國際首套10MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)
儲能是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的迫切需要,被稱為能源革命的支撐技術(shù),是國家大力支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
而壓縮空氣儲能(CAES)具有規(guī)模大、單位成本低、壽命長、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),備受業(yè)內(nèi)的關(guān)注。
近日,中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心在國際學(xué)術(shù)期刊《能源》(Energy)上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果:用計(jì)算流體力學(xué)的方法建立了壓縮空氣儲能透平膨脹機(jī)內(nèi)部流場三維數(shù)值模型,研究了透平膨脹機(jī)氣動效率和磨損量隨葉頂間隙和膨脹比的變化規(guī)律,找到了在保證對透平膨脹機(jī)效率影響較小的前提下,可顯著降低磨損量的最佳葉頂間隙取值范圍和透平膨脹機(jī)運(yùn)行工況區(qū)間。
從追趕到領(lǐng)先
中國科學(xué)院工程熱物理研究所副所長陳海生研究員告訴《中國科學(xué)報(bào)》,傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)是一種源于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的儲能系統(tǒng)。在用電低谷,通過電動機(jī)帶動壓縮機(jī)將空氣壓縮并儲存于儲氣室中,使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來;在用電高峰,高壓空氣從儲氣室釋放,進(jìn)入燃燒室同燃料一起燃燒,然后驅(qū)動透平做功,帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
然而,陳海生介紹,傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)存在依賴儲氣洞穴、依賴化石燃料以及系統(tǒng)效率較低等瓶頸問題。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所高級工程師紀(jì)律告訴記者,工程熱物理所通過十余年的努力,突破了1~10MW壓縮空氣儲能各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),于2013年在廊坊建成國際首套1.5MW新型壓縮空氣儲能示范系統(tǒng),于2016年在貴州畢節(jié)建成國際首套也是目前唯一一套10MW新型壓縮空氣儲能示范系統(tǒng),效率達(dá)60.2%,是全球目前效率最高的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
據(jù)了解,新型壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)主要有以下三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步:首先,由于氣體壓縮過程會產(chǎn)生壓縮熱,通過蓄熱技術(shù)回收這部分熱量再利用,不必燃燒化石燃料提供熱量;其次,可以采用壓縮空氣液化儲存或高壓氣態(tài)儲存在儲氣裝置中,擺脫對儲氣洞穴的依賴;此外,通過高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱,系統(tǒng)集成優(yōu)化,整體提高系統(tǒng)效率。
“透平膨脹機(jī)是系統(tǒng)核心的做功發(fā)電裝置,其效率及運(yùn)行特性對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況具有決定性影響?!敝袊茖W(xué)院工程熱物理研究所助理研究員王星博士說。
據(jù)研究人員介紹,他們此次的研究是為了滿足壓縮空氣儲能在我國西部地區(qū)的應(yīng)用需求,針對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的特點(diǎn),而對透平膨脹機(jī)做出優(yōu)化分析。雖然我國西部地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源豐富,適合應(yīng)用壓縮空氣儲能技術(shù),然而當(dāng)?shù)乜諝夥蹓m含量較高,對透平膨脹機(jī)內(nèi)“高流速、高轉(zhuǎn)速”特征的核心部件具有潛在的危害。
王星等研究人員發(fā)現(xiàn),增大渦輪葉片和殼體之間的葉頂間隙可以減少磨損,然而增加葉頂間隙會增加流動損失。同時(shí),透平膨脹機(jī)內(nèi)部流動三維特征明顯,使粉塵運(yùn)動特征復(fù)雜,需要對流場進(jìn)行研究和組織,實(shí)現(xiàn)對部件抗磨損性能的主動優(yōu)化。為此,研究人員通過耦合納維—斯托克斯方程和Tabakoff & Grant磨損量半經(jīng)驗(yàn)公式,建立了透平膨脹機(jī)“氣—固”多相流三維數(shù)值模型,通過求解模型獲得了各部件磨損量的分布特征。結(jié)果顯示,透平膨脹機(jī)導(dǎo)葉尾緣、動葉前緣及二者間的輪轂、機(jī)匣等部位磨損較嚴(yán)重,建議增強(qiáng)進(jìn)口過濾,施加防磨涂層等,優(yōu)化葉片的抗磨損性能。
紀(jì)律說,通過大量的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)突破,工程熱物理所完成了1~10MW新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā),創(chuàng)造了“國際首套、規(guī)模最大、效率最高、專利和論文數(shù)量最多”等多個(gè)世界第一。
從2005年開始基礎(chǔ)研究,到2009年關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),到2016年10MW技術(shù)工程示范,用了約10年時(shí)間,我國的新型壓縮空氣儲能技術(shù)完成了從追趕到領(lǐng)先的跨越。
2017年,工程熱物理所開始研發(fā)100MW級新型壓縮空氣儲能技術(shù),預(yù)計(jì)2020年完成樣機(jī)研制,額定效率將達(dá)到70%左右。示范項(xiàng)目建成后,將成為國際上規(guī)模最大、效率最高的新型壓縮空氣儲能電站,有效促進(jìn)我國壓縮空氣儲能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
一個(gè)萬億價(jià)值鏈
那么,為什么要建設(shè)儲能系統(tǒng)呢?又為什么要發(fā)展壓縮空氣儲能技術(shù)呢?
