综述：关于与热能储存相结合的燃煤电厂灵活调峰技术的综述

《Journal of Energy Storage》：A review on flexible peak shaving progresses of coal-fired power plants integrated with thermal energy storage

　　摘要
随着全球能源转型，拥有较大装机容量的燃煤发电厂正成为灵活调峰方面的有前景的资源。然而，燃煤发电厂的特点是具有显著的热惯性。与内部改造技术相比，外部集成的热能储存可以为燃煤发电厂提供更大的调峰能力。本研究的目的是对燃煤发电厂与热能储存系统集成中的技术方法进行全面的回顾。这些集成方案包括蒸汽提取、烟气提取、电加热和电驱动热泵。主要使用机理建模方法对集成系统进行研究。研究发现表明，集成系统可以将最小稳定输出降低到20%Pe以下，同时将爬坡率提高到超过5%Pe/min。通过改进系统设计、运营策略和控制系统，可以优化集成系统。多种热能储存技术和加热方法的协同集成实现了能量的级联利用。多目标优化算法使集成系统能够达到最佳的整体性能。优化的智能控制系统可以提高对电网指令的响应速度。总体而言，热能储存技术的集成有助于将燃煤发电厂发展成为新兴未来电力系统中的关键灵活调节枢纽。

引言
为应对资源短缺和环境退化，世界各地越来越多地采用可再生能源[1]。受实现碳峰值和碳中和目标的驱动，中国在发展拥有高比例可再生能源的电力系统方面取得了显著进展[2]。到2023年，全球可再生能源发电的总装机容量继续增长，达到3864吉瓦[3]。然而，可再生能源的间歇性和波动性导致发电高峰与电网需求之间的不匹配，凸显了需要调峰资源来缓解这一差距。调峰资源通常包括电化学储能（ECES）、机械储能（MES）、热能储存（TES）和循环流化床（CFPP）等。尽管可再生能源容量持续扩大，但全球范围内仍广泛部署着CFPP。到2024年，中国的装机发电容量约为3349吉瓦[4]，其中CFPP占总装机容量的35.7%，如图1所示。此外，CFPP贡献了54.8%的总发电量，凸显了它们在电力供应中的主导作用。调峰资源的短缺导致中国风能和太阳能发电出现了大规模减产。这一挑战要求将CFPP从稳定的基荷发电转型为灵活的调峰调节器。

CFPP的灵活调峰包含两个方面：低最小稳定输出和高爬坡率[5]。如图2所示，CFPP具有复杂的系统结构，包括燃料准备和燃烧过程，以及工作流体的热和质量传递。这种固有的复杂性导致了重大的热惯性，限制了其运行灵活性。因此，已经提出了多种内部改造技术[6][7]，例如锅炉能量储存调节、高压蒸汽提取节流、高压给水旁路、冷凝水节流、冷端调节和粉煤仓等，如表1所示。然而，CFPP内部的热储存能力有限，这限制了调峰操作的持续时间和性能[8]。因此，持续创新和探索新技术对于进一步提高其运行灵活性至关重要。

由于热能储存技术具有提高电网灵活性和可靠性的潜力，它们被认为是未来电力系统的关键组成部分。Elalfy等人[19]回顾了各种热能储存技术的特性，如表2所示。这些技术要么直接将多余的电力储存在电网中，要么将其转换为其他形式的能量进行储存。Wagner等人[20]回顾了应用于各种类型能源资源的数学模型，并介绍了用于量化和优化灵活能源资源利用的常用建模方法。?lmez等人[21]研究了热能储存对能源市场的影响。他们的研究表明，热能储存涉及将电能转换为其他形式（如热能、化学能或机械能）进行储存，然后在需要时将其转换回电能。Argyrou等人[22]系统地回顾了主流能源储存技术的特点，并分析了混合能源储存系统的应用价值。Fang等人[23]回顾了并网混合能源储存系统的容量确定和控制策略的研究进展，强调优化方法和具有自适应能力的智能控制是当前的主流方法。总体而言，热能储存系统可以为电网提供服务，包括调峰和填谷、电压调节和频率调节，从而提高电网稳定性。

