固体储热与燃煤发电系统耦合的数值模拟分析

闫百涛，刘冠杰

(1. 国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181; 2. 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209)

储热技术是以储热材料为媒介，将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，在需要的时候释放，力图解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求间不匹配所带来的问题，最大限度地提高整个系统的能源利用率而逐渐发展起来的一种技术。储热技术的开发和利用能够有效提高能源综合利用水平，对于太阳能热利用、电网调峰、工业节能和余热回收、建筑节能等领域都具有重要的研究和应用价值[1-3]。

固体储热技术是指以固体为主要储热介质或储热体主要组成部分的储热技术。其具有体积相对恒定、材料来源广泛、化学性能稳定、成本低、储热能力好等诸多优点，极具商业潜力[4]。目前我国火力发电行业存在装机冗余过大、利用小时数偏低等问题，再加上冬季供热造成的热电解耦问题，火力发电与可再生能源发电之间矛盾日益突出，火力发电低负荷运行稳定性有待进一步提升[5]。本文就固体储热技术的发展现状、相关应用、发展趋势及其相对其他储热技术的优缺点作简要综述，并针对目前我国煤电行业面临的深度调峰需求给出了直接储热与煤电耦合系统设计方案，以期提升煤电机组运行灵活性，增加机组运行效率，更大限度消纳可再生能源发电量。将固体储热与燃煤发电系统耦合起来，达到提高能源利用效率、增强火力发电调峰能力以及缓解电网调度压力的目的。

1 蒸汽直接加热固体储热耦合燃煤发电系统方案设计

图1是混凝土储热耦合燃煤发电系统方案流程。该系统采用混凝土作为储热介质，混凝土内部布置换热管道，利用锅炉主蒸汽作为热源。当燃煤机组需要深度调峰时锅炉主蒸汽从主蒸汽管道旁路直接引至混凝土储热模块，汽轮机从系统切除，在混凝土储热模块前布置一台高背压汽轮发电机组，利用背压机发电量支撑全厂用电，将主蒸汽热量储存至混凝土储热模块，换热后的凝结水返回发电机组汽水系统。当供热量无法满足需要时，可以将工业水送入储热模块加热蒸发后送入热网换热器。

图1 混凝土储热与燃煤发电机组耦合系统示意图

非供热季时，在发电负荷容许时储热模块储存的热量可将凝结水加热为中温中压蒸汽送入锅炉汽轮机系统；也可为储热模块单独配置一台中温中压汽轮发电机组完成发电上网。

以135 MW循环流化床锅炉发电机组为例(为简化计算，暂不考虑再热机组)，最低稳燃负荷可降低至30%THA，锅炉热负荷为120 MWth，厂用电率按照10%计算，该工况下厂用电总功率为4 MW，如用背压机支撑厂用电，按照其内效率70%计算，背压机需消耗热功率5.8 MW，因此进入储热模块的热量为114.2 MW。按照储存30%负荷热量4个小时计算，储热模块总容量设计为1 644.5 GJ。如储热及换热综合效率按照90%核算，有效供热量可达到1 480 GJ。如按照8小时供热设计，单位面积供热量42 W/m2，该系统可新增122.4万m2供热能力。在非供热季，储热模块可产生中温中压蒸汽在电网容许时再上网发电，储热效率按照90%、中温中压发电机组按照25%计算，发电量与直接发电相比为降低约36%，单次储热可发电104 MW·h。系统热力参数如表1所示。

综合考虑供热季和非供热季综合收益，储热系统年收益可达4 000万元以上，详细结果见表2。

2 固体储热数值模拟分析

2.1 计算方法原理

根据换热介质状态，本方案将混凝土储热分为过热蒸汽段、相变段和冷凝水段三个阶段，并根据阶段特征分别设计储热模块，进行模拟计算。

表1 储热系统热力参数

表2 蓄热系统收益表

储热过程中，电厂锅炉产生的过热蒸汽对混凝土的高温部分进行储热、水工质的相变部分对混凝土的中温部分进行储热、水工质的冷凝水部分对混凝土的低温部分进行储热；取热过程中，经过汽轮机高加之后的过冷水从混凝土的低温部分进行取热，取热进一步变为蒸汽所需相变热量从混凝土的中温部分获取，而过热蒸汽所需过热热量从混凝土的高温部分获得，各部分热量都是由混凝土的温差显热提供，水/蒸汽传递热量的储存和汽轮机所需热量的提取过程可以近乎完美地匹配。

该混凝土固态储热系统的换热过程运行曲线也同样位于两个蒸汽相变的平台中间，实际案例中可利用的温度差在40℃左右，因单位质量的耐高温混凝土材料成本大约仅为熔盐材料成本的1/12左右，而两者比热容参数差距不是特别大，这就使得这种小温差、大容量的显热储热方式具有了经济可行性[6-7]。

储热系统(或系统的部分单元)热量储满后，取热前期可以执行汽轮机的100%负荷运行，随着所存热量逐渐减少，温度品位逐渐有所降低，汽轮机还可以滑压方式运行，例如从100%出力逐渐至80%出力曲线，工作压力也随之下降到额定工作压力的80%左右，蒸汽饱和温度点也随之降低，取热温差增大，混凝土储存的大量热量得以继续释放；特别的，当遇到长期的阴雨雪天气，因混凝土储热体质量巨大且没有温度过冷凝固限制，当温差加大时能够取出巨大热量，因此可以使汽轮机在低负荷状态运行较长时间，例如极端情况下，能够保持汽轮机20%甚至更低负荷超长时间连续运行，使得发电的稳定性和安全性的特点更加鲜明和突出。混凝土固态储热系统的指标特点与常见电网调度需求特点一致，能够提供一段时间的最大功率取热输出，对应支持晚高峰满负荷发电，接下来的低谷用电时段，汽轮机可以降低一定输出功率，以加大取热温差尽量多提取储存的热量，实现储热系统高效利用。

