2025年 02期
储能电池模组风冷和液冷换热特性对比
叶兴联;钟志韬;张楚城;苏寅彪;韩志刚;【目的】锂离子储能电池在工作过程中会产生大量热量，温度过高会导致热失控，影响电池安全，而热管理系统是影响锂离子储能电池稳定性和效率的关键因素。【方法】本文基于数值模拟方法，从定量上对比讨论了并联式风冷和液冷电池模组的换热性能、流阻性能、流动换热综合性能及环境温度的影响等换热特性。【结果】研究表明：当考虑电池模组最高温度、最大温差时，风冷和液冷方式的选择会存在一个冷却介质进出口温差的分界点；液冷方式的整体温度均匀性优于风冷，各电芯间的温差仅为0.5℃，风冷方式则为6.1℃；液冷方式的换热性能优于风冷，而液冷方式的流阻性能劣于风冷。总体上，液冷方式的流动换热综合性能优于风冷，且性能优势随着冷却介质流量的增大而逐渐增强；在0~30℃环境温度变动下，液冷方式比风冷具有更强的环境温度变化适应能力，其换热性能受环境温度影响较小，最高温度涨幅仅为1.1℃。【结论】本文所述研究方法及结果可为相关研究提供参考，有利于储能冷却方式的进一步优化。
循环流化床锅炉炉内脱硫技术研究进展
韩铠泽;刘方;张光学;【目的】循环流化床（circulating fluidized bed,CFB）锅炉可通过往炉内投放钙基脱硫剂，实现燃烧中脱硫，炉膛出口处SO_2原始排放浓度较低。然而，面对日趋严格的火电厂大气污染物排放标准，如何优化炉内脱硫工艺、巩固CFB锅炉低成本污染物排放控制优势，是工程上十分关心的问题，需要对CFB锅炉的SO_2生成和炉内脱硫特性开展更加深入的研究。【方法】本文通过梳理近年CFB锅炉炉内脱硫的相关研究，总结各设计或运行参数对炉内脱硫效率的影响规律，提出针对性的炉内脱硫控制措施。【结果】研究表明，在给定脱硫剂和锅炉负荷下，提高分离器效率、改善物料循环系统性能，采用与高效分离器相匹配的超细石灰石，合理设计及调控炉膛温度（800~850℃）和氧量，确定合适的石灰石给入位置，适当增大钙硫比但不高于3.3，可以有效提高炉内脱硫效率，甚至在特定工况下不依靠尾部烟气脱硫系统便可直接满足SO_2超低排放标准。然而，炉内脱硫通常会导致NO_x排放升高，当钙硫比超过2时，锅炉热损失增加使锅炉效率有所降低，另外飞灰中CaO及脱硫产物增加对尾部除尘性能也有一定的影响。【结论】CFB锅炉炉内需要在优化脱硫性能的同时，注重从锅炉整体运行经济性等方面进行综合考虑。
锂离子电池正极材料Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O_2的可控合成与Ca掺杂改性
安鹏燕;王舒冉;董默涵;傅世郑;张一龙;王家顺;张德柳;刘朝孟;【目的】锂离子电池因其在循环寿命、能量密度及成本方面的优势，受到了广泛关注。正极材料是实现锂离子电池高能量存储的关键。其中，高镍三元材料因其成本低和容量高等优点成为正极材料的首选，但由于镍元素的存在，发生锂镍混排，电池循环稳定性极差。因此，对三元Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O_2(NCM811)材料的制备和钙掺杂改性进行研究。【方法】采用共沉淀法制备三元材料NCM811的前驱体，通过分析不同静置时间对颗粒形貌、结构以及电化学性能的影响，得到最佳合成条件，并以Ca(OH)_2作为钙源对NCM811三元材料进行掺杂改性。【结果】研究表明，静置10 h的倍率下表现出更好的性能，但静置时间为1 h的首次放电比容量较高；静置1 h和10 h在100次循环后的放电比容量和容量保持率十分接近；钙掺杂为3%时反而会出现相反的影响，导致阳离子混排加剧，循环和倍率性能变差，最终得出2%为钙掺杂的最佳掺杂量；最优掺杂量2%的NCM材料在0.1 C的首圈放电比容量为178.25 mA·h/g，库伦效率为81.55%,1 C倍率循环100圈后放电比容量为154.64 mA·h/g和容量保持率为86.37%；材料合成时静置时间10 h具有更好的倍率性能；【结论】适量的钙掺杂可以降低阳离子混排程度，大幅提高了三元材料的放电比容量和容量保持率，改善三元材料的循环和倍率性能。
基于液态金属冷却的电池液冷方案设计及参数多目标优化
