超临界压缩二氧化碳储能系统与蒸汽循环相结合的热力学与经济性分析，以实现电厂的灵活运行

《Renewable Energy》：Thermodynamic and economic analysis of supercritical compressed carbon dioxide energy storage system integrated with steam cycle for flexible operation of power plant

本研究提出将超临界二氧化碳储能系统（SC-CCES）与660MW燃煤电厂耦合，利用抽汽提高储热能力。通过建立热力学模型并采用非支配排序遗传算法-II进行多目标优化，结果表明耦合系统较 standalone系统提升功率效率15.69%、调峰深度2.74%、储能密度0.33kWh/m3。 techno-economic分析显示平准化电价为0.123$/kWh，净现值达437.4万美元，验证了系统经济性与投资价值。

　　随着全球能源需求的持续增长和可再生能源技术的快速发展，电力系统面临着前所未有的挑战。特别是风能和太阳能等间歇性、波动性和不确定性的能源形式，其大规模并网对电网的安全性和稳定性提出了更高的要求。在此背景下，燃煤发电厂的角色逐渐从传统的主力电源转变为灵活的电网调峰资源。因此，研究如何提高燃煤发电厂的灵活性和调峰能力，成为当前能源领域的重要课题之一。

本文提出了一种新型的超临界二氧化碳储能系统（SC-CCES），并将其与660兆瓦的燃煤发电厂相结合。该系统通过利用抽汽蒸汽来增强水储能的热容量，从而提升整体的储能效率和调峰能力。通过建立全面的热力学模型并进行系统分析，研究结果表明，所提出的SC-CCES系统相较于独立运行的系统，能够实现系统发电效率提高15.69%，调峰深度增加2.74%，以及储能密度提升0.33千瓦时/立方米。这些提升使得系统在应对可再生能源波动和电网负荷变化方面具有更强的适应性。

为了进一步探讨关键参数对系统性能的影响，本文进行了参数分析，并采用非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）进行多目标优化，以评估不同性能指标之间的权衡。此外，本文还从技术和经济角度对系统进行了评估，结果显示该系统的平准化电价（LCOE）为0.123美元/千瓦时，净现值（NPV）达到43.74万美元，表明该系统在经济上具有可行性，并具备较高的投资回报潜力。

在现有研究中，针对储能系统的热力学性能和提升策略已有大量文献。同时，许多学者也在探索将储能技术与其他发电系统相结合的可能性。然而，目前针对储能系统与热力发电厂耦合的研究仍较为有限，且对这种集成配置下能量传输和损失机制的理解尚不充分。因此，本文旨在提出一种与燃煤发电厂集成的新型SC-CCES系统，并深入探讨其热力学性能和经济可行性。

本文的研究主要集中在三个方面。首先，探讨了多种集成配置方案，并通过系统性能评估确定了最佳的蒸汽抽汽位置。这一步骤对于提高系统整体效率和调峰能力至关重要。通过合理选择蒸汽抽汽点，可以有效利用燃煤发电厂在运行过程中产生的余热，从而减少能量损失并提升储能系统的性能。其次，本文分析了关键参数（如低压涡轮压力、高压涡轮压力、高压水温度、压缩机出口压力）对系统性能的影响，并采用NSGA-II算法进行多目标优化，以评估不同性能指标之间的权衡。这一分析不仅有助于优化系统设计，也为实际工程应用提供了理论支持。最后，本文从技术和经济角度对系统进行了评估，包括平准化电价、净现值和动态回收期等指标，以全面评估该系统的可行性。

在实际应用中，燃煤发电厂的灵活性提升主要依赖于多种技术手段。例如，通过优化锅炉系统，如煤粉系统、增加小型煤仓以及低负荷稳定燃烧器，可以有效提高燃煤发电厂的调峰能力。此外，利用蒸汽涡轮系统的储能能力，如凝结节流、蒸汽抽汽节流和给水旁路节流等方法，也是一种可行的路径。然而，这些方法往往伴随着较高的系统改造成本，或者受限于储能容量，难以满足大规模调峰的需求。因此，开发高效且可扩展的储能技术，成为解决这一问题的关键。

在大规模和长时储能技术方面，抽水蓄能（PHS）和压缩空气储能（CAES）已被广泛研究和应用。然而，PHS由于其严格的地理限制和高昂的建设成本，难以实现广泛应用。相比之下，CAES因其低成本、长寿命和易于集成的特点，成为一种更具前景的储能方式。目前，全球已有两家商业运行的CAES电站，分别为德国的Huntorf电站和美国的McIntosh电站，其循环效率分别为42%和54%。然而，CAES系统对化石燃料的依赖性较高，限制了其在低碳能源系统中的应用。因此，近年来，一些学者提出了改进型的CAES系统，如先进绝热压缩空气储能系统（AA-CAES）、超临界压缩空气储能系统（SC-CCES）和液态压缩空气储能系统（LAES）。这些系统在提高储能密度和效率的同时，也降低了对地理条件的依赖。然而，由于空气本身的物理限制，AA-CAES系统依赖于高压容器，难以实现大规模存储。SC-CCES和LAES系统则面临超临界压力、液化压力和低温液化等挑战，导致系统中出现显著的熵损。

