华能西安热工院打造绿色电力新引擎

作为中国华能集团有限公司的直属科研单位，西安热工研究院有限公司（以下简称“西安热工院”）“十四五”以来持续推进科技攻关，一批示范项目陆续落地。其中，燃煤掺氨燃烧可助力火电机组降低排放，同时有望促进绿电消纳和提升绿氨需求；超级电容弥补火电机组调频能力不足，提升电网稳定性并提高电厂收益；熔盐储能、热化学储能、光热储能等一系列热能储能技术“变电为热”，丰富了储能设备应用场景。

▲华能西安热工院4MW燃烧试验台

“氨原本是作为火电厂脱硝还原剂，但其本身也是一种零碳燃料，替代煤炭燃烧能够显著降低火电机组碳排放强度。”西安热工院锅炉设备及环保事业部新技术所所长王志超表示，燃煤掺氨燃烧虽有减碳优势，但仍有不少问题待解。首先，氨气燃烧与煤粉固相燃烧特性差异大，稳燃研究仍需持续强化，燃烧效率有待提高；其次，氨燃料氮含量较高，如何有效控制氮氧化物生成是关键；再次，大规模使用氨带来的安全风险不容小觑。

在西安热工院，约四层楼高的4兆瓦燃烧试验台管线纵横交错，控制中心屏幕汇总传感器和监控系统的信息数据。王志超表示：“通过这座国内先进的中试试验平台，我们验证了对现有燃烧器的改造效果，可以实现从纯煤到纯氨的切换。稳燃方面，我们在各个比例下都做到了燃烧自维持，同时具备一定调节能力。掺氨比例40%以内，氮氧化物生成浓度可以做到与纯煤燃烧持平，燃烧效率也基本相当。”

“目前，华能集团正积极推进燃煤机组掺氨减碳的工程示范。在规划的几个大能源基地建设中考虑引入氢/氨实现长时储能，通过火电厂协同消纳一定比例新能源富余电力。”王志超表示，新能源电价低廉地区的绿氨制备和利用未来将具有优势，同时，随着碳价升高以及煤电机组减碳压力的增加，未来燃煤机组掺氨减碳的经济优势有望进一步凸显。

▲华能左权煤电有限责任公司超级电容混合储能调频系统

在减排同时，火电机组的调频任务也越来越重。西安热工研究院电气技术部主任兀鹏越表示，近年来，各方均鼓励发电侧参与调频辅助服务市场，但火电机组响应延时长、功率爬坡速度慢、稳态精度低，调频性能差，机组直接参与调频任务还会造成发电成本增加、设备磨损等问题。

利用储能可让火电机组调频实现快速折返、精确输出和瞬间调节，但锂电池用作火储调频却存在“痛点”，调频的密集指令会对电池电芯造成巨大损耗，整个项目寿命周期内需要多次更换电芯，而短时间内频繁充放电也可能导致储能设备出现问题的风险增大。

“超级电容储能作为长寿命、高安全性的短时高频储能技术，具备功率密度高、循环寿命长、循环效率高等一系列优势，适用于电力系统调频。”兀鹏越表示，近年来，西安热工院积极开展超级电容储能调频技术研究与应用，攻克了大容量超级电容储能系统选型、集成与工程应用的难题，将长寿命、高安全性的超级电容储能技术首次成功应用在火电调频领域，为电力系统调频开辟出新的技术路径，填补了我国超级电容储能领域的技术空白。

2023年4月，西安热工院在华能罗源电厂建成世界容量最大的超级电容调频项目，首次将长寿命、高安全性的超级电容储能技术应用在火电调频领域，有效解决了以往火储调频技术中锂电池储能寿命短、安全性差的难题，显著提升机组整体调频性能。今年，华能阳逻电厂、华能左权电厂超级电容调频项目建成投产，华能伊敏煤电、华能铜川电厂等多个项目建设持续推进。同时，西安热工院还在开展超级电容电极材料国产化研制，未来有望进一步降低超级电容成本，促进超级电容储能技术大规模推广应用。

▲中国华能火电厂高温蒸汽熔盐储热科技示范工程 

除电储能外，西安热工院还开展了多项热能储能研究。西安热工院储能所所长韩伟表示：“常规的电化学储能重点在于电，而热能储能则注重电和热的关联。热能储能市场前景广阔，通过消纳新能源电力，将其转化为热能输出，相比传统储能，应用场景更加丰富。”

据韩伟介绍，成本低廉是热化学储能的重要优势。“目前，常规电化学储能每千瓦时投资为700元至1000元，这已经是非常低廉的价格了。但是对热化学储能来说，虽然我们的项目还处于中试阶段，没有大规模推广，但其千瓦时投资已经可以做到350元以下，相当于常规储能的一半。此外，不同于电力存在峰谷价差，蒸汽等热能需求相对固定，价格更平稳。”

此外，西安热工院的熔盐储能、光热储能、水体储热等其他新型储能技术研究也同步推进。其中，熔盐储能以无机盐作为介质，通过盐的温升储存热能，具有能量密度高、储热时间长、规模化成本低等诸多优势。

2022年，西安热工院承包设计了江苏国信靖江电厂储能项目，将熔盐储能系统和火电结合，同时实现调峰、调频和工业蒸汽供应3种功能。韩伟表示：“我们也建设了一套兆瓦级熔盐储能测试平台，并开发了相变熔盐模块，熔盐最低使用温度从之前的260摄氏度降至现在的100多摄氏度，提升了储能密度，并更好匹配蒸汽的换热曲线。”