陳海生告訴記者,現(xiàn)行的電力系統(tǒng)由原材料、發(fā)電、輸電、配電和用電這五大價(jià)值鏈組成。“用消費(fèi)品零售業(yè)來做類比的話,就好比原料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、分配和消費(fèi)都有了,唯獨(dú)沒有倉儲這個(gè)環(huán)節(jié)?!?p> 陳海生介紹,電力系統(tǒng)用戶端每日的用電負(fù)荷是波動變化的,且峰谷差日趨增大。為了滿足要求,當(dāng)前的發(fā)電裝機(jī)容量與電網(wǎng)容量需要按最大需求建設(shè),發(fā)電端根據(jù)用電端的實(shí)時(shí)動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行匹配。在用電低谷時(shí),發(fā)電機(jī)組停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行,這導(dǎo)致發(fā)電裝機(jī)容量和電網(wǎng)容量的利用率低。
不僅如此,這種現(xiàn)行系統(tǒng)的動態(tài)平衡存在風(fēng)險(xiǎn),比如近年來在印度、韓國、美國、英國等地都發(fā)生了大面積停電事故。增加儲能系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供緩沖,不失為有效的解決方案之一。
據(jù)陳海生介紹,截至2018年底,我國儲能裝機(jī)為31.2GW,約占全國電力總裝機(jī)的1.6%,低于世界2.7%的平均水平。據(jù)國際能源署預(yù)測,到2050年,我國儲能裝機(jī)將達(dá)到200GW以上,占電力總裝機(jī)的比例將提高至10%~15%,可以催生一個(gè)萬億級的產(chǎn)業(yè)。
能源革命的支撐技術(shù)
除了解決上述傳統(tǒng)能源的用電負(fù)荷波動的問題,儲能技術(shù)對于可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用和分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展也有重要的支撐作用。
陳海生說,儲能技術(shù)可將間斷、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源發(fā)電儲存起來,再按照需求平穩(wěn)、可控地釋放,具有平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等功能,可促進(jìn)可再生能源電力大規(guī)模并網(wǎng),有效解決棄風(fēng)、棄光問題。
分布式能源系統(tǒng)是未來高效、低碳、高安全性能源系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢之一??墒?,分布式能源系統(tǒng)相較于大電網(wǎng),具有負(fù)荷波動大、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差、故障率高等問題。
陳海生表示,儲能技術(shù)可作為負(fù)荷平衡裝置及備用電源,有效解決上述問題,提高分布式能源系統(tǒng)供電的可靠性、穩(wěn)定性。
因此,儲能技術(shù)被稱為“能源革命的支撐技術(shù)”。
有了壓縮空氣儲能充當(dāng)穩(wěn)壓器,可以將可再生能源、分布式能源產(chǎn)生的急劇波動的低質(zhì)量電能“變廢為寶”“點(diǎn)石成金”,從而促進(jìn)可再生能源、分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,社會效益巨大。
壓縮空氣儲能的未來發(fā)展
陳海生告訴記者,目前壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要聚焦性能、示范和電價(jià)機(jī)制三個(gè)方面。
首先是要繼續(xù)提高該技術(shù)的性能,降低成本。大規(guī)?;菈嚎s空氣儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢,也是其降低成本和提升性能的主要途徑。
其次是多做示范。目前新型壓縮空氣儲能技術(shù)的示范系統(tǒng)數(shù)量少、規(guī)模小,不能滿足技術(shù)發(fā)展的示范需求,因此迫切需要政府、企業(yè)、科研院所加大支持和投入力度,多建示范項(xiàng)目,推動技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。
最后是要建立合理的電價(jià)機(jī)制。目前,其他大規(guī)模儲能技術(shù)尚未享受到和抽水蓄能同樣的兩部制電價(jià)機(jī)制?!耙虼?,如能進(jìn)一步全面體現(xiàn)壓縮空氣儲能對電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn),形成合理的電價(jià)機(jī)制,將有效地激勵壓縮空氣儲能等各項(xiàng)新型儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用推廣?!标惡If。(■本報(bào)見習(xí)記者 池涵)
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