2.6 熱水罐儲能技術

利用汽輪機抽汽，將熱網回水加熱至供熱溫度，存儲在大型熱水罐中，使機組在用電負荷高而供暖負荷低的白天進行熱水儲能，夜間用電負荷低而供熱負荷高時由儲能系統進行供熱，在滿足供熱要求的基礎上提高機組運行的靈活度，可以使熱電聯產機組參與調峰，這也是目前北歐地區普遍采用的熱電解耦技術。

為降低成本，一般熱水罐采用單罐斜溫層儲熱模式，也就是利用熱水的溫度密度差，熱水存儲在儲罐的上部，冷水在儲罐的下部，熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層——斜溫層，實現一個罐體同時儲存高低溫水，簡化了儲熱系統配置。熱水罐分為常壓罐和承壓罐，常壓罐內壓力1bar，供熱溫度在95℃左右，優點是設備簡單，造價相對較低，但儲能密度小，體積較大;承壓罐壓力一般為2~3bar，熱水溫度為115~120℃，優點是儲能密度相對較高，但設備較復雜，罐壁較厚，造價較高。目前常壓儲熱水罐的工程應用較多，運行經驗豐富，技術成熟可靠。

3、 靈活性改造技術比較

熱電廠采用哪種改造技術，除了考察技術方案的安全性和可靠性之外，技改方案的調峰深度，投資成本，運行成本等將是決定最佳技術路線的關鍵因素，因此靈活性改造需要從這些方面進行對比分析。

以上6種靈活性改造技術路線中，汽輪機旁路供熱，低壓缸零出力技術和高背壓改造技術涉及汽輪機本體技改，主要是將汽輪機內部高溫高壓蒸汽的做功份額減小，將其轉化為對外供暖的熱能。汽輪機旁路供熱將做功能力較強的高溫高壓蒸汽抽出供熱，能夠大幅降低汽輪機組的強迫出力，具有較強的調峰能力，但同時，考慮到汽輪機旁路容量，再熱器超溫，汽輪機軸系推力匹配，抽汽回熱等問題，汽輪機旁路難以實現全容量抽汽，因此調峰幅度具有一定限制;從運行成本來看，將高品位熱能的高溫高壓蒸汽用于供暖，存在較大的熱經濟損失，運行成本較高。

低壓缸零出力技改將中壓缸排汽全部用于供熱，低壓缸做功為零，降低了發電機組出力水平，具有較強的調峰能力，而且由于排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，具有很好的熱經濟性，運行費用較低。

低壓缸高背壓循環水供熱技術是將低壓缸的排汽壓力升高，利用較高的排汽溫度加熱循環水供熱，使低壓缸既保留了做功能力，又能夠供熱且消除冷源損失，具有最佳的熱經濟性和運行成本優勢，但由于排汽壓力較高，需要更換專門的低壓缸轉子，改造費用較高。值得注意的是，高背壓技改方案使發電機組處于不可切換的高背壓運行狀態，使發電功率降低，并導致發電機組的頂尖峰負荷能力下降，可能帶來調峰收益折減。

汽輪機旁路供熱和低壓缸零出力改造的調峰深度如下圖2所示：

圖2：汽輪機旁路供熱和低壓缸零出力調峰深度

上圖中，紅線范圍是熱電廠原來的發電供熱運行范圍，經過汽輪機旁路和低壓缸零出力改造后的運行范圍如圖中實線藍線和黃線所示，綠色虛線是熱負荷線。改造后，汽輪機調峰能力和供熱能力增加，在供熱負荷不變的條件下，調峰能力較大的是低壓缸零出力技術，汽輪機旁路技術一般只能抽出部分容量主蒸汽對外供熱，因此調峰范圍有一定限制。

電極鍋爐、電熱固體儲熱和熱水罐儲熱技術不涉及熱電廠設備本體改造，對熱電廠正常運行影響較小。電極鍋爐直接消耗電能，減少熱電廠對外供電，以此增加對外調峰能力，但為滿足供熱需求，電極鍋爐供熱量需要和電廠鍋爐運行協調控制，因此調峰深度有限;相比之下，電熱固體儲熱一般具有較大的儲熱容量，可以靈活調節熱電廠發電功率和供熱量，甚至能夠實現熱電廠零出力，具有最好的調峰靈活性，但缺點是投資成本高，而且由于采用電供熱，熱經濟性差，運行成本高。

