2024第五届中国储热大会在浙江湖州召开，聚焦熔盐储热耦合煤电机组技术
10 月 25 日，2024 第五届中国储热大会在浙江湖州盛大召开。此次大会由长时储能网、清洁供热平台主办，湖州工业控制技术研究院与浙江绿储科技有限公司联合主办，内蒙古梅捷新能源科技有限公司冠名赞助。西安热工研究院汽轮机灵活运行技术研究所副所长王伟出席了会议，他对熔盐储热耦合煤电机组提升灵活性改造技术进行了分析，并且分享了典型案例。图：王伟
一、项目背景
截止 2023 年底，全国发电总装机容量为 29.2 亿千瓦。其中，非化石能源达 14.7 亿千瓦，且非化石能源发电装机首次超过了火电装机规模，其占总装机容量的比重也首次超过了 50%。火电装机为 13.9 亿千瓦，其中煤电 11.6 亿千瓦，占总装机的 39.9%，煤电装机占比首次降至 40%以下。然而，煤电提供了接近 60%的电量以及 70%以上的调峰任务。
如下图所示，在新型能源体系里，煤电充当着电力安全保障的“压舱石”角色，肩负着基础保障的“重担”。
二、火电机组灵活性技术需求分析
近年来一直着重强调煤电的“三改联动”，具体包含节能、供热以及灵活性这三个部分。可以预料到，伴随电源结构的发生变化，煤电机组进行灵活性改造的进程肯定会加快。
王伟表示，什么是灵活性呢？煤电机组的灵活性主要包括深度调峰、快速爬坡和快速启停。其中，快速启停是改造的终极目标，也就是启停调峰。就目前的实际情况来看，灵活性目标的首要目的是降低机组的最小技术出力；其次是爬坡速率；再次是能够快速启停。
灵活发电技术体系包含三种主要技术。其一为热电解耦技术；其二是深度调峰技术；其三为储能调峰/调频技术。
高比例新能源长时间运行时，在新型储能系统尚未规模化应用之前，煤电在相当长时期内仍会扮演“稳定器”的角色。双碳目标对煤电产业形成了主要约束，以新能源为主体的新型电力系统建设需要煤电提供支撑，然而其主导地位会不断减弱，最终会长期处于“大容量、小电量、煤电+综合能源服务”的运营模式。
未来，煤电机组要成为怎样的电源呢？在整个电网中要承担怎样的角色呢？王伟称，煤电机组需成为有价值的调节性电源，要朝着更安全、更低碳、更灵活、更多元、更高效的方向发展，还要开展综合能源服务，通过充分挖掘机组自身的潜力，增加储热储能，以此实现 0 到 100%之间的功率可调节，达到 5 到 6%Pe/min 的变负荷速率。
三、储能技术研究现状
王伟称，电网对煤电机组灵活性的需求在逐年迅速提升。煤电机组因其自身的调节特性，特别是供热机组，其灵活性调节能力受到限制。电网对煤电灵活性的急切需求与煤电机组自身灵活性能力的不足之间的矛盾越发显著。
储能技术的意义在于能够改变电能生产、输送和使用同步进行的这种模式，进而实现能源在时间维度上的错时利用。熔盐储热技术具备高安全性、低成本、大规模、长寿命以及易回收等特性，在应用于提高煤电机组的灵活性以及为高参数工业提供蒸汽等方面，具有独特的优势。
王伟称，西安热工研究院近些年来对熔盐储热技术领域的攻关以及科技研发予以高度重视。他们形成了完整的知识产权族群，仅熔盐储热相关的发明专利申请数量就达到 348 项，在国内处于首位。同时，他们积累了众多的知识产权，构建了较为完备的知识产权体系，为技术的快速推广奠定了坚实的基础。
四、熔盐储热技术应用研究
熔盐储热与煤电机组耦合分为以下三个环节：
加热环节有两种方案可供选择，分别是蒸汽加热和电加热。在蒸汽加热方面，可以考虑主蒸汽加热方案和再热蒸汽加热方案。而在电加热方面，则可以考虑从高厂变、高公变或者发电机出口取电。
储热环节中，低温熔盐的温度保持在 200℃上下，并且每天的温度下降幅度不会超过 1℃；高温熔盐的温度维持在 400℃左右，每天的温度下降量不会超过 2℃。
- 此时产生的蒸汽能够去往工业供汽或者采暖供汽。
电加热器能够充当可控负载，它可以全天以小功率运行，以此来辅助机组调频，并且能够同时响应一次调频和 AGC。
深调方式为：蒸汽发生系统全力运行，电加热器也全力运行。这样做一方面可以赚取调峰容量补贴，以应对测试；另一方面能够减少现货低价电上网的情况。
