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支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术：燃煤耦合储能系统及智能控制系统
刘吉臻，王庆华，张效宁，牛玉广，徐进良，余雄江，江凯军，谢剑，王艳
（北京怀柔实验室, 北京市 怀柔区 101400）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.240384
建设以新能源为主体的新型电力系统是科学有序实现“双碳”目标的重要途径。我国清洁低碳安全高效的能源体系正逐步建立，以新能源为主体的新型电力系统对燃煤发电机组的灵活运行与优化调控提出了更严格的要求。可再生能源因其间歇性、随机性与波动性，在高比例可再生能源接入时对能源供给的安全稳定构成重大挑战；电源侧、配电侧与用电侧大量特性各异的装备以电力电子设备为接口接入现有电力系统，高比例电力电子设备的接入带来新的电力系统稳定性问题，呈现非线性、时变性、异构性、不确定性和复杂性等特征。“双高”背景下，火电机组需由主要电源供给角色向支撑性和调节性电源的角色转型。
我国现有机组的变负荷速率和最低负荷与世界先进水平仍有一定差距，支撑与调节能力有待进一步提升。耦合燃煤发电的储能系统是配合三大主机、提升机组灵活性的重要支撑，通过耦合机组蓄能/蓄㶲并有序对外释放存储能量，可突破传统燃煤发电机组能量传递的时空限制。燃煤发电机组灵活运行为智能化赋予现实需求，智能化为灵活运行的实现提供技术支撑。伴随着锅炉、汽轮发电机、储能等系统灵活性新技术的应用，感知和执行手段、途径进一步丰富；另一方面储热系统的引入需重构新型火电机组控制策略与运行模式等。在自动化和信息化的基础上，发展智能发电控制技术，进行智能感知和执行、智能控制和优化、智能管理和决策，是实现运行优化与高效运维，提高自动控制系统适应性与控制水平的有效途径。本文阐述与归纳了燃煤耦合储能系统和智能控制系统支撑新型电力系统下燃煤发电机组灵活运行的现状、挑战与新技术，以期为未来我国燃煤发电机组的设计、建设、改造提供多角度理论与实践的参考。
按照储能原理可分为：以蒸汽储热、固体储热、熔融盐储热为代表的储热技术；以飞轮储能、压缩空气储能为典型的机械储能技术；电化学储能技术。表1归纳了火电耦合储能新技术的特点及未来方向，各种储能方式在调峰响应速度与储能规模上各有优势。熔融盐储热的储能容量较大，是典型的容量型储能技术，在火电机组负荷调节过程中有移峰填谷的能力；其储能周期较长，可适应机组小时级调峰需求。飞轮储能方式具有较好的响应速度，可用于电源侧调频过程，改善源侧电能质量。
表1 火电耦合储能技术特点及未来方向
机组控制系统中的参数检测通过引入状态感知、机器学习等先进技术手段，显著提升了检测精度与效率，而实时数据采集率偏低、信道容量有限以及终端计算能力不足等问题仍亟待解决。激光诱导击穿光谱(LIBS)等技术为燃煤发电的配煤掺烧、燃烧优化及污染物控制提供了实时的煤质特性数据支持，LIBS技术具有广泛的测量范围和无辐射等特点，其在复杂工业环境中的长期稳定性和精确性仍需研究。自启停控制与协调控制系统提高了机组的自动化水平，全流程自动化仍面临工艺复杂、设备可靠性要求高、控制策略复杂等挑战。运行优化系统通过典型应用初步实现了优化运行与提升能效人效的目标，但智能化理论与实际应用场景的进一步融合仍有较大提升空间。
2）燃煤发电灵活运行储能与控制新技术。
燃煤发电耦合熔盐储热系统具有大规模、可调节、长周期、成本低等优势，是燃煤发电灵活运行新技术的重要增长点。系统通过重构储热和放热流程来优化储热效率和调峰能力。如图1和图2所示，烟气加热与蒸汽加热是两种主要的储热技术路线，其中烟气加热熔盐技术无窄点温差限制，具备更高的储热效率和简化的系统结构。
图1 烟气加热熔盐储热原理
图2 蒸汽加热熔盐储热原理
图3 烟气熔盐换热器集成系统图
图4 烟气混合除尘器示意图
智能发电控制系统通过泛在感知、智能控制和智能运行三大核心提升火电机组的灵活性和智能化水平。如图5所示，发展泛在感知技术，充分利用移动互联、先进通信技术、新型传感设备等可实现电厂状态全面感知，有助于打通人、机、物、环之间所存在的数据壁垒，实现数据的实时分析掌握。
图5 泛在感知网络拓扑图
智能控制通过实时仿真、协调控制和自主寻优启停控制提升系统的灵活性。如图6所示，耦合储能系统的实时仿真基于模型结构和特征参数自我学习和持续优化的仿真建模技术持续支持机组运行优化；锅炉-汽轮机-储热协调控制通过动态建模、熔盐控制、新型协调控制实现蓄能的时空互补与深度利用，提升变负荷速率。如图7所示，自主寻优自启停控制则通过对工艺参数与设备状态的自动判断，提高了机组的启停效率和容错性。
图6 燃煤耦合储能系统在线实时仿真
图7 自主寻优自启停控制
智能运行平台支持全自动优化控制，智能燃烧技术通过数据分析优化燃烧过程，如图8所示的智能优化系统通过高精度能耗分析优化机组参数，而智能监盘系统利用大数据和知识图谱技术，实现故障诊断和预警，推动“少人值守、无人运行”。
促进新能源占比逐渐提高，推动煤炭和新能源优化组合是解决未来能源供应的趋势，也是能源转型的有效途径。燃煤发电机组将由主体性电源逐步向基础保障性和系统调节性电源转型。
本文从燃煤耦合储能系统及智能控制系统两方面分别介绍了燃煤机组灵活运行新技术，归纳如下：
1）燃煤发电耦合储能系统新技术包括蒸汽储热、固体储热、飞轮储能、压缩空气储能、电化学储能以及熔盐储热等多种形式，本文对各形式的储能系统耦合燃煤发电的应用场景以及优、缺点进行了对比分析。
2）围绕储热工艺流程重构、关键设备、非电伴热三方面对耦合灵活燃煤发电的熔盐储热新技术进行了论述，指出耦合燃煤机组的熔盐储热新技术特点、关键技术难题及解决思路。
3）控制系统新技术包括采用泛在感知网络技术，实现机组运行状态全面感知；采用智能控制技术，实现机组启停路径自主规划及机组蓄能的时空互补与深度利用。
储能系统耦合运行如何提升机组整体灵活性和经济性将成为燃煤机组面临的新挑战与新机遇。未来燃煤机组将向安全高效、清洁低碳、灵活智能的目标不断发展，如何进一步燃煤发电机组智能化水平，突破控制系统感知、决策、执行等环节瓶颈，有待进一步研究。
引文信息
刘吉臻，王庆华，张效宁，等．支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术：燃煤耦合储能系统及智能控制系统[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6855-6882．
LIU Jizhen，WANG Qinghua，ZHANG Xiaoning，et al．Novel technologies of flexible coal-fired power generation to support China energy transition: coal-fired coupled energy storage system and smart control system[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6855-6882(in Chinese)．
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