固體儲熱與燃煤發電系統耦合的數值模擬分析

閆百濤，劉冠杰

(1. 國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181; 2. 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209)

儲熱技術是以儲熱材料為媒介，將太陽能光熱、地熱、工業余熱、低品位廢熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放，力圖解決由于時間、空間或強度上的熱能供給與需求間不匹配所帶來的問題，最大限度地提高整個系統的能源利用率而逐漸發展起來的一種技術。儲熱技術的開發和利用能夠有效提高能源綜合利用水平，對于太陽能熱利用、電網調峰、工業節能和余熱回收、建筑節能等領域都具有重要的研究和應用價值[1-3]。

固體儲熱技術是指以固體為主要儲熱介質或儲熱體主要組成部分的儲熱技術。其具有體積相對恒定、材料來源廣泛、化學性能穩定、成本低、儲熱能力好等諸多優點，極具商業潛力[4]。目前我國火力發電行業存在裝機冗余過大、利用小時數偏低等問題，再加上冬季供熱造成的熱電解耦問題，火力發電與可再生能源發電之間矛盾日益突出，火力發電低負荷運行穩定性有待進一步提升[5]。本文就固體儲熱技術的發展現狀、相關應用、發展趨勢及其相對其他儲熱技術的優缺點作簡要綜述，并針對目前我國煤電行業面臨的深度調峰需求給出了直接儲熱與煤電耦合系統設計方案，以期提升煤電機組運行靈活性，增加機組運行效率，更大限度消納可再生能源發電量。將固體儲熱與燃煤發電系統耦合起來，達到提高能源利用效率、增強火力發電調峰能力以及緩解電網調度壓力的目的。

1 蒸汽直接加熱固體儲熱耦合燃煤發電系統方案設計

圖1是混凝土儲熱耦合燃煤發電系統方案流程。該系統采用混凝土作為儲熱介質，混凝土內部布置換熱管道，利用鍋爐主蒸汽作為熱源。當燃煤機組需要深度調峰時鍋爐主蒸汽從主蒸汽管道旁路直接引至混凝土儲熱模塊，汽輪機從系統切除，在混凝土儲熱模塊前布置一臺高背壓汽輪發電機組，利用背壓機發電量支撐全廠用電，將主蒸汽熱量儲存至混凝土儲熱模塊，換熱后的凝結水返回發電機組汽水系統。當供熱量無法滿足需要時，可以將工業水送入儲熱模塊加熱蒸發后送入熱網換熱器。

圖1 混凝土儲熱與燃煤發電機組耦合系統示意圖

非供熱季時，在發電負荷容許時儲熱模塊儲存的熱量可將凝結水加熱為中溫中壓蒸汽送入鍋爐汽輪機系統；也可為儲熱模塊單獨配置一臺中溫中壓汽輪發電機組完成發電上網。

以135 MW循環流化床鍋爐發電機組為例(為簡化計算，暫不考慮再熱機組)，最低穩燃負荷可降低至30%THA，鍋爐熱負荷為120 MWth，廠用電率按照10%計算，該工況下廠用電總功率為4 MW，如用背壓機支撐廠用電，按照其內效率70%計算，背壓機需消耗熱功率5.8 MW，因此進入儲熱模塊的熱量為114.2 MW。按照儲存30%負荷熱量4個小時計算，儲熱模塊總容量設計為1 644.5 GJ。如儲熱及換熱綜合效率按照90%核算，有效供熱量可達到1 480 GJ。如按照8小時供熱設計，單位面積供熱量42 W/m2，該系統可新增122.4萬m2供熱能力。在非供熱季，儲熱模塊可產生中溫中壓蒸汽在電網容許時再上網發電，儲熱效率按照90%、中溫中壓發電機組按照25%計算，發電量與直接發電相比為降低約36%，單次儲熱可發電104 MW·h。系統熱力參數如表1所示。

