近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研究員陳海生團(tuán)隊(duì)完成了100兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)的集成測(cè)試，各項(xiàng)結(jié)果全部合格，達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。這一進(jìn)展是該團(tuán)隊(duì)研制國(guó)際首臺(tái)100兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)的重要一步。
儲(chǔ)能技術(shù)被稱為能源革命的支撐技術(shù)和國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、成本低、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)原理是在用電低谷時(shí)，將空氣壓縮儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室中，將電能轉(zhuǎn)化為空氣能存儲(chǔ)起來(lái);在用電高峰時(shí)釋放高壓空氣進(jìn)入燃燒室，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。但是，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在依賴儲(chǔ)氣洞穴、依賴化石燃料以及系統(tǒng)效率較低等瓶頸問題。
針對(duì)這些問題，陳海生團(tuán)隊(duì)提出先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)——采用壓縮空氣液化儲(chǔ)存或高壓氣態(tài)儲(chǔ)存，擺脫了對(duì)儲(chǔ)氣洞穴的依賴;通過蓄熱技術(shù)回收利用氣體壓縮過程產(chǎn)生熱量，不必燃燒化石燃料提供熱量;通過高效的壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱，大大提升了整體系統(tǒng)效率。
這其中，膨脹機(jī)是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)做功發(fā)電的關(guān)鍵核心部件，是系統(tǒng)研發(fā)的最大難點(diǎn)之一，具有負(fù)荷高、流量大、流動(dòng)傳熱耦合復(fù)雜、變工況調(diào)控難度大等技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過多年的不懈努力，研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后攻克了多級(jí)膨脹機(jī)全三維設(shè)計(jì)、復(fù)雜軸系結(jié)構(gòu)、變工況調(diào)節(jié)與控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出國(guó)際首臺(tái)100MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)多級(jí)高負(fù)荷膨脹機(jī)。該膨脹機(jī)具有集成度高、效率高及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。工程熱物理所儲(chǔ)能研發(fā)中心完成了該膨脹機(jī)的加工、集成與性能測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果全部合格，達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家可再生能源示范區(qū)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。
陳海生的壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí)間表
可以達(dá)到百兆瓦級(jí)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能兩種，壓縮空氣儲(chǔ)能排名第二。
2016年11月，陳海生團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能集成與示范平臺(tái)搭建完成，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段，成為全球首個(gè)針對(duì)10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)。而此時(shí)，陳海生已經(jīng)開始了100兆瓦級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。
當(dāng)時(shí)，全世界僅有兩座商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，分別位于德國(guó)和美國(guó)，規(guī)模達(dá)到百兆瓦級(jí)，但采用燃燒天然氣的傳統(tǒng)技術(shù)路線。而陳海生團(tuán)隊(duì)研發(fā)的先進(jìn)系統(tǒng)不使用儲(chǔ)氣洞穴、不燃燒天然氣，具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。
雖然在國(guó)際同行中處于領(lǐng)先地位，但陳海生時(shí)刻警醒自己：“國(guó)際基本同步，國(guó)內(nèi)追趕甚急，形勢(shì)嚴(yán)峻。”2010年他回國(guó)之初就設(shè)定了壓縮空氣儲(chǔ)能研發(fā)的時(shí)間表：
2012年完成1.5兆瓦示范項(xiàng)目，2015年建成10兆瓦項(xiàng)目，2020年建成100兆瓦項(xiàng)目。
2013年初廊坊1.5兆瓦示范項(xiàng)目建成后，團(tuán)隊(duì)就開始了10兆瓦項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，到2015年初已經(jīng)完成了集成驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)圖紙。
2015年下半年，在國(guó)家能源局的支持下，國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心正式落戶畢節(jié)，項(xiàng)目隨之開工建設(shè)，僅用一年時(shí)間就正式建成。
一套10兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)造價(jià)可降至8000萬(wàn)～9000萬(wàn)元，比電池便宜很多，風(fēng)電廠可以承受，并且壽命達(dá)到30年以上，儲(chǔ)電的成本在0.3～0.5元/度。同10兆瓦系統(tǒng)相比，100兆瓦系統(tǒng)將提高效率10%，單位成本下降30%，適用于大電網(wǎng)、大風(fēng)電場(chǎng)。
建成大功率多級(jí)間冷壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