2.2 数值模拟方案

混凝土储热模块为长方体，尺寸如表3所示。总长50 m，截面为2.1 m×2.1 m的正方形。其中换热流体管道直径为50 mm，采用6×6顺排布置。为方便进行模拟计算，根据管道布置的对称性，采用图2所示(图2中浅色代表混凝土，深色代表管道，下同)的重复单元作为模拟单元，以此代表整个混凝土储热块的储热情况。图3为储热系统单元截面几何示意图。

表3 混凝土储热块几何尺寸 m

图2 混凝土储热块截面几何示意图

图3 混凝土模拟单元截面几何示意图

利用ICEM软件将物理模型进行结构化网格划分，截面网格划分如图 4所示，全模型共划分网格数为222 024。

图4 混凝土模拟单元截面网格划分示意图

2.3 各段换热量模拟计算结果

过热蒸汽段、相变段和冷凝水段换热量如表4所示。

从模拟计算结果可见，对于过热蒸汽段以及冷凝水段，其初始1 h内的换热量分别占总换热量的35.9%和37.1%，为高效储热阶段，其后时间其储热效率逐渐降低，分析结果见图5。

模型出口处蒸汽温度、混凝土截面平均温度等变化情况如图6～图8所示。可知水蒸气与混凝土的换热强度随储热时间的增长而由大变小再趋于平缓。具体而言，在储热前半小时出口处水蒸气的温度升高速率极大，说明单位时间内的储热量在急剧下降，这点从热流密度的数值及变化趋势上也得到了验证。相应地从图6可以明显看到，该时段也是混凝土温度上升速率最快的储热阶段。这是由于储热初始时段管壁附近的混凝土温度低而水蒸气温度高，两者间温差大，故而储热效率高。而随着管壁附近混凝土温度的升高，对流换热的温差驱动力减小，储热的主导因素由水蒸气与混凝土间的对流传热转变为了混凝土内部的固体导热，所以混凝土的整体储热速率放缓。而到储热1 h时，高速储热阶段基本结束。在之后的3 h内，出口处水蒸气温度变化速率趋于稳定，相应地混凝土温度上升速率也趋于稳定，进入混凝土内部导热占主导作用的低速储热阶段。若再随着储热继续进行，不难推断，当近管壁混凝土温度与水蒸气温度趋于相近时，混凝土内部的热传导驱动力也将逐渐减小，混凝土整体将进入储热饱和阶段。

表4 各段换热量模拟计算结果

图 5 过热蒸汽段和冷凝水段各储热时间换热量占比

图6 出口蒸汽温度随时间变化曲线

图7 出口混凝土截面平均温度随时间变化曲线

图8 出口处单位长度管壁热流密度随时间变化曲线

2.4 储热经济性分析

根据上述模拟计算结果，结合混凝土储热块的造价，下面对混凝土不同储热阶段的经济性进行简要分析，以得出相应规律。

1)水工质完全放热储热量计算

根据模拟计算结果(见表5)中各阶段不同储热时段的换热量比例，可以得到各阶段流体工质充分换热，即过热蒸汽由540 ℃放热至311 ℃，冷凝水由311 ℃放热至100 ℃时，不同储热时段的换热量值。

2)所需储热混凝土用量预估

考虑到水工质放热及混凝土储热效率，以储热进行3小时的换热情况计算所需储热混凝土的用量。

对过热蒸汽段，其3小时储热总量为487.8 GJ。根据计算结果，该时刻混凝土的平均温度为423.12 ℃，由该段混凝土初始温度为271 ℃，可得此时混凝土的平均储热温差为152.12 ℃。取混凝土的比热容为900 J/(kg·K)，密度为2 500 kg/m3，得有效储热混凝土的用量为1 425.2 m3。

对冷凝水段，其3小时储热总量为641.4 GJ。根据计算结果，该时刻混凝土的平均温度为209.57 ℃，由该段混凝土初始温度为60 ℃，可得此时混凝土的平均储热温差为149.57 ℃。取混凝土的比热容为900 J/(kg·K)，密度为2 500 kg/m3，得有效储热混凝土的用量为1 905.9 m3。

表5 各阶段流体工质充分换热时各储热时段换热量预估值

注：总换热量按Q=qmcρΔt和Q=qmqt公式计算，流体工质流量qm为200 t/h，汽化潜热qt为1 317 kJ/kg，水工质比热cρ由refprop物性软件按不同温度下的数据拟合得到。

对相变段，根据过热蒸汽段和冷凝段的计算结果，假设该段的初始混凝土温度为100 ℃，进行3小时储热后其温差达到混凝土初始温度和水蒸气冷凝温度之差211 ℃的60%(过热蒸汽段的为66.4%，冷凝段的为59.6%)，即126.6 ℃。储热3小时，相变段的换热量为789 GJ，故而可得有效储热混凝土的用量为2 769.9 m3。

各阶段预计混凝土用量见表6。

表6 各阶段预计混凝土用量

3 结 论

本研究针对固体储热与煤电耦合进行深度调峰的方案进行了初步设计和分析，建立了基于混凝土材料储热的数值分析模型，开展了混凝土/汽水系统传热研究以及经济性分析。研究结果表明，混凝土导热率限制了其传热效率，因而混凝土模块的截面积选取以及混凝土与管道之间的传热面积具有重要作用，直接影响了混凝土模块的储热效率和储热容量；根据经济性分析，混凝土储热具有良好的成本优势，具有极大的应用潜力。