与空气相比，二氧化碳（CO?）具有更低的临界参数（304.1K，7.38MPa），并且可以在液态或超临界状态下进行方便的存储。因此，使用CO?作为储能系统的工质，具有更高的可行性。此外，CO?还具有低粘度、高密度和优异的热传导性等物理特性，使其在储能系统中表现出更高的运行效率。基于这些优势，近年来，许多学者对压缩二氧化碳储能系统（CCES）进行了深入研究。例如，Morandin等人首次提出使用CO?作为储能工质，并将其应用于热电储能系统。Zhang等人则基于跨临界布雷顿循环提出了跨临界压缩CO?储能系统（TC-CCES），并研究了关键参数对系统性能的影响，结果显示TC-CCES系统的储能密度（ESD）是AA-CAES系统的2.8倍。Liu等人提出了基于不同深度盐水层的CCES系统，并研究了其热力学性能。结果显示，TC-CCES系统具有更高的循环效率（RTE）和储能密度，而SC-CCES系统的配置更为简单。Sun等人提出了一种新型的液态CO?储能系统（LCES），通过利用液态甲醇储存显热，以及在潜热储存中利用CO?膨胀后的潜热。Tang等人对LCES系统进行了综合分析，特别是针对冰存储CO?液化方案的研究，结果显示通过多目标优化，LCES系统的熵损效率和单位输出成本分别达到了68.79%和34.04美元/吉焦。

为了实现能量的梯级利用，一些学者还探索了将储能系统与其他能源资源相结合的可能性。例如，Zhang等人对TC-CCES与有机朗肯循环（ORC）相结合的集成系统进行了热力学分析，结果显示新型系统的循环效率分别比传统系统提高了25.87%和30.18%。Chen等人进一步研究了SC-CCES与集中式太阳能热储能相结合的系统，分析了其热力学和经济性能。Zhao等人将LCES系统与液化天然气（LNG）相结合，以提高涡轮入口温度。Liu等人提出了一种基于TC-CCES系统的联合冷热电系统，通过储存压缩热来提供储能阶段的热负荷，并在释放阶段提供冷负荷。Chae等人提出了四种与燃煤发电厂集成的CCES布局方案，并对其进行了设计和评估，结果显示系统最高循环效率可达46%，储能密度达到36千瓦时/立方米。Hu等人将SC-CCES系统与碳捕集燃煤电厂相结合，以提高灵活性和效率，实现了45.49%的储能效率和23.1千瓦时/立方米的储能密度。Li等人则利用燃煤发电单元涡轮中的抽汽蒸汽作为储能系统的动力源，并分析了流量、压缩比和膨胀比对系统性能的影响。Hou等人提出了一种新型的LCES系统，通过从燃煤发电厂中提取冷凝水，在充电过程中回收压缩热，并在放电过程中利用抽汽蒸汽预热高压CO?，从而提高了储能效率，比独立系统提高了8.04%。

综上所述，当前针对CCES系统的热力学性能和提升策略已有大量研究，同时，许多学者也在探索将储能技术与其他发电系统相结合的可能性。然而，针对CCES与热力发电厂耦合的研究仍较为有限，且对这种集成配置下能量传输和损失机制的理解尚不充分。因此，本文提出了一种与660兆瓦燃煤发电厂集成的新型SC-CCES系统，并通过热力学模型和经济评估，深入探讨其可行性。

本文的研究成果不仅为CCES系统的优化设计提供了理论支持，也为燃煤发电厂的灵活性提升提供了新的思路。通过合理选择蒸汽抽汽点，可以有效提高系统整体效率，同时减少能量损失。此外，通过对关键参数的分析和多目标优化，可以评估不同性能指标之间的权衡，为系统设计提供科学依据。最后，通过技术和经济评估，可以全面评估该系统的可行性，为实际工程应用提供参考。

本文的研究具有重要的现实意义。首先，随着可再生能源的快速发展，电网调峰需求日益增加，而燃煤发电厂作为传统的主力电源，其灵活性提升对于保障电网稳定运行具有重要意义。其次，CCES系统作为一种新型的储能技术，具有较高的储能密度和效率，能够有效应对可再生能源的间歇性和波动性。最后，通过将CCES系统与燃煤发电厂相结合，可以实现能量的梯级利用，提高整体能源利用效率，同时降低对化石燃料的依赖，为实现低碳能源系统提供新的路径。

在未来的研究中，可以进一步探讨不同类型的储能系统与燃煤发电厂的集成方式，并结合实际情况进行优化设计。此外，还可以研究不同环境条件下储能系统的性能变化，以及如何提高系统的经济性和可持续性。同时，随着技术的进步，储能系统的成本和效率将进一步提升，为实现大规模调峰提供更有力的支持。

总之，本文的研究为CCES系统与燃煤发电厂的集成提供了新的思路，并通过系统的热力学模型和经济评估，验证了该系统的可行性。研究成果不仅有助于提高燃煤发电厂的灵活性，也为可再生能源的消纳和电网的稳定运行提供了技术支持。同时，该系统在提高储能效率和储能密度方面表现出显著优势，为实现高效、可扩展的储能技术提供了重要参考。