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超临界压缩空气储能系统:可再生能源并网之策

2019年9月23日 - 科技中心

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如今10兆瓦级超临界空气膨胀机机械变速与控制系统已圆满完成了厂内试车,各项指标均已达到设计要求,试验值与设计计算值吻合良好。

图3 系统效率随储能压力和释能压力的变化规律

据了解,10兆瓦超临界压缩空气储能系统包括宽负荷压缩机、高负荷透平膨胀机、紧凑式蓄冷/换热器三大核心部件。

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“这对现有的设计和分析方法是一个严峻的挑战,需要在研制过程中对现有一维、准三维设计和全三维流场分析程序进行进一步的完善和发展。”陈海生进一步介绍,“首先我们采用具有完全自主知识产权的设计程序进行正反问题气动设计分析,然后在完成气动设计基础上进行强度校核和转子动力学分析,并根据结构设计需要及国内现有加工水平进行反复校核和优化,最终完成了高效、紧凑、高负荷透平膨胀机的整机设计,从而完全掌握了超临界压缩空气储能系统关键部件的核心设计技术,形成了一整套完善的适用于高负荷透平膨胀机的研发设计体系。”

图1 超临界压缩空气储能系统流程图

依托中国科学院工程热物理研究所所长基金重点项目“10兆瓦级先进压缩空气膨胀机的研究与实验”,储能研发中心团队对10兆瓦级超临界压缩空气储能系统释能过程关键核心部件——超临界空气膨胀机开展了相关研究与试验工作。该项目总体目标是全面掌握10兆瓦级超临界空气膨胀机的研发设计方法与技术,并完成部件和系统的集成验证实验。

系统中空气的降压液化可通过节流阀或者液体膨胀机两种方式实现,通过对这两种超临界压缩空气储能系统进行热力性能分析,发现采用液体膨胀机的超临界压缩空气储能系统(LE-SC-CAES)效率可高达67.2%,比采用减压阀的系统(V-SC-CAES)高出7个百分点,且远高于常规压缩空气储能系统(效率48%~54%)。该系统㶲流分析,如图2所示,显示系统中㶲损失主要集中在压缩机、膨胀机和蓄冷换热器等关键部件,因此改善压缩机、膨胀机、蓄冷换热器关键部件性能对提高整个系统性能具有重要作用。通过对系统参数的敏感性分析,储能研发中心科研人员发现在超临界压缩空气系统中储能压力和释能压力存在一定的匹配关系,如图3所示,由于空气在蓄冷换热器中的换热过程为跨临界换热过程,空气热力学参数急剧变化,因此在储能压力一定的情况下,系统效率随着释能压力的增加先提高后降低,存在一个最优点。

此外,超临界压缩空气储能系统的生产与应用还将为企业带来巨大的经济效益。以10兆瓦/80兆瓦时的压缩空气储能电站为例,产业化后的单位造价为1500元/千瓦时,发电销售利润总额可达3.32亿元/年,投资回收期为6至7年。

储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源大规模接入、电力系统削峰填谷,以及分布式供能系统的关键技术,是目前解决能源环境问题的一个重要途径。在所有的储能技术中,压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期长、比投资小等优点,被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一,已受到国内外学者的高度关注。而常规的压缩空气储能系统存在依赖大型储气室、依赖化石燃料、系统效率较低等问题。

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同时,研究人员研究了压缩机等熵效率、膨胀机等熵效率、间冷器/再热器压力损失、间冷器/再热器换热温差等参数对系统效率的影响,从而可为超临界压缩空气储能系统设计与优化提供理论指导。以上研究工作得到国家自然科学基金项目和国家“863”计划项目支持,相关研究成果已发表在国际学术期刊上(402.com,Energy
Conversion and Management
, 115:167-177,2016)。

压缩空气储能技术作为最具发展潜力的大规模电力储能技术,可实现可再生能源的平滑波动、跟踪调度输出、调峰调频等关键技术难题,使可再生能源发电实现稳定可控输出,满足其接入并网的要求,从而为可再生能源的大规模利用提供了解决方案。

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《中国科学报》 (2015-12-21 第5版 创新周刊)

图2 超临界压缩空气储能系统㶲流图

■本报见习记者 马卓敏

针对以上问题,中国科学院工程热物理研究所储能研发中心研究人员提出了一种新型的超临界压缩空气储能系统,系统流程如图1所示。该系统具有很高的能量密度,约为常规压缩空气储能系统能量密度的18倍,大幅减小了系统储罐体积,摆脱了对地理条件的限制;该系统回收了间冷热,摆脱了对化石燃料的依赖;同时利用了空气的超临界状态流动与传热特性提高了系统效率。

超临界压缩空气储能技术不仅可实现分布式能源系统和智能电网的负荷平衡,提高可靠性与稳定性,还可以大幅提高火电机组实际运行效率,增强电网的输电能力,有效提高燃煤机组的总负荷系统及电网利用系统,也可作为工业节能、应急电源的关键支撑技术。

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