壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)可再生能源的平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等關(guān)鍵技術(shù)難題，使可再生能源發(fā)電實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控輸出，滿足其接入并網(wǎng)的要求，從而為可再生能源的大規(guī)模利用提供了解決方案。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心主任陳海生告訴記者，該所于2009年在國際上首次提出了超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有儲(chǔ)能高效、密度高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)同時(shí)解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對大型儲(chǔ)氣室和化石燃料的依賴，具有顯著的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。

早在2013年，工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心便完成了對1.5兆瓦級超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范工作，此系統(tǒng)性能指標(biāo)高于國際同等規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前，該所正在著力開展對10兆瓦級超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)與示范工作，并已完成了系統(tǒng)主要部件的研發(fā)工作，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)的集成，預(yù)計(jì)將在2016年完成全部的示范任務(wù)。

現(xiàn)有產(chǎn)品均無法滿足需求

據(jù)了解，10兆瓦超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包括寬負(fù)荷壓縮機(jī)、高負(fù)荷透平膨脹機(jī)、緊湊式蓄冷(熱)/換熱器三大核心部件。

10兆瓦超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的透平膨脹機(jī)具有大流量、大功率、大膨脹比、高負(fù)荷等特點(diǎn)。而目前應(yīng)用于渦輪增壓器、小型燃?xì)廨啓C(jī)和微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的向心透平膨脹機(jī)，其流量小且功率也小;應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的軸流透平膨脹機(jī)，級膨脹比小、入口壓力低。因此，現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用透平膨脹機(jī)均無法滿足超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的特殊技術(shù)要求。

“高負(fù)荷透平膨脹機(jī)作為10兆瓦超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件之一，系統(tǒng)對其性能參數(shù)有特殊要求。目前市場上還沒有滿足此類系統(tǒng)要求的現(xiàn)成產(chǎn)品，需要儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，但由于特殊的技術(shù)要求，研發(fā)難度很大。”陳海生介紹說。

掌握核心設(shè)計(jì)技術(shù)

依托中國科學(xué)院工程熱物理研究所所長基金重點(diǎn)項(xiàng)目“10兆瓦級先進(jìn)壓縮空氣膨脹機(jī)的研究與實(shí)驗(yàn)”，儲(chǔ)能研發(fā)中心團(tuán)隊(duì)對10兆瓦級超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)釋能過程關(guān)鍵核心部件——超臨界空氣膨脹機(jī)開展了相關(guān)研究與試驗(yàn)工作。該項(xiàng)目總體目標(biāo)是全面掌握10兆瓦級超臨界空氣膨脹機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)方法與技術(shù)，并完成部件和系統(tǒng)的集成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

為解決上述一系列難題，團(tuán)隊(duì)于2012年底率先開展了高負(fù)荷透平膨脹機(jī)的整體研制工作。該膨脹機(jī)要求具有體積流量跨度大、膨脹比大等特點(diǎn)，同時(shí)科研人員根據(jù)速比和體積流量計(jì)算分析，該膨脹機(jī)需采用向心透平加軸流透平的組合式結(jié)構(gòu)型式。

“這對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和分析方法是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要在研制過程中對現(xiàn)有一維、準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)和全三維流場分析程序進(jìn)行進(jìn)一步的完善和發(fā)展。”陳海生進(jìn)一步介紹，“首先我們采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行正反問題氣動(dòng)設(shè)計(jì)分析，然后在完成氣動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度校核和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要及國內(nèi)現(xiàn)有加工水平進(jìn)行反復(fù)校核和優(yōu)化，最終完成了高效、緊湊、高負(fù)荷透平膨脹機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)，從而完全掌握了超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵部件的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，形成了一整套完善的適用于高負(fù)荷透平膨脹機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)體系。”

如今10兆瓦級超臨界空氣膨脹機(jī)機(jī)械變速與控制系統(tǒng)已圓滿完成了廠內(nèi)試車，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值吻合良好。

可實(shí)現(xiàn)效益倍增

超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的負(fù)荷平衡，提高可靠性與穩(wěn)定性，還可以大幅提高火電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率，增強(qiáng)電網(wǎng)的輸電能力，有效提高燃煤機(jī)組的總負(fù)荷系統(tǒng)及電網(wǎng)利用系統(tǒng)，也可作為工業(yè)節(jié)能、應(yīng)急電源的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

據(jù)陳海生介紹，超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用將為國家?guī)砭薮笊鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。利用超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可有效減小我國棄風(fēng)光率，提高我國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)可增加就業(yè)機(jī)會(huì)。

陳海生指出，以可再生能源發(fā)電為例，到2020年，風(fēng)電和太陽能并網(wǎng)裝機(jī)分別達(dá)到2億兆瓦和5000萬兆瓦，但我國棄風(fēng)光嚴(yán)重，如果利用該壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)會(huì)將棄風(fēng)光率減少至零，這將使我國每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7000萬噸，減少二氧化碳排放2.5億噸。

此外，超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的生產(chǎn)與應(yīng)用還將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以10兆瓦/80兆瓦時(shí)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例，產(chǎn)業(yè)化后的單位造價(jià)為1500元/千瓦時(shí)，發(fā)電銷售利潤總額可達(dá)3.32億元/年，投資回收期為6至7年。

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