杨利伟;马凯伦;周小明;【目的】针对锂电池高倍率放电产热问题，设计一种基于液态金属冷却的高效液冷方案，并通过多目标优化提升散热性能与系统稳定性。【方法】采用镓基液态金属作为冷却剂，设计单入口双出口液冷回路；利用Fluent软件进行数值模拟，分析冷却剂流速、管道高度、分支递增宽度及倾角对散热性能的影响；结合正交实验法筛选关键参数，并基于NSGA-II多目标遗传算法优化参数组合。【结果】优化后最优参数组合为冷却剂流速0.42 m/s、分支递增宽度0.13 mm、倾角87.38°、管道高度5.76 mm，系统最大温度312.66 K，温差11.66 K，压降0.712 kPa。与初始方案相比，最大温度降低0.53%，温差降低8.04%，压降略有增加。【结论】液态金属冷却显著提升散热效率，流速与管道高度对温度控制影响最大；NSGA-II算法可实现散热性能与压降的均衡优化，为高倍率电池热管理提供有效解决方案。
空气对流耦合耐火砖蓄热传热特性研究
宋艳梅;杨豫森;王欣然;杜藏宝;杨晓峰;陈伟雄;孙林;【目的】为优化燃气联合循环机组的调峰性能，解决机组日开夜停模式下的夜间工业蒸汽供应问题，并实现能源梯级利用与热电联产。【方法】本文设计一种新型空气对流耦合耐火砖固体蓄热系统，通过建立空气对流耦合耐火砖蓄热的数值仿真模型，分析预热段、蒸发段和过热段的相变换热、对流传热及导热特性；采用计算流体动力学模拟结合实验验证，探究蓄热体在蓄/放热过程中热扩散的变化趋势与差异，并利用网格无关性验证确保模拟精度。【结果】研究表明，蓄热系统单元在4 h内储热和放热量均达到80%以上，最大平均储热速率和放热速率分别为15.9 kW/m~3与22.0 kW/m~3；能够快速高效地储存蒸汽热量和将热量释放给蒸汽，实验与模拟结果吻合良好，验证了技术可行性。释能阶段的传热温压显著高于储能阶段，表明系统释能效率更高。【结论】该装置可高效存储和释放蒸汽热量，提升燃气机组调峰能力，减少对燃气锅炉的依赖，同时通过储热实现深度调峰与热能稳定供应，可有效的解决负荷过低对机组运行安全性的影响，具有显著的经济效益与应用价值。
基于多元目标的储能政策综合评估
沈昊天;张华良;徐玉杰;苏旭;门静婧;王尧;陈海生;【目的】储能政策体系较为复杂，对储能政策进行科学全面的评估是促进储能产业发展的有效手段。【方法】本文采用熵权Topsis(technique for order preference by similarity to ideal solution)方法以及层次分析法开展不同省份储能政策的综合评估，体现各省份政策对于储能项目的促进水平。考虑政策落地效果并结合储能电站实际应用场景，建立了涵盖经济指标、技术指标以及环境指标等七个指标的多目标综合评估体系。选取青海、浙江、内蒙古及河南四省代表性政策，计算多指标场景分析结果并采用熵权Topsis方法进行客观排序。对于主观评估存在的多目标各有侧重的特点，以层次分析法分别对不同目标下的储能政策进行综合评估。【结果】结果表明，熵权Topsis综合评估方法下浙江省储能政策最优，体现了浙江省政策支持下储能电站运营效益的相对最大化。在分别考虑经济性、技术性以及环境性目标的主观意图下，浙江、河南和浙江储能政策最优，反映了不同省份对于不同目标的支持力度。【结论】对于政策的主观评估需要建立目标优先次序，为后续储能政策评估提供依据。
燃煤电厂耦合熔盐储热调峰特性模拟研究
尹秋钰;李德波;方立军;余冯坚;柴勇权;金凤雏;陈兆立;【目的】为了进一步提高燃煤电厂的灵活性，增大调峰深度。【方法】本文以某670 MW超临界一次再热燃煤机组为研究对象，基于Ebsilon 16.4建立热力系统模型，模拟三种储热方案和三种释热方案的组合。通过对比调峰深度、储热功率、?效率和热效率等指标，评估不同组合方案的性能。【结果】研究表明，储热工况下，抽取中压缸排汽可显著降低低压缸负荷达78%，且需结合再热蒸汽以提升熔盐温度；电加热储热方案的储热功率最高，可达100.17 MW·h，但熔盐用量较大。释热工况下，逐级加热高压给水可减少抽汽量，最大电负荷提升达7.4%。组合方案分析表明，电加热储热结合逐级加热给水的方案性能最优，其全过程?效率达40.71%，热效率为42.3%，调峰深度显著优于其他方案。此外，熔盐工作温度区间对能量利用率影响显著，温差控制可降低?损失。电加热储热方案在能量复用率和系统效率方面优于传统抽汽储热，适用于需快速响应调峰的场景；释热时逐级加热高压给水的策略可最大化提升机组灵活性。【结论】本研究结果为燃煤电厂耦合熔盐储热系统的设计与改造提供了理论依据，对新能源消纳与电网稳定性提升具有重要参考价值。