作为重要的调峰资源，许多研究探讨了提高CFPP灵活性的技术。Gu等人[29]对中国CFPP的调峰操作进行了回顾，详细介绍了装机容量、调峰运行模式和支持政策。Sun等人[30]系统地回顾了CFPP灵活运行控制的进展，指出混合建模和多目标智能优化是未来研究的关键方向。Uddin等人[31]回顾了在电网中实施调峰负荷的三种主要方法——需求侧管理、能量储存系统的集成以及电动汽车与电网的集成。他们强调，多种策略的协调使用可以提高负荷系数，并促进高比例可再生能源的集成。Xu等人[32]回顾了燃煤锅炉灵活调峰负荷调节的现状、挑战和技术途径，强调了升级燃煤锅炉与外部能量储存解决方案的必要性，特别是强调了TES技术的集成。Wu等人[33]系统地回顾了CFPP调峰调节的局限性，包括设备限制、控制适应性不足以及环境和经济压力，并总结了技术进步，如混合建模、低负荷下的稳定燃烧、热功率解耦、多能源耦合和智能控制。特别是，外部能量储存系统的集成对于提高CFPP的灵活性至关重要。与其他能源储存系统相比，TES能够直接储存锅炉产生的热能，从而使锅炉与蒸汽涡轮机分离，并与CFPP的热循环相匹配。Fernandes等人[34]总结了TES的技术途径，指出TES可以分为三种主要类型：显热储存、潜热储存和 TCES。与CFPP集成的加热方法包括蒸汽提取[35]、烟气提取[36]和P2H技术（电加热和电驱动热泵）[37]，如图3所示。然而，关于多种TES技术与CFPP集成的深入了解仍然有限。

目前，许多研究探讨了通过TES技术提高CFPP灵活性的方法，并证明了它们的有效性。之前的回顾提供了适用于CFPP的各种灵活调峰技术的全面概述。然而，关于与多种TES技术集成的CFPP的技术发展途径的信息仍然有限。本研究旨在对TES-CFPP系统中的技术方法和优化方法进行全面回顾。讨论内容涵盖集成方案、建模方法、评估标准以及最新研究进展，如图4所示。此外，还总结了现有的优化研究和未来研究的潜在方向。本研究为TES-CFPP的未来发展提供了指导。

部分摘录
**集成方案**
根据不同的加热方法，TES可以从蒸汽提取、烟气提取、电加热和电驱动热泵中获取热量，如图5所示。因此，TES的充电策略因所采用的加热方法而异。然而，放电策略通常是一致的，包括向辅助涡轮机提供能量以发电或向热回收系统输送能量，如表3所总结。

**建模方法**
开发TS-CFPP系统的理论模型对于准确预测其性能至关重要。CFPP的建模方法主要包括机理建模、数据驱动建模和混合机理-数据驱动建模。机理建模方法遵循物理定律和热力学原理，通常包含控制流体动力学、热传递和质量传递的方程。针对稳态和动态分析都采用了这些方法。

**性能指标**
提出的性能指标分为灵活性指标、效率指标和经济指标，如表6所示。灵活性指标用于评估TS-CFPP系统的灵活性。效率指标可以分析能量损失和废热破坏，以进行优化和升级。经济指标可以评估TS集成带来的好处。

**MSTES-CFPP**
MSTES系统在CSP电厂中得到广泛应用，其技术可靠性和安全性已得到充分验证[76]。典型的MSTES系统包括一个热储存罐、一个冷储存罐、泵、管道和换热器[77]。用于电厂的各种常见熔盐的热性质在表9[78][79]中进行了总结。它们的工作温度范围与CFPP的热力学循环相匹配，使其特别适合用于...

**系统优化**
TS-CFPP系统的优化可以在系统设计、运营策略和控制系统方面系统地进行。

**研究展望**
基于当前的研究趋势，本回顾提出了以下未来研究方向：
(1) 开发能够准确模拟瞬态过程的动态模型对于精确控制TS-CFPP系统至关重要。利用先进的智能算法改进混合机理-数据驱动建模方法是未来的一个重要研究重点。未来的目标包括模拟CFPP在5%到100%Pe范围内的动态爬坡过程。

**结论**
随着可再生能源发电比例的持续增加，集成的TES系统为提高CFPP的整体灵活性和经济可行性提供了新的解决方案。本研究系统地回顾了TS-CFPP系统的集成方案、建模方法、性能指标、最新进展、系统优化和研究展望。因此，提出了与多种TES集成的CFPP的技术发展方向，并指出了回顾中的不足之处。

**作者贡献声明**
杨 Zhou：撰写——原始草稿、数据整理、概念化。
Nina Ye：调查。
Qichao Zhang：撰写——审阅与编辑。
Juntao Ao：方法论。
Chengyi Wang：正式分析。
Linpeng Huang：项目管理。
Xiaojiang Wu：监督。
Zhongxiao Zhang：资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**
本研究得到了“提高热力单元与熔盐热能储存耦合系统的灵活性和优化研究”（SEC/FW-JS-2024-009）的支持。

作者：
杨 Zhou | Nina Ye | Qichao Zhang | Juntao Ao | Chengyi Wang | Linpeng Huang | Xiaojiang Wu | Zhongxiao Zhang
上海交通大学机械工程学院热能工程研究所，上海，200240，中国