与火电厂耦合的风光弃电消纳相变蓄热系统传热特性及热调控机制

It is a novel power generation mode that thermal energy storage system（TES） absorbs discarded wind and solar electricity and then couples with thermal power plants to generate electricity during peak power consumption at night. However, when electromagnetic induction heating storage tanks are combined into the power plant, due to the non-uniform fluctuation of wind and solar power with the weather, "hysteresis effect" exists in heat transfer, while the power plant needs HTS give stabilize heat output, so the phase change heat transfer process in storage tanks exhibit non-uniform multi-physics coupled characteristics. In order to realize thermal regulation, it is necessary to study such key scientific issues of “time lag effect of heat transfer process in metal alloy phase transformation and coupling response mechanism of thermal transport characteristics in multi-physics”.This project intends to carry out experiments and simulation studies on electromagnetic induction heating furnaces through physical property tests, absorption-storage-heat release dynamic characteristic tests, performance test experiments, and the use of an improved equivalent heat capacity method simulating model. Thermal transport characteristic will be deeply analyzed under the comprehensive effects of non-uniform electromagnetic-heat-flow fields. Suppression mechanism of the hysteretic characteristics of metal heat transfer will be revealed under power supply fluctuation. On this basis, coordinated control mechanism of heat storage tank heat transportation will be explored, a unified control method for multi-physics coupling through material performance-heat storage tank structure-controllable parameters will be formed. The development of this project will provide practical theoretical methods and technical support for the novel power generation mode practice.

蓄热系统消纳风光弃电并耦合火电厂一体化热发电形式是一种新型发电模式；将电磁感应加热储罐组合成蓄热系统时，由于吸收的风光电随天气非均匀波动，热传递存在“迟滞效应”,而电厂又需要储热系统稳定的热输出。为实现储热罐性能调控，需要研究“非均匀电输入及稳态热输出约束下金属合金相变传热过程的时滞效应及与多物理场耦合响应的热调控机制”这一关键科学问题。本项目拟采用改进的等效热容法模型，对电磁感应加热熔炉展开数值模拟，并辅以物性测试、吸-储-释热动态特性测试、系统性能测试实验研究，旨在深入分析非均匀的电-磁-热-流场综合影响下的热输运响应规律，揭示金属传热的迟滞特性对电源波动的平抑机理；在此基础上，探索储热罐热输运的性能协同调控机制，形成多物理场耦合作用下贯穿材料性能-储热罐结构-可控参数的统一调控方法。本项目的开展将为新型发电模式的实践提供可行的理论方法和技术支撑。

通过热储能消纳风光弃电并耦合火电厂热发电是一种在新型电力结构下出现的发电模式。由于进行电-热转换时，风光电随天气非均匀波动，热传递存在“迟滞效应”,而电厂又需要储热系统稳定的热输出。为实现储热罐性能调控，需要研究“非均匀电输入及稳态热输出约束下金属合金相变传热过程的时滞效应及与多物理场耦合响应的热调控机制”这一关键科学问题。本项目通过对电-磁-热-流场中的硅铝合金固液相变融化过程及变负荷的凝固放热过程进行了数学建模，并数值模拟了其热输运特性，在此基础上项目对电磁感应加热的坩埚进行了设计与参数优化，研究了储热与燃煤联合发电工况下耦合热力系统的优化方案，最后对热储能集成系统的技术经济性进行了分析。通过项目研究获得了电-磁-热-流复杂物理场的相变材料融化过程的热输运动态特性，掌握了变负荷时固液相变凝固过程的热传输规律及热调控机制，得到了电-磁-热-流场下设备结构设计与优化机制，探索了热储能与原有热力系统耦合的方案优化机理，建立热储能集成系统技术经济评价方法。项目研究得出以下重要结论：1）对于电磁感应储能坩埚来说，应当使用无分瓣全封闭的低电导率坩埚，使得电磁损耗基本集中在铝硅合金，以此加热效率更高，加热速度更快。2）随着熔化过程发展，自然对流持续增强，对熔体顶部的影响更加明显。上半部分的合金比下半部分熔化要快，上下部分呈现不对称性。3）储热系统通过串联多组铝硅合金单元以及结合随着液相率变化过程改变流量的方式保证蒸汽出口温度恒定4）热储能与火电厂耦合运行时，从热储单元出来的蒸汽并入火电厂热力系统的位置优先排序为：过热器>整个锅炉>再热器>H1>H2>H3>H4>H5>H6>H7>H8。5）热储与火电集成系统中，级联式储热方案获得最低的度电成本，热泵制热储热方案的往返效率最高，当输出负载大于80%时，其达到0.55~0.56。在输出负载为40%时，往返效率仍为0.47，而原火电厂仅为0.36。本项目所得出的研究成果为热储能与火电厂相结合模式的实践提供了重要的理论参考。