光纤布拉格光栅原位监测揭示硬壳电池应变、温度演变机理研究
黄丹茹;葛筱渔;张怡;裴非;黄桥生;王建豪;牟申周;徐星;【目的】硬壳电池在充放电过程中由于电极内部晶格结构变化和电化学反应，会产生应变和温度变化，对电池的充放电状态、安全性能以及使用寿命等关键指标具有重要影响。【方法】为了更准确地监测和分析应变与温度变化，采用光纤布拉格光栅（fiber bragg grating,FBG）技术对磷酸铁锂（lithium iron phosphate,LFP）与石墨构成的硬壳电池进行了深入研究，包括FBG在电池监测中的最优应用方式、监测单电极应变变化并与电极材料的晶体结构变化进行关联分析、将FBG技术应用于储能电站中电池模组进行温度监测。【结果】研究表明：在电池侧面使用光纤应变片或通过夹具间接监测电池正面应变这两种方式能够稳定捕获电池在充放电循环中的应变变化，电池正面在循环过程中的应变约为500με，电池侧面约为50με；电池在充放电过程中由于锂离子嵌入和脱出引起的晶格体积变化是导致电池应变变化的根本原因；电池模组中电池侧面积热最严重，与电极相比，电池侧面在快速循环过程中温度约高3℃；FBG光纤在测温精度方面的表现与热电偶相当但复用性优于热电偶，可使用1根光纤蚀刻2个FBG监测2个电池的温度变化。【结论】FBG技术可揭示硬壳电池循环过程中应变、温度演变机理，在电池监测领域具有广阔的应用前景。
基于火焰辐射图像处理的炉膛三维温度场监测研究
闫伟杰;刘海东;周旭;刘一;王学斌;【目的】在“双碳”目标要求下，中国新能源发电占比不断增加，对传统火电机组深度调峰提出了更高的要求。深度调峰面临的最大挑战则是炉内燃烧不稳定，而火焰温度又是反应燃烧稳定性的重要参数。【方法】采用黑体炉对4个电荷耦合图像探测器进行标定，建立图像灰度值与辐射强度的定量关系；探测器内置双带通滤光片及中性密度衰减片，以获取非饱和单色辐射图像。在5 MW煤粉锅炉炉膛的对称位置布置4个探测器，通过逆蒙特卡洛法求解辐射传输方程，结合Tikhonov正则化优化算法抑制噪声干扰，实现三维温度场重建，试验针对15%、35%、50%、75%和100%负荷工况进行测试。【结果】试验结果表明，中间断面的平均温度分别为1 182.3℃、1 235.5℃、1 239.7℃、1 272.2℃和1 295.2℃，随负荷增加呈显著上升趋势；15%负荷下炉膛高度方向温度分布接近对称，但上部高温区域面积略大于下部，反映了实际燃烧状态。三维温度场重建系统可实时显示不同断面的温度分布，软件界面集成火焰图像、温度曲线及二维/三维场可视化功能。标定实验验证了辐射强度测量的准确性，黑体炉温度反算误差小于1%。不同负荷下高温区面积扩展与温度升高的规律表明，系统能有效捕捉燃烧状态变化。【结论】该方法具备良好的工程应用潜力，对推动火电机组清洁高效运行具有重要意义。
600 MW超临界燃煤锅炉尾部受热面磨损模拟研究
杨帮敏;杨威;柯永省;吴剑波;陈双照;张海丹;张光学;【目的】为精确模拟燃煤锅炉尾部低温再热器和省煤器的受热面磨损情况，延长锅炉寿命，提高锅炉的安全运行水平，【方法】本文以某600 MW超临界燃煤锅炉为研究对象，提出一种锅炉本体热态燃烧模拟与尾部受热面磨损模拟进行单向耦合，前者作为后者的计算边界条件，旨在模拟锅炉尾部受热面磨损情况的新型数值计算方法。【结果】研究表明，低温再热器的平均磨损率为3.05×10-8 kg/（m~2·s），然而局部最大磨损率为1.54×10-6 kg/（m~2·s）；省煤器的磨损率更高，平均值可达6.65×10-8 kg/（m~2·s），局部最大磨损率为3.93×10-6 kg/（m~2·s）；低温再热器和省煤器的第一排的迎风面磨损较为严重，且分布均匀，第2~4排换热管的磨损最轻微，第5排之后换热管侧面产生了点状分布的不规律磨损现象，局部磨损率超过了第1排，以切削磨损为主。当锅炉负荷增加时，烟气速度增加，受热面的磨损率呈现指数增大趋势。当负荷降低至50%时，磨损率仅为满负荷时的1/10左右。当煤质灰分含量由10%提高至20%时，磨损率呈线性增加趋势，但灰含量进一步增加时，磨损率增加的速度变缓。煤粉颗粒越粗，燃烧产生的飞灰粒径越大，对管壁的冲击磨损越大。【结论】建议对锅炉尾部受热面第一排换热管进行重点防护。当煤质灰份含量较高时，应避免锅炉长期高负荷运行，并适当提高煤粉细度。