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华北电力大学团队在《储能科学与技术》发表熔盐卡诺电池储能系统仿真研究

作者及发表信息
该研究由华北电力大学能源动力与机械工程学院的韩瑞、廖志荣、于博旭、徐超、巨星共同完成，论文《面向火电厂改造的熔盐卡诺电池储能系统仿真研究》（*Simulation Study of a Molten-Salt Carnot Battery Energy Storage System for Retrofitting a Thermal Power Plant*）发表于2023年12月的《储能科学与技术》（*Energy Storage Science and Technology*）第12卷第12期。

学术背景
随着化石能源枯竭和环境问题加剧，电力系统正逐步向风能、太阳能等可再生能源转型。然而，可再生能源的间歇性对电网稳定性提出了挑战，火电机组需具备灵活调峰能力。熔盐卡诺电池（Carnot Battery）储能系统通过耦合火电厂与储能技术，将电能转化为高温热能存储，再通过热转电（H2P）过程发电，成为提升火电厂灵活性的有效途径。

本研究旨在探究熔盐卡诺电池储能系统中关键部件参数对系统效率的影响规律，重点分析热泵循环工质、回热设计、压缩机/膨胀机效率等因素对系统性能的影响，并对比直接电加热与热泵加热两种储能方式的效率差异，为火电厂改造提供理论依据。

研究流程与方法
1. 系统建模
研究团队在Aspen Plus平台搭建了熔盐卡诺电池储能系统的热力学模型，包括三个子系统：
- 电转热（P2H）：采用逆布雷顿循环（热泵），包含压缩机、膨胀机、冷源换热器（HC）、回热器（HR）和热源换热器（HH）。
- 储热（TES）：采用二元硝酸盐（60% NaNO₃-40% KNO₃）作为储热介质，高温熔盐（560℃）存储于高温罐（HT），低温熔盐（290℃）存储于低温罐（TH）。
- 热转电（H2P）：基于600 MW亚临界燃煤机组，保留原有朗肯循环，熔盐通过蒸发器（EV）、过热器（SH）和再热器（RH）与蒸汽换热驱动汽轮机发电。

1. 参数分析与验证

   • 热泵工质选择：对比氩气、氮气和二氧化碳的性能，发现氮气作为工质时系统往返效率（RTE）最高（57.03%），而氩气的回热器热负荷最低（883.02 MW）。
     
   • 热泵参数优化：研究了熔盐入口温度、压缩机/膨胀机等熵效率（ηₗ）、机械效率（ηₘ）、冷源温度等对热泵制热系数（COP）和系统RTE的影响。结果显示，提高等熵效率（0.86→0.9）可使RTE从54.23%提升至57.93%；冷源温度从17℃升至67℃时，RTE从57.03%增至61.46%。
     
   • 模型验证：通过对比电厂设计值与模拟值（误差<0.1%）及文献数据，验证了模型的准确性。
     

2. 效率对比
   在额定工况下，热泵加热系统的RTE（61.46%）比直接电加热系统（42.34%）提高45.16%；在75%和30%负荷工况下，热泵系统的效率优势同样显著。

主要结果
1. 热泵工质影响：氮气因较高的比热容比（1.40）和较低的压缩机入口温度（350℃），在保证高COP（1.306）的同时减少回热器负荷。
2. 参数敏感性：机械效率对COP和RTE的影响最大，冷源温度次之。例如，机械效率从0.95提升至1.0时，有回热系统的COP从1.23增至1.37。
3. 系统效率极限：在冷源温度67℃、等熵效率0.9、机械效率1.0的条件下，系统RTE可达61.46%，显著高于电加热方案。

结论与价值
该研究证实，熔盐卡诺电池储能系统能有效提升火电厂调峰能力，其中热泵加热方式的经济性和效率优势突出。研究结果为火电厂改造提供了关键设计参数，如优先选择氮气作为工质、优化冷源温度至67℃、采用回热结构等。此外，系统在低负荷工况下仍保持高效，为可再生能源消纳和电网稳定性提供了可行解决方案。

研究亮点
1. 创新性建模：首次在Aspen Plus中集成热泵循环与熔盐储热模型，并耦合火电机组进行全系统仿真。
2. 参数深度优化：揭示了机械效率与冷源温度对系统性能的显著影响，提出了具体优化区间。
3. 工程应用价值：量化了热泵加热相比电加热的效率提升（45.16%），为火电厂改造提供了直接参考。

其他发现
研究还指出，若锅炉持续运行，系统可通过调节熔盐储热与蒸汽抽汽实现动态调峰，进一步拓展了其在灵活运行中的应用潜力。