2018年底，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所自主研發(fā)設(shè)計(jì)的首臺(tái)大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)平臺(tái)在國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)(畢節(jié))研發(fā)中心暨工程熱物理所畢節(jié)分所完成調(diào)試。
該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)口溫度和壓力的調(diào)節(jié)，同時(shí)采用變頻動(dòng)力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)。該平臺(tái)分為低速低壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和高速高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力測(cè)量范圍0.5～110barA，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍0～40000r/min，功率測(cè)量范圍0～10MW，具有開展單/多級(jí)壓縮機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械性能、壓縮機(jī)與換熱設(shè)備的耦合特性、壓縮系統(tǒng)變工況控制規(guī)律、壓縮系統(tǒng)性能檢測(cè)以及特殊工質(zhì)壓縮機(jī)性能等功能，為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)的研發(fā)提供必備的研發(fā)平臺(tái)環(huán)境，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化提供必需的技術(shù)支撐。
依托該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究所詳細(xì)研究多級(jí)壓縮系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試及優(yōu)化、變工況運(yùn)行特性、多級(jí)控制規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問題，深入開展10MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮部件的全尺寸、全工況實(shí)驗(yàn)和100MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮部件模化實(shí)驗(yàn)，并基于此開展多級(jí)高端壓縮設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
中科院工程熱物理所通過15年努力，建立了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研發(fā)體系，先后突破了系統(tǒng)全工況設(shè)計(jì)與控制、多級(jí)高負(fù)荷壓縮機(jī)和膨脹機(jī)、高效超臨界蓄熱換熱等關(guān)鍵技術(shù)，分別于2013年和2016年建成了國(guó)際首個(gè)1.5兆瓦級(jí)和10兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，從2017年起，在國(guó)際上率先開展了100兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研發(fā)工作。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模越大、效率越高、成本越低。100兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能樣機(jī)建成后，額定效率將達(dá)到70%左右。該研究所示范項(xiàng)目建成后，將成為國(guó)際上效率最高、技術(shù)最先進(jìn)的百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站。
壓縮空氣儲(chǔ)能加速推進(jìn)中
目前，總投資30億元的全國(guó)首個(gè)鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，由中鹽金壇成立的清華大學(xué)盧強(qiáng)院士工作站采用非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)，計(jì)劃建設(shè)一套60兆瓦鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。該項(xiàng)目及應(yīng)用設(shè)備均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，預(yù)計(jì)一期2021年3月投產(chǎn)，每小時(shí)可發(fā)電6萬(wàn)度，將有力支撐江蘇電網(wǎng)調(diào)峰需求，緩解峰谷差造成的電力緊張局面。
此外，山東肥城壓縮空氣儲(chǔ)能調(diào)峰電站項(xiàng)目第一套10兆瓦機(jī)組主要設(shè)備已完成采購(gòu)及生產(chǎn)制造，正進(jìn)行鹽穴通井、測(cè)腔，計(jì)劃2020年12月完成建設(shè)安裝。
另?yè)?jù)媒體報(bào)道，河北張家口將建設(shè)國(guó)際首套百兆瓦先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，項(xiàng)目規(guī)模為100MW/400MWh。藍(lán)星工程有限公司348.36萬(wàn)元中標(biāo)該壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)。
據(jù)了解，張北巨儲(chǔ)新能源科技有限公司綜合能源示范項(xiàng)目已由張北縣行政審批局以張審批備字(2018)1號(hào)(批文名稱及編號(hào))批準(zhǔn)建設(shè)，投資方為張北巨人能源有限公司，項(xiàng)目建設(shè)地為張家口市張北縣廟灘云計(jì)算產(chǎn)業(yè)園區(qū)，占地面積共85畝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率70%。項(xiàng)目業(yè)主為張北巨儲(chǔ)新能源科技有限公司，建設(shè)資金來(lái)自自籌和銀行貸款，企業(yè)出資比例為30%，銀行貸款70%。根據(jù)招標(biāo)要求，投標(biāo)人將完成100MWx4h壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)到竣工圖編制等全過程的設(shè)計(jì)任務(wù)并提供全面的技術(shù)服務(wù)。
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