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The flexibility of a molten salt thermal energy storage (TES)-integrated coal-fired power plant
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126876
山东大学、山东省热科学与智慧能源系统重点实验室、西安热工院、华能山东发电有限公司的研究人员在《Applied Energy》上刊发题为《The flexibility of a molten salt thermal energy storage (TES)-integrated coal-fired power plant》的研究文章。
这项研究全面分析了耦合熔盐储热的燃煤机组在变负荷过程中的动态特性及其灵活性提升机制。通过建立系统级动态模型，揭示了耦合系统的㶲效率曲线与熔盐储热往复效率的变化规律，并评估了耦合系统对实际AGC指令的动态响应特性，为熔盐储热在热力系统中的集成与运行优化提供了深入见解。
研究亮点
1. 建立了耦合熔盐储热的燃煤电厂系统级动态模型。
2. 模拟了耦合系统在不同爬坡速率下的变负荷动态过程。
3. 分析了负荷范围与爬坡速率对耦合系统㶲效率的影响。
4. 揭示了动态运行对熔盐储热往复效率的影响规律。
5. 研究了耦合系统对实际AGC指令的响应特性。
论文介绍
过去几十年来，人为碳排放过量加剧了气候变化问题。发展可再生能源是应对这一紧迫气候挑战的有效途径，但可再生能源的间歇性特征提升了电力系统对灵活性的需求，以保障实时电力平衡。作为中国能源基础设施的核心组成部分，火电厂不可避免地成为提升可再生能源消纳灵活性的关键支撑。
在此背景下，燃煤电厂可提供的核心灵活性服务主要包括负荷跟踪和爬坡，分别以运行负荷率范围和爬坡速率表示。受锅炉最低稳态负荷及热惯性的限制，燃煤电厂的常规可行负荷范围为30%PN至100%PN，最大爬坡速率低于2%PN/min，难以满足当前20%PN-100%PN的负荷范围要求，及5%PN/min的爬坡速率要求。因此，提升燃煤电厂灵活性已成为亟待解决的研究课题，而储能与燃煤电厂的集成被广泛认为是实现这一目标的有效方案。
然而，抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、化学储能及热能储能（TES）等大型储能技术并非均适用于与火电厂集成。例如，抽水蓄能受地理条件限制显著；压缩空气储能系统与燃煤电厂的集成虽已证实技术可行，但其实际应用中的效率、经济性及稳定性仍有待验证；电化学储能和化学储能的大规模应用则受限于高昂的投资成本及尚未解决的安全问题。相较于上述技术，热能储能被认为是提升燃煤电厂灵活性的高性价比方案。
在各类热能储能技术中，熔盐被视作提升热电厂灵活性的优选方案。熔盐主要分为硝酸盐、碳酸盐、氟化物和氯化物四类。
在这些盐类中，硝酸盐（如太阳盐、Hitec盐）熔点较低，腐蚀性弱于碳酸盐和氟化物，因此于二十一世纪初实现商业化应用，目前已广泛用于太阳能热发电站。相比之下，高纯度氯化物在高温环境下稳定性更强，且其腐蚀性在惰性环境中可有效控制。2017年，熔盐首次被纳入提升燃煤电厂灵活性的概念性研究。此后，大量研究]围绕熔盐储能与燃煤电厂的集成展开，图1展示了熔盐储能与电厂的集成配置。除理论研究外，近年来相关示范项目也取得了突破性进展。例如，中国河北龙山某600MW亚临界燃煤电厂已集成熔盐储能系统以提升灵活性；另有一项1000MWh熔盐储能示范工程已实现与两座350MW超临界供热主力电厂的协同运行。
熔盐储能系统的充能方式主要有两种：蒸汽加热和电加热。蒸汽加热是利用主蒸汽或再热蒸汽的热量加热熔盐，电加热则通过消耗电厂产生的电能加热熔盐。与蒸汽加热系统相比，电加热在提升电厂灵活性方面表现更优，但由于能量需经历“电能-热能-电能”的转换过程，其能量效率通常较低。
在蒸汽加热相关研究中，现有成果多聚焦于系统配置层面，即如何通过熔盐储能装置与电厂的集成实现充放电运行。不同集成配置会导致熔盐储能单元的负荷范围和往返效率（RTE）存在差异，但关于熔盐储能集成燃煤电厂负荷调整速率的研究较为匮乏。此外，多数研究采用稳态模型评估系统性能，因此通常将熔盐储能单元的往返效率设定为恒定值。同时，熔盐储能装置对电厂灵活性服务能力的提升效果尚未得到系统评估。
为填补上述研究空白，本研究聚焦熔盐储能集成燃煤电厂的动态运行特性，开发并验证了系统级集成系统动态模型。针对100%PN至30%PN负荷区间，开展了目标爬坡速率为±5%PN/min的负荷降低与负荷提升过程模拟，首次评估了熔盐储能集成系统的动态性能及熔盐储能单元的往返效率，并考察了集成系统在实际自动发电控制（AGC）指令下的动态响应。
本文建立并验证了耦合熔盐储热的燃煤机组系统级动态模型，并模拟了机组在30%~100% PN之间、以2%~5% PN /min爬坡速率的变负荷过程。结果表明：与原机组相比，耦合熔盐储热后的燃煤机组在低于45% PN工况下的㶲效率更高（基于本文4%的模型误差）。此外，熔盐储热的往复效率介于49.4%~62.3%之间，具体数值受机组负荷范围与爬坡速率的影响。最后，通过模拟对一小时自动发电控制（AGC）指令的动态响应，进一步验证了熔盐储热在提升燃煤机组灵活性辅助服务能力方面的显著效果。
本研究通过阐明熔盐储能集成电厂的灵活性提升机制与节能运行规律，为复杂热力系统动态建模提供技术指导，推动相关研究领域的发展。
图文导读
图1耦合熔盐储热的燃煤机组热力系统示意图
图2 耦合熔盐储热的燃煤机组变负荷过程控制逻辑
图3 耦合熔盐储热的燃煤机组在不同爬坡速率下的降负荷过程
图4 耦合熔盐储热的燃煤机组在不同爬坡速率下的升负荷过程
图5 耦合熔盐储热的燃煤机组㶲效率曲线
图6 机组负荷率与爬坡速率对熔盐储热往复效率的影响
图7 耦合熔盐储热前后的AGC响应特性对比