火電靈活改造、工業蒸汽,打開熔鹽儲熱更廣闊的應用場景

1月16日,國海證券發布研報《熔鹽儲能:長時儲能黃金賽道》,主要從應用場景、產業鏈入手分析了熔鹽儲能的發展現狀。

熔鹽是一種優良的傳熱儲能介質。在光熱發電系統中,熔鹽同時扮演了傳熱和儲能介質。硝酸鹽具有工作溫度區間廣、儲能密度高、無需高壓運行、黏度低流動性好、壽命長等優良特性,非常適合作為傳熱、儲能介質。

內容選自國海證券研報《熔鹽儲能:長時儲能黃金賽道》,

目前熔鹽儲能技術已經廣泛應用于太陽能光熱發電系統等新能源系統,利用了硝酸鹽儲能特性將太陽光熱能轉換為熔鹽的內能來存儲和發出能量,實現了能量在時空上的遷移,滿足可再生能源的電網調峰需求。除了光熱領域外,熔鹽儲能在熔鹽儲能供暖、供蒸汽、火電機組靈活改造領域有競爭優勢。

火電靈活性改造:熔鹽儲能相比常規路徑具備優勢

1、常規火電機組改造路徑:有一定局限性

火電機組靈活性改造方案目標是增加調峰深度、實現快速啟停、加快爬坡能力,其中重點是提高機組的深度調峰能力。常規火電機組的路徑包括鍋爐側系統改造方案和汽機側“熱電解耦”方案。

鍋爐側改造方案一般是圍繞解決低負荷工況下,鍋爐不能穩定燃燒以及脫硝不能正常運行的問題;汽機側改造方案則是針對熱電聯產機組,在供熱季采用解耦或者削弱“以熱定電”的運行方式,滿足機組供熱要求的同時減少發電出力。

但常規靈活性改造也存在一些問題,例如低負荷運轉下主機效率降低、影響機組設備壽命、燃料系統控制的問題,而且熱電聯產機組改造方案只適用于采暖期,有一定局限性。

▲常規火電機組靈活改造方案

2、改造原理:在“鍋爐-汽機”之間嵌入高溫熔鹽儲熱系統

 

加入高溫熔鹽儲能系統,是火電機組靈活性改造的一種新型技術路線?;痣婂仩t的低負荷運行是靈活運行的最大瓶頸,因此設置儲熱系統可以將鍋爐產生的高溫蒸汽存儲起來,削弱原本剛性的“爐機耦合”?;痣姍C組鍋爐出口蒸汽溫度在540~560,與高溫熔鹽儲熱技術很好的匹配了溫度參數,非常適合火電機組儲熱。

火電常規機組的靈活性改造原理是,在火電機組“鍋爐-汽機”熱力系統中嵌入一套外置的高溫熔鹽儲熱系統。當火電機組向下調節出力時,啟動儲熱模塊,鍋爐產生的過熱蒸汽和再熱蒸汽通過儲熱功率模塊對熔鹽進行放熱,低溫罐中冷熔鹽升溫后存儲在儲熱罐中。當火電機組需要出力時,高溫熔鹽罐中的高溫熔鹽通過放熱功率模塊進行放熱,產生的蒸汽回到汽輪機做工發電,釋放熱量后的熔鹽再次回到低溫罐中存儲。

▲嵌入高溫熔鹽儲熱系統的火電機組工藝圖

火電靈活改造配置熔鹽儲熱系統優勢:

1)理論綜合效率高:根據李峻2021年《基于高溫熔鹽儲熱的火電機組靈活性改造技術及其應用前景分析》中的估算,火電熔鹽儲能系統理論綜合效率為76.2%,接近抽水蓄能機組,能源利用效率高于熱電聯產機組、電鍋爐調峰供熱方案。

2)大幅度增加火電廠深度調峰能力:汽機可以在5%額定負荷下運行,如果加入電加熱模塊,可以實現機組零功率上網。

3)儲熱時間長:靈活設置儲熱罐容量即可,可以實現單日10h以上儲熱能力,可以通過擴大熔鹽儲熱罐容量擴充儲能時長。
  4)儲熱參數高:熔鹽儲熱溫度可以達到500℃以上,蒸汽溫度可以達到亞臨界參數。

5)使用壽命長、綜合效率高:使用壽命長達30,平準化發電成本低。熔鹽儲熱的火電靈活改造技術與現有的改造方案相比,具有能耗低、機組運行節能可靠等優點。通過熔鹽放熱,可以拓寬機組負荷的調峰范圍,提高機組運行的靈活性。

3、高溫熔鹽儲熱技術的經濟性測算

高溫熔鹽儲熱技術在火電機組有很強的適應性。

第一,改造后的火電機組可以更好的適應電力市場改革,獲取更多輔助服務收益。隨著各地電力輔助服務市場政策加快出臺,采用高溫熔鹽儲熱技術改造的火電機組靈活性高、調節速度快,可以適應深度調峰、啟停調峰、旋轉備用交易等輔助服務。

第二,電力現貨市場交易加快后,帶有熔鹽儲能的火電機組可以大規模儲熱,存儲谷電,在電價高的時候釋放熱量獲取高收益。

第三,大容量熔鹽儲能可以實現供蒸汽、供熱。未改造的熱電聯產火電機組仍然是熱電耦合狀態,具有季節使用局限性。高溫熔鹽儲熱技術可以拓展火電靈活機組的供熱場景,創造額外供熱、供蒸汽收益。

第四,高溫熔鹽儲熱技術可以參加退役火電機組延壽改造。拆除機組煤炭、鍋爐系統后,可以保留汽輪機組,利用熔鹽儲能吸收新機組熱量或消納谷電,通過放熱驅動汽輪機發電,增加整體電站的尖峰發電出力能力。

