《Energy》：The operational flexibility and thermodynamic performance evaluation of wide-range dry state supercritical coal-fired power plants
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摘要提升超临界燃煤电厂（CFPPs）在深度削峰场景下的运行灵活性，对于电网稳定性和可再生能源消纳具有重要意义。然而，不可避免的湿态运行已成为限制超低负荷调节潜力的关键瓶颈。为此，对一台660 MW机组的湿态和干态进行了对比研究，涵盖热力学性能、能量/?储存的时空分布及动态响应
摘要
提升超临界燃煤电厂（CFPPs）在深度削峰场景下的运行灵活性，对于电网稳定性和可再生能源消纳具有重要意义。然而，不可避免的湿态运行已成为限制超低负荷调节潜力的关键瓶颈。为此，对一台660 MW机组的湿态和干态进行了对比研究，涵盖热力学性能、能量/?储存的时空分布及动态响应特性。结果表明，能量储存的质化退化是湿态运行下负荷爬坡潜力不足的主要原因。尽管低温受热面储存了更多能量，但其产生有用功的理论潜力仅为高温受热面的36.1%。在典型阶跃扰动下，与干态相比，最大输出功率增幅减少了5.7 MW。为突破这些限制，提出了基于内部热力学潜力开发的宽范围干态系统，包括直接加热方案和射流驱动加热方案。通过最小化锅炉入口过冷度来提升能量储存的总体?质量。性能评估表明，采用所提系统时，负荷爬坡率最多可提高7.7 MW/min，在削峰深度超过80%时超过2.5% Pe/min，同时将累计发电量增加最多2708.9 MJ。通过射流驱动方案可将相关能耗惩罚降低约0.50 g/kWh，至0.71 g/kWh。本研究为新运行范式下的超临界燃煤电厂提供了前瞻性参考。
引言
在全球气候变化缓解和加速净零能源转型的背景下，建立以风能和太阳能等可再生能源为重点的新型电力系统已形成广泛共识[1]。然而，这些可再生能源固有的间歇性和波动性对电网安全运行提出了严峻挑战，使对高灵活调节资源的迫切需求不断升级，以缓冲功率波动并维持频率稳定[2]。为应对这些调节瓶颈并推进深度脱碳，已针对提升基础电力资产运行灵活性和探索多能互补系统（如前瞻性系统设计[3]和碳捕获利用集成[4]）开展了大量研究。考虑到中国当前的能源资源禀赋，燃煤电厂仍是保障电网稳定的关键基石[5]。在此背景下，运行灵活性已成为决定这些传统资产生存力和价值的关键要素。对于构成燃煤电厂骨干的超临界机组，在深度削峰场景下会遇到独特的干/湿态转换过程[6]。在下一代燃煤电厂发展的推动下，研究该状态转换过程的灵活性已成为迫切需求[7]。
燃煤电厂的运行灵活性通常涵盖两个相互关联的维度：深度削峰能力和快速负荷爬坡能力。削峰深度从根本上决定了消纳波动性可再生能源的能力，而负荷爬坡率则决定了系统对风光出力时变特性的瞬态响应能力[8]。已有少量文献研究了深度削峰，主要集中在炉侧超低负荷燃烧稳定[9]和汽水侧热力学系统设计[10]。此外，还研究了在这些低负荷运行状态下环境控制系统的适应性，如脱硝[11]和脱硫[12]技术等污染物排放控制研究。在这些研究中，已有文献探讨了集成附加加热器[13]和射流蒸汽喷射器[14]以增强深度削峰性能的方案。当超临界燃煤电厂的负荷降至某一阈值时，分离器出口的热力学状态从过热蒸汽转变为汽水两相混合物[15]。因此，必须引入再循环系统以实现流体和热能的封闭回收[16]。围绕该状态转换过程已开展了大量研究，主要致力于机理-数据混合驱动的系统建模[17]和用于平滑转换过程的控制优化[18]。
