(lián)合協(xié)調(diào)控制技術，為系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行奠定了堅實基礎。
“安全是熔鹽儲能系統(tǒng)實現(xiàn)長期可靠運行的根本前提。我們以‘本質(zhì)安全’為核心理念，將安全設計貫穿于項目研發(fā)全周期。”國家能源集團安徽公司宿州電廠熔鹽儲熱項目技術主管廖世偉說。
比如，在設計儲罐時，研發(fā)團隊以“防泄漏”為首要原則，采用外置式加熱循環(huán)系統(tǒng)，使罐體本身幾乎不設開口，從結構上徹底消除泄漏風險；在為罐體打地基時，團隊更是層層設防，鋪設多層特種陶粒與耐火磚，仿佛為巨罐墊上“隔熱墊”，并通過反復實驗確保地基均勻密實，有效防止罐體傾斜。
熔鹽儲熱系統(tǒng)投運后，宿州電廠煤電機組發(fā)電負荷的“頂尖峰、壓低谷”能力大幅提升，在保證最大供熱量連續(xù)供熱5小時的情況下，機組深度調(diào)峰的最低發(fā)電負荷可降低至30%；在需要頂尖峰100%額定發(fā)電負荷運行時，由熔鹽儲熱系統(tǒng)提供的供熱蒸汽可連續(xù)供熱4小時。
“熔鹽儲熱系統(tǒng)建設成功，不僅解決了機組調(diào)峰與供熱之間的矛盾，推動了煤電機組向支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉型，還有助于消納電廠周邊區(qū)域的棄風棄光電量。”吳德偉告訴記者，經(jīng)測算，該系統(tǒng)每年可提升新能源消納能力約1.28億千瓦時，減少碳排放約8.5萬噸，預估年合計收益約4500萬元。
同時，該項目投產(chǎn)后，每年可增加供熱能力220萬噸，最大供熱能力提高到原有的173%，可滿足當?shù)?0多家企業(yè)用熱需求，實現(xiàn)供熱收入大幅增加。同時，項目還能促進產(chǎn)業(yè)集聚，為安徽北部吸引優(yōu)質(zhì)企業(yè)入駐創(chuàng)造有利條件。
云天寶說，宿州電廠“煤電+熔鹽”儲能項目以熔鹽為媒，架起了煤電與新能源協(xié)同發(fā)展的橋梁。隨著技術的持續(xù)迭代與推廣，熔鹽儲熱未來將在構建清潔低碳、安全高效的新型能源體系和新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用。
“基于宿州電廠‘煤電+熔鹽’項目研發(fā)的耦合煤電機組的大容量熔鹽儲熱關鍵技術，目前已經(jīng)在國家能源集團廊坊熱電、荊州熱電等火電廠推廣應用，大幅提升了現(xiàn)有煤電機組的響應速度和靈活性。”金翼說，“同時，我們正在申報國家煤炭清潔高效利用重大專項，力爭為新一代煤電關鍵技術研究和新型電力系統(tǒng)建設貢獻國能智慧和核心技術解決方案。”
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