▲火電機組采取高溫熔鹽儲熱技術的應用前景展望

根據《基于高溫熔鹽儲熱的火電機組靈活性改造技術及其應用前景分析》(李峻等,2021年)中的舉例說明,經過高溫熔鹽改造后的火電機組在如下頁表1的參數假設下,考慮調峰服務費收入情況下,350MW的火電機組可以實現4310萬元的年度收益。

1:火電機組熔鹽儲能改造后參加調峰服務費用的收入模型測算

工業蒸汽:熔鹽儲熱實現谷電存熱,保障供熱供汽

與火電靈活改造類似,利用熔鹽優良的儲能特性,熔鹽儲能還可以用于谷電加熱(利用谷電將低溫熔鹽加熱后存儲至高溫熔鹽罐,在白天用熱用汽時段,利用高溫熔鹽供暖供熱)、余熱回收(通過熔鹽儲熱系統將鋼鐵生產的余熱回收利用,用于供暖供熱、發電等)。

▲新型熔鹽蓄熱供熱技術原理示意圖

熔鹽儲能可在低谷時段消納富余電能,尖、高峰時段對外供熱、供蒸汽。

新型熔鹽蓄熱供熱技術通過利用晚間谷電加熱熔鹽儲能,加熱后的高溫熔鹽儲存到儲罐中,白天放熱,通過循環泵將高溫熔鹽抽出與換熱器給水換熱,實現供熱需求。利用該技術可以24小時為用戶供熱,有效轉移了富余的低谷電力,提高了電網穩定性和電能的使用率,也增加了供熱安全保障和品質。

和其他技術比,熔鹽儲熱的儲能密度、占地面積、使用壽命來具有優勢。既適合北方高密集城市地區對熱水、蒸汽供應系統進行綠色改造,也適合工業地區工業蒸汽的生產應用。

2:不同蓄熱技術的對比

報告梳理了目前國內已經投入運行的熔鹽儲熱改造項目,以北京兩個供熱中心改造項目為例,在天然氣價格上漲的背景下,利用谷電進行供熱均能實現比較好的經濟性。

▋北京熱力集團花家地供熱中心熔鹽儲熱改造項目

根據《熔鹽蓄熱供熱技術研究與示范項目》(2021年)中引用案例——北京熱力集團花家地供熱服務中心,原本配置914MW燃氣鍋爐,非供暖季只啟用一臺燃氣鍋爐,每天啟停也造成能耗大、經濟性差的問題。因此公司投資669萬元(設備投資、不含稅)建設了一套加熱功率2.1MW的新型熔鹽儲熱裝置。

該示范項目滿足了非冬季與燃氣鍋爐廠房聯合,并在冬季可以進行應急供熱的需求。根據2019年數據實測,系統能量轉換的效率達到96.3%,通過熔鹽加熱生產的熱水電費成本2.75萬元,折合熱水共計2512噸,折算熱水單噸電費成本10.9元,2019年的熱水供應價格為35元每噸,收益較好。

▋北京熱力供應中心北京西站蒸汽供應熔鹽儲熱改造項目

根據《熔鹽儲能供蒸汽技術的應用前景分析》(2022)中引用案例——北京一燃氣熱力供熱中心為北京西站供應蒸汽負荷項目為例,該項目采取了利用熔鹽儲代替燃氣鍋爐進行替代。

該項目利用低谷電時間段,將低價格電能轉換為熱能存儲,白天時使用熔鹽儲能系統對外供應蒸汽。該項目獲得了張家口及赤峰綠電進京指標;采用低谷綠電作為熱源,補貼后谷電價格為0.15/kWh。

根據該電價進行核算,折算后的蒸汽運行成本為105/t,作為新能源儲能消納供蒸汽示范項目,該運行成本僅為燃氣運行成本(北京燃氣價格2.6/m3,蒸汽成本為208/t)的50%左右,大大節省了運行費用。

▋西子潔能紹興柯橋熔鹽發電、儲熱供汽項目

根據西子潔能技術專家劉可亮在《利用綠電熔鹽儲能,助力零碳產業園的實踐》(2022年)主題演講中介紹的案例,西子潔能承接的紹興綠電熔鹽儲能項目進展迅速,零碳園區的商業模式開始推廣。西子潔能正在打造首個綠色零碳產業園項目。該綠電熔鹽儲能示范項目位于浙江紹興濱海工業園區(柯橋),園區內以紡織印染行業為主。

紡織印染行業是浙江的高能耗產業之一,低碳轉型壓力較大。根據浙江省發展改革委《關于促進浙江省新能源高質量發展的實施意見(征求意見稿)》提出:“不將綠色電力消費計入碳排放量核算,探索綠色電力消費抵扣一定比例能耗”。高能耗企業有動力在節能降碳找尋新的路徑。紹興綠電項目儲能時長達10小時,利用熔鹽儲能滿足園區的用熱及用電需求。

項目的主要參數包括,熔鹽的使用量約7500噸,使用的是光熱領域應用最多的二元熔鹽。蒸汽參數3MPa,257℃;負責把電轉化成熱的電加熱功率比較大,約150MW。在背壓的運行工況下,機組發電能力是8MW;如果是純凝,后面低壓發電能力是17MW,加起來機組的頂峰能力為25MW;年運行小時數是8400小時。采用背壓發電供熱系統+純凝頂峰系統,當電網有頂峰需求響應時,背壓機出口蒸汽停止對外供熱,轉而進入純凝機進行全純凝運行,實現對電網的需求響應服務。

重點項目投資及技術參數梳理

3:重點項目信息梳理

     

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