熱水儲能將用電高峰時的過剩熱能存儲起來，在需要調峰時，釋放熱能以滿足供熱需求，從熱電廠供熱特性圖來看，熱水儲能相當于將相對固定的供熱需求轉化為可變的供熱需求，拓展了熱電廠調峰運行范圍，如下圖3所示。

圖3：熱水儲能調峰范圍

如上圖所示，熱水儲能使熱電廠具備了雙向調峰能力，即可增加熱電廠低負荷運行能力，也能增加高峰期的頂負荷能力，也就是供熱蒸汽流量出現過剩時，將多余熱能存儲到熱水罐中，當電力需求處于低谷時，減小鍋爐和汽輪機出力，供熱不足的部分由熱水罐補充;當電力需求處于高峰時，增加鍋爐出力，減少汽輪機對外供熱，增強電廠的頂負荷能力，供熱不足的部分由熱水罐補充;由于采用蒸汽作為熱源，熱水儲能的熱經濟性好，運行成本較低。

綜上所述，以一個350MW熱電廠技改為例，簡要對比不同靈活性技改路線的投資成本，運行成本和調峰深度，如下表所示。

表1：靈活性改造技術對比表

從上表可以看出，在調峰深度指標上，電鍋爐固體儲熱具有最大的深度調峰優勢，但由于采用電能作為熱源，折算到等效煤耗的用能成本最高，因而運行成本最高;考慮到固體儲熱投資成本，采用該方案的項目技術經濟優勢不明顯。另外，從電力輔助服務市場的供求情況來看，在市場初期，調峰容量供不應求，固體儲熱項目往往能夠獲得較高的調峰收益，但隨著調峰電源逐漸增多，市場可提供的調峰容量不斷增加，供需逐漸平衡，高收益的深度調峰需求減少，固體儲熱高投入和高運行費用的劣勢凸顯，在與其他調峰技術競爭時，將處于不利地位。

電極鍋爐同樣采用電能作為熱源，雖然能夠增加電廠的調峰能力，也存在運行成本高的問題，在調峰深度相同的競價中，難以實現較高報價的收益，市場競爭中難以獲得有利地位。

汽輪機旁路供熱，低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術都能夠增加電廠的供熱能力，配合鍋爐負荷調整，能夠增加發電機組的調峰能力，但調峰能力的增加是以發電能力的降低為代價，而且隨著供熱負荷的增加，機組的頂尖峰能力下降，可能會帶來調峰收益的損失，例如現在東北地區輔助服務市場規則，如果調峰機組尖峰出力達不到額定容量的80%，調峰補償減半。

以蒸汽為熱源的熱水罐儲能技術，技術成熟可靠，運行成本低，投資費用適中，更重要的是，熱電廠采用熱水儲能可以獲得雙向調峰能力，既能夠增加熱電廠的調峰深度，也能夠增加高峰時段的頂負荷能力，在調峰市場中具有很強的競爭力，也是靈活性改造示范項目中應用最多的調峰技改路線。但同時，熱水儲能也存在儲熱密度低，空間占用較大的問題，尤其是城市區域的熱電廠改造，由于占地限制，技改存在困難。

4、結論

隨著電力輔助服務市場的初步建立，建設高效、靈活運行的火電廠是火電行業轉型升級的重要內容，也是建立電力現貨市場的重要物質基礎。各種火電靈活性改造技術面臨著激烈的市場化競爭，從改造成本，運行成本和調峰效果等方面對比分析，可以得出以下結論：

1) 以電能為熱源的固體儲熱技術和電極鍋爐能夠獲得最大的深度調峰能力，但存在投資成本高，運行費用高的問題，尤其在調峰市場供需趨向平衡的條件下，很難獲得高額的調峰收益，技改項目難以實現滿意的投資回報。

2) 汽輪機旁路供熱，低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術增加了熱電廠的供熱能力，通過調節鍋爐負荷，能夠增加調峰能力，具備較好的技術經濟可行性;但隨著熱負荷增加，機組的發電能力下降，可能帶來調峰收益損失。

3) 熱水罐儲熱技術具備最佳的運行靈活性，投資成本和運行成本具有明顯優勢，也是靈活性改造示范項目中采用最多的技術路線;但由于熱水儲熱的儲能密度低，空間占用較大，項目實施有一定的限制條件。

火電廠靈活性改造采用以蒸汽為熱源的熱儲能技術具有明顯的技術經濟優勢，未來仍需要進一步降低改造投資成本和提高儲能密度，隨著熱新技術、新材料、新工藝的不斷出現，熱儲能技術將會在火電廠靈活性改造中占據越來越重要的地位。