綜合考慮供熱季和非供熱季綜合收益，儲熱系統年收益可達4 000萬元以上，詳細結果見表2。

2 固體儲熱數值模擬分析

2.1 計算方法原理

根據換熱介質狀態，本方案將混凝土儲熱分為過熱蒸汽段、相變段和冷凝水段三個階段，并根據階段特征分別設計儲熱模塊，進行模擬計算。

表1 儲熱系統熱力參數

表2 蓄熱系統收益表

儲熱過程中，電廠鍋爐產生的過熱蒸汽對混凝土的高溫部分進行儲熱、水工質的相變部分對混凝土的中溫部分進行儲熱、水工質的冷凝水部分對混凝土的低溫部分進行儲熱；取熱過程中，經過汽輪機高加之后的過冷水從混凝土的低溫部分進行取熱，取熱進一步變為蒸汽所需相變熱量從混凝土的中溫部分獲取，而過熱蒸汽所需過熱熱量從混凝土的高溫部分獲得，各部分熱量都是由混凝土的溫差顯熱提供，水/蒸汽傳遞熱量的儲存和汽輪機所需熱量的提取過程可以近乎完美地匹配。

該混凝土固態儲熱系統的換熱過程運行曲線也同樣位于兩個蒸汽相變的平臺中間，實際案例中可利用的溫度差在40℃左右，因單位質量的耐高溫混凝土材料成本大約僅為熔鹽材料成本的1/12左右，而兩者比熱容參數差距不是特別大，這就使得這種小溫差、大容量的顯熱儲熱方式具有了經濟可行性[6-7]。

儲熱系統(或系統的部分單元)熱量儲滿后，取熱前期可以執行汽輪機的100%負荷運行，隨著所存熱量逐漸減少，溫度品位逐漸有所降低，汽輪機還可以滑壓方式運行，例如從100%出力逐漸至80%出力曲線，工作壓力也隨之下降到額定工作壓力的80%左右，蒸汽飽和溫度點也隨之降低，取熱溫差增大，混凝土儲存的大量熱量得以繼續釋放；特別的，當遇到長期的陰雨雪天氣，因混凝土儲熱體質量巨大且沒有溫度過冷凝固限制，當溫差加大時能夠取出巨大熱量，因此可以使汽輪機在低負荷狀態運行較長時間，例如極端情況下，能夠保持汽輪機20%甚至更低負荷超長時間連續運行，使得發電的穩定性和安全性的特點更加鮮明和突出。混凝土固態儲熱系統的指標特點與常見電網調度需求特點一致，能夠提供一段時間的最大功率取熱輸出，對應支持晚高峰滿負荷發電，接下來的低谷用電時段，汽輪機可以降低一定輸出功率，以加大取熱溫差盡量多提取儲存的熱量，實現儲熱系統高效利用。

2.2 數值模擬方案

混凝土儲熱模塊為長方體，尺寸如表3所示。總長50 m，截面為2.1 m×2.1 m的正方形。其中換熱流體管道直徑為50 mm，采用6×6順排布置。為方便進行模擬計算，根據管道布置的對稱性，采用圖2所示(圖2中淺色代表混凝土，深色代表管道，下同)的重復單元作為模擬單元，以此代表整個混凝土儲熱塊的儲熱情況。圖3為儲熱系統單元截面幾何示意圖。

表3 混凝土儲熱塊幾何尺寸 m

圖2 混凝土儲熱塊截面幾何示意圖

圖3 混凝土模擬單元截面幾何示意圖

利用ICEM軟件將物理模型進行結構化網格劃分，截面網格劃分如圖 4所示，全模型共劃分網格數為222 024。

圖4 混凝土模擬單元截面網格劃分示意圖

2.3 各段換熱量模擬計算結果

過熱蒸汽段、相變段和冷凝水段換熱量如表4所示。

從模擬計算結果可見，對于過熱蒸汽段以及冷凝水段，其初始1 h內的換熱量分別占總換熱量的35.9%和37.1%，為高效儲熱階段，其后時間其儲熱效率逐漸降低，分析結果見圖5。