顶峰方式为：蒸汽发生系统处于满功率运行状态，而蒸汽加热器以及电加热器不运行或者以小功率运行。这样做的目的是确保机组能够多发点电并将其输送上网，多发一些高价电，从而增加顶峰时的收益。
熔盐储热耦合新能源发电技术
王伟称，在新能源发电存在上网困难的地区，能够利用风光弃电（或是现货交易市场的低谷电）来加热熔盐，把热量储存于熔盐之中。而对于有用电需求或者政策允许的区域，可以设置汽轮发电机组，熔盐储热系统的热量最终以电的形式再次输出。汽轮机全天以极低功率运行，倘若电网需要高负荷，汽轮发电机组就会满负荷发电，多发出高价电。
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依据不同新能源基地的配储以及用电需求，分别设定不同的熔盐加热功率、储热容量、汽轮发电机组功率。熔盐电加热系统以及汽轮发电机组能够作为独立的储能电站和灵活性电源，参与到电网的辅助服务（包括调频、调峰等）当中，从而获取收益。
工业园区熔盐储热综合能源供给技术
对于存在工业供汽、供冷、供暖区域的工业园区，能够借助熔盐储热来对外供热，以实现冷热汽的三联供。通过使用风光弃电（或者现货交易市场的低谷电）去加热熔盐，把热量储存于熔盐之中；接着利用熔盐储热向外界供应工业蒸汽，或者在夏季提供冷量，在冬季提供热量。熔盐电加热系统能够进行空负载操作，还可以在用户侧进行调节。它可以作为独立的储能电站，参与到电网的辅助服务中，比如调频、调峰等，从而获取收益。
王伟得出主要结论为：
蒸汽加热的热效率比较高。然而，在煤电机组的热力系统里，要抽取高参数且大流量的蒸汽，从工程角度来看是难以做到的。并且，在机组进行深度调峰的时候，反而不能够进行大流量的抽汽。
蒸汽加热仅利用显热部分时，成本增幅较高；
蒸汽加热利用潜热部分时，加热熔盐温度受限；
蒸汽系统和熔盐系统进行耦合，这使得整体系统的运行复杂性提升了，同时运行可靠性也降低了。
蒸汽加热系统的灵活性相对较低。
电加热系统热效率较低，可大幅提高机组调峰深度、调频性能；
电加热系统灵活性较高；
电加热可提高工业供汽可靠性；
电加热具备启动锅炉的功能。
五、典型案例
王伟分享了国内已投运的 3 个典型项目的相关内容，这些项目是已投运的前三个双罐熔盐储热耦合煤电机组项目，包括技术路线和项目收益等方面。
▌国信靖江示范项目（2022年12月投运）
王伟称，此项目主要具备以下五方面功能：一是调峰功能；二是顶峰功能；三是调频功能；四是安全供汽功能；五是启动锅炉功能。
该项目将 2×机组与 40MW/熔盐储热系统进行耦合。这样做实现了深度调峰与工业供汽的深度解耦。同时大幅提升了机组的快速调频能力。在原有 CCS 控制的基础上，还实现了机-炉-储的联合协同控制。利用储能来响应电网的调整需求，让锅炉以最安全稳定的方式运行，汽轮机以最经济的方式运行。并且具备功能非常优异的启动锅炉功能。
江苏方天电力技术有限公司针对国信靖江示范项目开展了 4 个实验，实验结果显示：
1）电能质量合格，无不良影响；
变负荷速率的实测值是 3.91%Pe/min，这个值比电网要求的 1.5Pe%/min 要高很多；AGC 的调节精度在 0.11%（0.66MW）的范围之内，与电网要求的 0.5%（3.3MW）相比，明显更为优秀。
3）一次调频响应指标完全满足电网要求，可免除考核。
调峰考核试验在解决机组工业热电解耦的前提下，即机组负荷从 50%Pe 降低至 30%Pe 稳燃负荷。在此情况下，将机组负荷进一步降低至 25.65%Pe，从而深度挖掘了示范机组的深度调峰能力。
2023 年 4 月 14 日，据江苏省电力报的报道，国信靖江发电公司的配套熔盐储热项目首次参与到江苏电力深度调峰辅助服务市场中。该项目额外增添了 4 万千瓦的调节能力，这也标志着江苏省深度调峰辅助服务市场迈入了“火储联调”的新阶段。
王伟称，熔盐储热系统的使用年限不少于 30 年，且不受循环次数限制；示范项目每日的调频次数达到了 1500 次，累计已超过 100 万次；平均每天会参与深度调峰 2 小时。熔盐储热与煤电机组耦合参与调频，仅投入 5MW 可控负载，就使机组的 Kp 值从 2 提升到了 7 至 9，提升幅度在原来的 300%以上。
