一种燃煤电厂与液态二氧化碳储能系统耦合的设计与热力学分析，以实现宽负荷运行

本研究提出液态二氧化碳储能系统（LCES）与超临界燃煤电厂（CFPP）深度融合的调峰技术，通过构建热力学模型并优化充放电策略，实现最大出力提升21.35%（达800.92MW）、最小出力降低30%（达0%）、调节范围扩展至121.35%额定容量，等效循环效率71.15%。熵产分析表明LCES子系统仅占4.6%，核心节能优化集中在锅炉与汽轮机。

　　

王赵婷|陈永安|李梦杰|姚克英|翟荣荣|何雅玲

西安交通大学能源存储技术产教融合国家创新平台（中心），中国西安，710049

摘要

为应对高可再生能源渗透率下热电调峰需求的增加，本研究提出了一种新的技术解决方案，即将液态二氧化碳储能（LCES）与燃煤电厂（CFPP）相结合，以实现深度调峰。基于这一概念，建立了660兆瓦超临界CFPP和100兆瓦LCES集成系统的热力学模型。通过最大化零电网输出条件下的热储存功率来确定最佳充电方案，同时通过最大化等效往返效率来确定最佳放电方案。所提出的方案通过级联热交换/储存技术进一步扩展了运行灵活性，同时充分利用了LCES的充放电能力。结果表明，优化的CFPP-LCES系统使最低输出功率降低了30%，实现了110兆瓦的热储存，且4小时内零功率输出。同时，系统最大输出功率增加了21.35%，达到800.92兆瓦，也持续了4小时。该系统的等效往返效率为71.15%，并将可调发电范围从集成前的额定容量的70%扩展到121.35%，实现了宽范围的调节（0%–121.35%额定功率）。熵分析表明，该集成CFPP-LCES系统的总熵破坏率为58.89%，其中LCES子系统的贡献仅为4.6%。CFPP，特别是其锅炉和冷凝器，是节能优化的重点。

引言

随着可再生能源在全球能源结构中比例的迅速增加，其固有的变异性和间歇性对电力系统的安全稳定运行带来了重大挑战[1]、[2]。为了促进可再生能源的整合，占电力生产主导地位的燃煤电厂（CFPP）将越来越多地承担更复杂的调峰任务[3]。这要求CFPP在更宽的负载范围内可靠运行，特别是在极低负载条件下，从而为可再生能源的整合创造更大的灵活性，同时避免频繁的机组启动和停止[4]、[5]。

然而，在低负载条件下，CFPP容易在锅炉内发生不完全燃烧，影响其稳定运行[6]。对于超临界机组，当负载降至额定负载的30%以下时，锅炉必须从干式运行切换到湿式运行。湿式运行会显著降低过热和再热蒸汽的温度，危及机组安全[7]。因此，在低负载调峰运行期间整合储能系统是一个解决方案。通过储存CFPP产生的部分电能或热能，并减少输送到电网的功率，可以使锅炉保持在相对较高且更稳定的负载下[8]。这种方法有助于CFPP的深度调峰。为了提高CFPP的灵活性，可以从电气侧和热侧采取相应措施：在热侧，可以整合热能储存技术来回收锅炉烟气中的废热[9]或从过热蒸汽中提取热量[10]、[11]进行储存。在电气侧，可以利用电能储存系统来储存CFPP产生的电能，使电力输出时间与电网需求相匹配。在各种储能技术中，压缩气体储能系统尤为突出，因为它不仅可以储存电能，还可以结合热能的回收和释放过程，从而实现与CFPP的同时电热耦合。与单侧耦合方法相比，这种集成方法可以显著扩展热电厂的运行范围。

根据工作流体的不同，压缩气体储能主要可以分为压缩空气储能（CAES）和压缩二氧化碳储能（CCES）。在过去二十年里，以陈的团队为代表的研究人员对CAES进行了广泛的研究，从整体系统到各个组件都有涉及，极大地推进了其商业应用[12]、[13]。然而，由于其相对较低的能量密度，建造大规模的地表储罐需要大量的土地面积，从而增加了设备和土地成本。因此，CAES系统通常采用地下储存解决方案，如盐穴[14]、[15]、含水层[16]、[17]和人工洞穴[18]、[19]进行空气储存。对于集成到CFPP中的CAES灵活性改造，靠近CFPP的位置至关重要，进一步限制了选址的灵活性[20]。尽管液化空气可以提高其体积能量密度，但相关的技术复杂性和成本也会显著增加[21]。相比之下，CO₂更容易达到超临界状态（CO₂临界点：31.1°C，7.38 MPa；空气临界点：-140.6°C，3.77 MPa），更易于液化储存，并且不受地理位置的限制[22]。鉴于这些优势，CCES系统，特别是以液态形式储存CO₂的液态二氧化碳储能（LCES），成为提高CFPP运行灵活性的可行技术解决方案[23]。

