波动性可再生能源的快速普及给电网的稳定性和可靠性带来了压力，限制了其发展。为了解决这个问题，以煤炭、天然气或核为燃料的火电厂在维持供需平衡和提供调峰服务方面发挥着越来越重要的作用。因此，热力发电厂需要提高运营灵活性，包括更强的爬坡能力和更大的负载循环范围，尤其是在极低负载条件下运行，为可再生能源提供更大的空间，避免频繁启停。近年来，热能存储被认为是一种很有前途的技术，可以直接集成到动力循环中提高火电厂的运行灵活性。
将热能存储系统集成到蒸汽-水循环中可以将锅炉系统中的热负荷与涡轮系统产生的功率分离，尽管受到锅的限制，可以降低最小功率负载。西安交通大学刘明教授课题组采用热力学和经济分析对三种热能存储系统的热力学和经济性能进行了评估和比较。配置A使用一级显热作为基本配置，使用再热蒸汽为热能存储系统输入能量，并向预热的给水和冷凝水释放热量。配置B采用两级蓄热方式对热能存储系统进行能量输入，在排放过程中给水回流点与配置A不同。配置C使用显热和潜热存储的混合组合来存储热量，并通过产生流入低压涡轮机的额外蒸汽来释放热量。为了评价集成系统的性能，定义了输出功率变化率、㶲破坏率变化率和等效往返效率等性能指标。并对每种配置的成本和平准化交付成本（LCOD）进行了比较。结果表明，集成热能存储可以使最小功率负载从额定负载的30%降低到17.64%。配置B实现了最大的等效往返效率（67.54%），比配置A高2.56%，配置C的等效往返效率最低，为64.41%，因为放电过程中的附加㶲破坏率最大。配置C的集成系统在放电过程中额外的㶲破坏率为29.18 MW，分别比配置A和B的集成系统高9.01 MW和9.41 MW。在组件方面，冷凝器表现出最大的附加㶲破坏率，其次是涡轮机和熔融盐换热器（MSH）。配置C的设备和存储材料总成本（1475万美元）和LCOD最低（143.98美元/兆瓦时），比配置A低594万美元和12.69美元/兆瓦时。
图1 三种配置的热能存储系统充放热示意图（上图：配置A；中图：配置B；下图：配置C）
聚焦于火力发电厂极低负荷运行这一难题，该研究提出了三种热能存储系统来提高火力发电厂的运行范围，特别是降低最小电力负荷。该研究分析了三种不同的热能储存方案，增强了新能源和火力协调发电灵活性，提供了切实可行的技术解决方案。相关研究成果发表在《Applied Thermal Engineering》。
文献来源：Zhang KZ, Liu M, Zhao YL, et al. Thermo-economic optimization of
the thermal energy storage system
extracting heat from the reheat steam
for coal-fired power plants.
Applied Thermal Engineering
, 2022, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119008
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