近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所研究員陳海生團隊完成了100兆瓦先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹機的集成測試，各項結(jié)果全部合格，達到或超過設(shè)計指標(biāo)。這一進展是該團隊研制國際首臺100兆瓦先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)樣機的重要一步。
儲能技術(shù)被稱為能源革命的支撐技術(shù)和國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、成本低、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。壓縮空氣儲能的技術(shù)原理是在用電低谷時，將空氣壓縮儲存于儲氣室中，將電能轉(zhuǎn)化為空氣能存儲起來;在用電高峰時釋放高壓空氣進入燃燒室，帶動發(fā)電機發(fā)電，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)。但是，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。
針對這些問題，陳海生團隊提出先進壓縮空氣儲能技術(shù)——采用壓縮空氣液化儲存或高壓氣態(tài)儲存，擺脫了對儲氣洞穴的依賴;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，膨脹機是壓縮空氣儲能系統(tǒng)做功發(fā)電的關(guān)鍵核心部件，是系統(tǒng)研發(fā)的最大難點之一，具有負荷高、流量大、流動傳熱耦合復(fù)雜、變工況調(diào)控難度大等技術(shù)難點。經(jīng)過多年的不懈努力，研發(fā)團隊先后攻克了多級膨脹機全三維設(shè)計、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)，研制出國際首臺100MW級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)多級高負荷膨脹機。該膨脹機具有集成度高、效率高及壽命長等優(yōu)點。工程熱物理所儲能研發(fā)中心完成了該膨脹機的加工、集成與性能測試，各項測試結(jié)果全部合格，達到或超過設(shè)計指標(biāo)。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)、中科院前沿科學(xué)重點研究項目、國家可再生能源示范區(qū)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項和國家重點研發(fā)計劃項目等的支持。
陳海生的壓縮空氣儲能時間表
可以達到百兆瓦級的大規(guī)模儲能技術(shù)包括抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩種，壓縮空氣儲能排名第二。
2016年11月，陳海生團隊自主設(shè)計研發(fā)的大規(guī)模壓縮空氣儲能集成與示范平臺搭建完成，進入系統(tǒng)調(diào)試階段，成為全球首個針對10兆瓦級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的實驗檢測平臺。而此時，陳海生已經(jīng)開始了100兆瓦級系統(tǒng)的設(shè)計工作。
當(dāng)時，全世界僅有兩座商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站，分別位于德國和美國，規(guī)模達到百兆瓦級，但采用燃燒天然氣的傳統(tǒng)技術(shù)路線。而陳海生團隊研發(fā)的先進系統(tǒng)不使用儲氣洞穴、不燃燒天然氣，具有技術(shù)上的優(yōu)勢。
雖然在國際同行中處于領(lǐng)先地位，但陳海生時刻警醒自己：“國際基本同步，國內(nèi)追趕甚急，形勢嚴(yán)峻?！?010年他回國之初就設(shè)定了壓縮空氣儲能研發(fā)的時間表：
2012年完成1.5兆瓦示范項目，2015年建成10兆瓦項目，2020年建成100兆瓦項目。
2013年初廊坊1.5兆瓦示范項目建成后，團隊就開始了10兆瓦項目的設(shè)計工作，到2015年初已經(jīng)完成了集成驗證平臺建設(shè)圖紙。
2015年下半年，在國家能源局的支持下，國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心正式落戶畢節(jié)，項目隨之開工建設(shè)，僅用一年時間就正式建成。
一套10兆瓦級壓縮空氣儲能系統(tǒng)造價可降至8000萬～9000萬元，比電池便宜很多，風(fēng)電廠可以承受，并且壽命達到30年以上，儲電的成本在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。
建成大功率多級間冷壓縮機實驗平臺
2018年底，中國科學(xué)院工程熱物理研究所自主研發(fā)設(shè)計的首臺大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機實驗與檢測平臺在國家能源大規(guī)模物理儲能技術(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。
該實驗平臺采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)實驗件進口溫度和壓力的調(diào)節(jié)，同時采用變頻動力設(shè)備，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)。該平臺分為低速低壓實驗系統(tǒng)和高速高壓實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力測量范圍0.5～110barA，轉(zhuǎn)速測量范圍0～40000r/min，功率測量范圍0～10MW，具有開展單/多級壓縮機氣體動力學(xué)、機械性能、壓縮機與換熱設(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)性能檢測以及特殊工質(zhì)壓縮機性能等功能，為大規(guī)模儲能系統(tǒng)壓縮機的研發(fā)提供必備的研發(fā)平臺環(huán)境，為儲能系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化提供必需的技術(shù)支撐。
依托該實驗平臺，研究所詳細研究多級壓縮系統(tǒng)內(nèi)部流場測試及優(yōu)化、變工況運行特性、多級控制規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問題，深入開展10MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮部件的全尺寸、全工況實驗和100MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮部件模化實驗，并基于此開展多級高端壓縮設(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產(chǎn)權(quán)的研發(fā)體系，先后突破了系統(tǒng)全工況設(shè)計與控制、多級高負荷壓縮機和膨脹機、高效超臨界蓄熱換熱等關(guān)鍵技術(shù)，分別于2013年和2016年建成了國際首個1.5兆瓦級和10兆瓦級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)，從2017年起，在國際上率先開展了100兆瓦級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)工作。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)規(guī)模越大、效率越高、成本越低。100兆瓦級先進壓縮空氣儲能樣機建成后，額定效率將達到70%左右。該研究所示范項目建成后，將成為國際上效率最高、技術(shù)最先進的百兆瓦級壓縮空氣儲能電站。
壓縮空氣儲能加速推進中
目前，總投資30億元的全國首個鹽穴壓縮空氣儲能電站，由中鹽金壇成立的清華大學(xué)盧強院士工作站采用非補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，計劃建設(shè)一套60兆瓦鹽穴壓縮空氣儲能系統(tǒng)。該項目及應(yīng)用設(shè)備均為國內(nèi)首創(chuàng)，預(yù)計一期2021年3月投產(chǎn)，每小時可發(fā)電6萬度，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能調(diào)峰電站項目第一套10兆瓦機組主要設(shè)備已完成采購及生產(chǎn)制造，正進行鹽穴通井、測腔，計劃2020年12月完成建設(shè)安裝。
另據(jù)媒體報道，河北張家口將建設(shè)國際首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能示范項目，項目規(guī)模為100MW/400MWh。藍星工程有限公司348.36萬元中標(biāo)該壓縮空氣儲能項目工程設(shè)計。
據(jù)了解，張北巨儲新能源科技有限公司綜合能源示范項目已由張北縣行政審批局以張審批備字(2018)1號(批文名稱及編號)批準(zhǔn)建設(shè)，投資方為張北巨人能源有限公司，項目建設(shè)地為張家口市張北縣廟灘云計算產(chǎn)業(yè)園區(qū)，占地面積共85畝，系統(tǒng)設(shè)計效率70%。項目業(yè)主為張北巨儲新能源科技有限公司，建設(shè)資金來自自籌和銀行貸款，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壓縮空氣儲能系統(tǒng)的初步設(shè)計、施工圖設(shè)計到竣工圖編制等全過程的設(shè)計任務(wù)并提供全面的技術(shù)服務(wù)。
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