目前，关于CCES与热电厂整合的研究主要集中在耦合方案设计和运行调度策略上。关于系统整合，现有方法可以分为四种主要类型（如表1所示）：（1）没有独立热储存的CCES，其中充电过程利用电厂冷凝水来回收压缩热，放电过程使用从涡轮机提取的蒸汽来预热CO₂；（2）具有自身热储存系统的CCES，其中涡轮机提取的蒸汽用于进一步提高CCES高温储存罐的温度，从而提高CO₂的入口温度；（3）提取部分过热蒸汽来驱动小型蒸汽涡轮机，直接为CCES压缩机提供动力；（4）CCES与电厂之间仅存在电气连接，没有热交换。其中，前三种类型涉及强烈的热侧耦合，改变了电厂原有的蒸汽-水循环。对于前两种类型的研究相对较多。例如，关于类型1，韩等人[24]研究了充电过程中不同回水位置和放电过程中不同蒸汽提取位置对集成系统性能的影响。这种方法导致充电期间电厂输出功率增加，放电期间输出功率减少，这与典型的峰谷负荷需求不符。对于类型2，张等人[25]提出了一种蒸汽喷射器辅助的CCES-CHP集成方法，表明喷射器提高了蒸汽的可用性并降低了热消耗，从而显著降低了CHP单元的最小电力负荷。然而，这种方案可能导致CCES（特别是LCES系统）偏离其最佳设计条件。

关于运行调度，刘等人[36]提出了一种基于CHP单元的多级CCES储能系统。该系统在充电和放电过程中运行在三个不同的功率水平。在与CHP单元协同应对可再生能源波动时，与传统的CCES系统相比，该系统分别减少了61.62%的风力削减和19.37%的不匹配能量。王等人[34]利用中间压涡轮机提取的蒸汽来驱动小型蒸汽涡轮机，进而为CCES系统的压缩机提供动力。这种配置实现了70.32 MW/分钟的快速负荷减少率。刘等人[37]采用了类似的耦合方法，并研究了分割比、涡轮机出口压力、CO₂流量和蒸汽提取位置等参数对系统热力学性能的影响。耦合系统中CFPP的输出功率减少了14.29%。郝等人[38]提出的耦合系统中，将CCES与CHP单元集成，利用无法回收的CCES废热为热用户提供热量。这种方法扩大了CHP单元的运行范围。此外，他们提出了一种构建耦合系统可行运行区域的方法，为集成能源系统的容量规划和调度提供了有价值的参考。

为了解决现有主流耦合方案中的局限性——类型1导致电厂输出与电网需求不匹配，类型2可能导致CCES偏离其最佳运行条件——本研究调查了一个660兆瓦超临界CFPP与100兆瓦LCES系统的集成，提出了一种新的耦合策略，使集成系统能够在宽负载范围内运行。首先，开发了集成CFPP-LCES系统的全面热力学模型。随后，基于该模型分析了不同能量充电和放电方案对系统性能的影响机制。然后通过最大化零功率输出充电过程中的热储存功率和放电过程中的等效往返效率来优化集成配置。最后，将结果CFPP-LCES配置与解耦系统进行了比较评估，同时对集成系统的熵破坏进行了评估，确定了提高效率的关键组件。

章节摘录

CFPP-LCES集成模型

所提出的CFPP-LCES集成系统（图1）包括两个主要模块：来自中国华能集团的660兆瓦超临界CFPP（魏家庙热电厂），包括锅炉、蒸汽涡轮机和再生给水加热系统；一个100兆瓦/400兆瓦时的LCES系统，具有多级压缩机/膨胀机、热交换器、高压/低压CO₂储存罐和三层热储存罐（高温/中温/低温）。

系统的充电过程在非高峰时段进行

基础LCES系统的性能

图5展示了LCES系统中CO₂在额定运行条件下的< />

图。系统中最高的温度出现在压缩机出口点（点4和7），达到172.1°C。保持两个压缩机阶段的出口温度相同，可以确保来自两个中间冷却器（IC1、IC2）的热油的温度一致性，从而最小化与油混合相关的熵破坏。此外，在充电过程中实施冷却器

最佳集成方案

结合充电和放电过程确定的最佳方案，选定的最佳集成方案如图17所示。在充电过程中，锅炉以与预集成CFPP中30% THA条件相同的热负荷运行，以生成主蒸汽。蒸汽涡轮机产生的电能全部用于驱动LCES系统中的压缩机进行CO₂压缩。LOT中的热油最初吸收CO₂的压缩热

结论

本研究提出了一种利用新型液态二氧化碳储能（LCES）系统对燃煤电厂（CFPP）进行深度调峰的技术解决方案。通过优化充电/放电集成方案并采用级联热储存/交换，集成系统实现了从0%到121.35%的超宽负载运行。主要结论如下：

(1)

在充电过程中，从高压涡轮机排气蒸汽（SHS4）逐步提取热量

术语表

放电期间HX1和HX2之间的热油温度希腊字母符号压缩比β_E膨胀比η_{s等熵效率}时间（s）下标充电

h	比焓（kJ·kg?1
m	质量流量（kg·s?1
p	压力（Pa）
Pmax	最大输出功率
Pmin	最小输出功率
Q	传热速率（kW）
rmax	CFPP最大输出功率的变化率
rmin	CFPP最小输出功率的变化率
s	熵（kJ·kg?1·K?1
T	温度（°C）
Tmid
W	功率（kW）
βC
τ
ch, dch

CRediT作者贡献声明

王赵婷：撰写——原始草案，验证，软件，调查，正式分析。陈永安：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。李梦杰：撰写——审阅与编辑，监督，调查，正式分析。姚克英：撰写——审阅与编辑，正式分析。翟荣荣：撰写——审阅与编辑，正式分析。何雅玲：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52306273）和中国能源工程有限公司的重大科技项目（编号：CEEC2023-KJZX-02）的支持。