模型出口處蒸汽溫度、混凝土截面平均溫度等變化情況如圖6～圖8所示。可知水蒸氣與混凝土的換熱強度隨儲熱時間的增長而由大變小再趨于平緩。具體而言，在儲熱前半小時出口處水蒸氣的溫度升高速率極大，說明單位時間內的儲熱量在急劇下降，這點從熱流密度的數值及變化趨勢上也得到了驗證。相應地從圖6可以明顯看到，該時段也是混凝土溫度上升速率最快的儲熱階段。這是由于儲熱初始時段管壁附近的混凝土溫度低而水蒸氣溫度高，兩者間溫差大，故而儲熱效率高。而隨著管壁附近混凝土溫度的升高，對流換熱的溫差驅動力減小，儲熱的主導因素由水蒸氣與混凝土間的對流傳熱轉變為了混凝土內部的固體導熱，所以混凝土的整體儲熱速率放緩。而到儲熱1 h時，高速儲熱階段基本結束。在之后的3 h內，出口處水蒸氣溫度變化速率趨于穩定，相應地混凝土溫度上升速率也趨于穩定，進入混凝土內部導熱占主導作用的低速儲熱階段。若再隨著儲熱繼續進行，不難推斷，當近管壁混凝土溫度與水蒸氣溫度趨于相近時，混凝土內部的熱傳導驅動力也將逐漸減小，混凝土整體將進入儲熱飽和階段。

表4 各段換熱量模擬計算結果

圖 5 過熱蒸汽段和冷凝水段各儲熱時間換熱量占比

圖6 出口蒸汽溫度隨時間變化曲線

圖7 出口混凝土截面平均溫度隨時間變化曲線

圖8 出口處單位長度管壁熱流密度隨時間變化曲線

2.4 儲熱經濟性分析

根據上述模擬計算結果，結合混凝土儲熱塊的造價，下面對混凝土不同儲熱階段的經濟性進行簡要分析，以得出相應規律。

1)水工質完全放熱儲熱量計算

根據模擬計算結果(見表5)中各階段不同儲熱時段的換熱量比例，可以得到各階段流體工質充分換熱，即過熱蒸汽由540 ℃放熱至311 ℃，冷凝水由311 ℃放熱至100 ℃時，不同儲熱時段的換熱量值。

2)所需儲熱混凝土用量預估

考慮到水工質放熱及混凝土儲熱效率，以儲熱進行3小時的換熱情況計算所需儲熱混凝土的用量。

對過熱蒸汽段，其3小時儲熱總量為487.8 GJ。根據計算結果，該時刻混凝土的平均溫度為423.12 ℃，由該段混凝土初始溫度為271 ℃，可得此時混凝土的平均儲熱溫差為152.12 ℃。取混凝土的比熱容為900 J/(kg·K)，密度為2 500 kg/m3，得有效儲熱混凝土的用量為1 425.2 m3。

對冷凝水段，其3小時儲熱總量為641.4 GJ。根據計算結果，該時刻混凝土的平均溫度為209.57 ℃，由該段混凝土初始溫度為60 ℃，可得此時混凝土的平均儲熱溫差為149.57 ℃。取混凝土的比熱容為900 J/(kg·K)，密度為2 500 kg/m3，得有效儲熱混凝土的用量為1 905.9 m3。

表5 各階段流體工質充分換熱時各儲熱時段換熱量預估值

注：總換熱量按Q=qmcρΔt和Q=qmqt公式計算，流體工質流量qm為200 t/h，汽化潛熱qt為1 317 kJ/kg，水工質比熱cρ由refprop物性軟件按不同溫度下的數據擬合得到。

對相變段，根據過熱蒸汽段和冷凝段的計算結果，假設該段的初始混凝土溫度為100 ℃，進行3小時儲熱后其溫差達到混凝土初始溫度和水蒸氣冷凝溫度之差211 ℃的60%(過熱蒸汽段的為66.4%，冷凝段的為59.6%)，即126.6 ℃。儲熱3小時，相變段的換熱量為789 GJ，故而可得有效儲熱混凝土的用量為2 769.9 m3。

各階段預計混凝土用量見表6。

表6 各階段預計混凝土用量

3 結 論

本研究針對固體儲熱與煤電耦合進行深度調峰的方案進行了初步設計和分析，建立了基于混凝土材料儲熱的數值分析模型，開展了混凝土/汽水系統傳熱研究以及經濟性分析。研究結果表明，混凝土導熱率限制了其傳熱效率，因而混凝土模塊的截面積選取以及混凝土與管道之間的傳熱面積具有重要作用，直接影響了混凝土模塊的儲熱效率和儲熱容量；根據經濟性分析，混凝土儲熱具有良好的成本優勢，具有極大的應用潛力。