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如下图所示，黑色部分为目标功率指令（AGC）；黄色部分为一次调频频差功率；蓝色部分为熔盐储能功率；红色部分为机组实发功率；绿色部分为火储联合功率。
王伟称，本项目投运后，国信靖江电厂的两台机组的调频能力得以显著提升，调峰深度也显著提升。目前，该项目已经收回了全部成本，其投资回收期不到两年，这表明项目的盈利能力非常强。
▌济宁华源热电示范应用工程（2024年6月投运）
济宁华源热电厂的熔盐储热项目在 2024 年 6 月 30 日成功投产。此项目是全国首个汽、电联合加热的熔盐储热系统。
项目在 2×350MW 机组上耦合了 50MW/熔盐储热系统，并且在 1 号机组和 2 号机组配置了一套“蒸汽+电”联合加热熔盐储热系统，将其接入机组的中温再热器出口联箱（原本是背压机汽源）和 6kV 高压厂用电系统，从而实现了深度调峰与工业供汽的深度解耦，达成了相应功能。
供汽的压力为 1.5MPa，温度为 300℃，每小时 75t；进行深度调节，调节幅度为 30%；达到顶峰时为 100%。
调频：AGC指标K值提升至4以上，调频“双机联调”；
备用汽源和启动锅炉：环保、快速且免维护。
考核试验及收益分析
预计在 3 年内能够收回成本。
山东电网低电价数据分析
电网是否存在负电价呢？负电价能够持续多久呢？王伟称，从数据分析来看，在 2023 年，山东每个月都有负电价出现，其负电价的均价情况如下：
王伟总结全年 8600h 的情况，其中有 978h 处于负电价，其平均电价为-0.066 元/kWh；有 1005h 处于低电价，平均电价是 0.072 元/kWh；有 800h 电价在 0.6 元/kWh 以上；有 200h 电价在 0.8 元/kWh 以上。
▌华能海门示范应用（2024年9月投运）
2024 年 9 月 29 日，全国首套百万机组熔盐储热示范项目实现了顺利投产。经实测，其 k 值最高能够达到 1.5。
该项目把 4×机组与 60MW/熔盐储热系统进行耦合。在 1 号机组和 2 号机组上配置一套“二拖一”30 兆瓦熔盐储热的电加热系统，同时在 3 号机组和 4 号机组上也配置一套相同的系统。将这些系统接入机组的 6kV 高压厂用电系统，从而实现深度调峰与工业供汽的深度解耦，达成了相应功能。
供汽的压力为 3.0MPa、温度为 300℃、每小时 90t，进行深调，将其调至小于 40%。
调频：AGC指标K值提升至1.3以上，调频“四机联调”；
备用汽源和启动锅炉：环保、快速且免维护。
六、项目团队与工作基础
近几年，西安热工研究院的项目研究团队在煤电灵活性提升领域展开了多项国家级的科技攻关以及示范项目。他们获得了丰富的科研成果，并且与行业内知名的高校以及科研单位建立了深厚的合作基础。目前，他们正在开展 2 项国家重点研发计划，还有 3 项省级重点研发计划。
2023 年华能集团公司同意将“熔盐储热耦合煤电机组调频调峰及安全供汽系统”评定为其首台（套）重大技术装备。此评定之后，该系统将在后续相关项目中进行示范应用。同时，该项技术在 2023 年华能集团科学技术进步奖评选中获得了一等奖。
2024 年 7 月 2 日，中国科协发布了“科创中国”系列榜单，此榜单共有 230 项入榜项目。西安热工研究院有限公司研发的“熔盐储热耦合煤电机组调频调峰及安全供汽技术”，顺利入选了中国科协 2023 年“科创中国”系列榜中的先导技术项目。先导技术榜会挑选出具有产业先导意义以及广阔市场前景的前沿技术，以此来助力科技创新引领产业发展。
王伟称，目前该项目团队已完成 20 余项熔盐储热耦合煤电机组改造项目的可行性研究，完成 50 余项项目建议书，还完成了 3 项示范工程。熔盐储热技术的科技成果转化取得重大进展，极大地提升了示范机组的盈利能力，能够有力地保障在“双碳”背景下用电的灵活性以及用汽的安全性。
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