关于灵活性的另一维度，即提高负荷爬坡率，当前主流策略可分为利用机组内部热储存和集成外部装置[19]。内部能量储存的利用是通过执行器暂时重定向蒸汽流路或流量来实现的，从而实现时空有序的能量调节，以快速响应出力需求[20]。相关研究表明，激发锅炉和汽轮热系统内部的能量潜力是一条高度可行的技术路线[21]。此外，外部储能技术的集成也引起了大量关注[22]。尽管抽水蓄能[23]、压缩空气技术[24]和电化学电池[25]等方案展现出可行能力，但其大规模部署分别受到地质依赖性和性能限制等瓶颈的严重制约[26]。相反，热储能提供了一种高度可扩展且具有成本效益的替代方案[27]。熔融盐技术作为热储能的首要范式，已在多种燃煤电厂中展现出可观的运行成熟度[28]。最常见的范式包括抽汽驱动[29]、烟气余热回收[30]和电驱动[31]。关键在于，借助额外的储能介质，燃煤电厂的内部热能可通过与外部系统的连续充放电循环进行重新分配。这在本质上实现了电厂内部能量的跨时间利用，以缓冲电网需求波动[32]。目前关于熔融盐与燃煤电厂集成的热力学系统研究已涵盖广泛的领域，其工作主要涉及系统建模[33]、构型设计[34]、多参数优化[35]、动态特性分析[36]、控制策略开发[37]，以及技术经济评估和市场运行模式[38]。新改造的设备通常包括熔融盐储罐和辅助加热器[39]，同时还涉及射流蒸汽喷射器的集成[40]。
综上所述，现有研究将深度削峰和负荷爬坡率分别进行研究。对超低负荷下两者的交互作用关注有限，具体而言，即状态转换过程如何限制机组的灵活调节能力。一方面，在超低负荷下运行本身会降低能量储存能力。在状态转换过程中，流体状态的大幅变化和流路的改变扭曲了内部热能/?储存特性，使有限的能量储存难以被精确有序地利用。另一方面，由于湿态运行时吸收的热量主要以潜热形式储存，能量储存遭受了严重的质化退化。这种定性的?损失表现出与干态截然不同的动态响应特性，导致负荷跟踪能力不足。此外，在现有文献中，湿态通常被视为一个预设边界。仍存在研究空白，即从内部热力学潜力开发的角度重新评估和重新设计热系统，以缩小湿态负荷跨度，从而提升宽范围运行灵活性。
为弥补这些空白，本研究调查了湿态和干态的运行特性，揭示了湿态运行下负荷爬坡性能不足的根源原因，并分析了两种运行模式下动态响应和发电能力的差异。基于这些洞察，提出了基于内部热力学潜力开发的宽范围干态热系统，并全面评估了其灵活性提升效果。
本研究的主要创新点和贡献可总结如下：
- (a)
建立了涵盖干态和湿态的综合仿真模型并进行了验证，其中充分考虑了各子系统间的物理耦合和边界参数变化。
- (b)
阐明了干态和湿态之间的热力学差异以及能量/?储存的时空分布，揭示了限制湿态运行下负荷爬坡能力的基本机理。
- (c)
定量评估了典型阶跃扰动下干态和湿态的独特动态响应特性，明确了两种工况下内部能量/?储存有效利用之间的性能差距。
- (d)
提出了新的宽范围干态热系统并通过优化能量储存的?水平和空间分布进行评估，从而拓宽了超临界燃煤电厂的灵活运行范围。
章节摘要
模型开发与验证
本节系统地建立了热系统的数学模型。随后，使用实际运行数据验证所开发模型的可靠性和准确性。最后，定义了性能评估指标，为后续分析奠定定量基础。
结果与讨论
本节对干态和湿态进行了全面分析，包括热力学性能、能量/?储存分布和动态响应特性。基于这些洞察，提出了基于内部热力学潜力开发的宽范围干态热系统，并对灵活性提升效果进行了全面评估。
结论
随着新型电力系统建设的快速推进，超临界燃煤电厂在深度削峰场景下的运行灵活性已成为保障电网安全和促进可再生能源消纳的关键能力。本研究聚焦于湿态和干态运行，这是超低负荷灵活运行的关键瓶颈。从对比的视角出发，开展了系统研究
CRediT作者贡献声明
Hui Yan：可视化、指导、资源、形式化分析。Ming Liu：软件、资源、形式化分析、数据管理。Chaoyang Wang：写作——审阅与编辑、指导、项目管理、经费获取。Zefeng Liu：写作——原稿撰写、可视化、方法学、调查研究
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受国家重点研发计划资助（项目编号：2024YFB4105000）。
Zefeng Liu|Chaoyang Wang|Ming Liu|Hui Yan
西安交通大学，电力工程多相流国家重点实验室，西安，710049，中国
