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所长基金重点项目“10MW级先进空气膨胀机的研究与实验”简介(上)
发稿时间:2013-03-13         作者:李文          来源:储能研发中心     【字号:

  电力储能系统通过一定的介质存储低谷(低价)电能,在用电高峰释放发电,具有独特的分时储/释能特点,能够实现“削峰填谷”和平衡电力负荷的作用,提高了电力系统的效率、安全性和经济性,因而成为当前研究的热点。传统的电力系统供应链具有燃料供应、电力生产、输运、分配、消耗五个环节,如果将储能系统引入该过程,形成第六个环节,则可以缓解电网调峰和可再生能源发电量不稳定的问题。无论在电力的生产侧、输运侧还是消耗侧,都可以根据需要来分时储/释能,改善电能品质,维持电力系统稳定,克服可再生能源的间歇性特点,利用储能技术把风能、太阳能等能源“拼接”起来,形成稳定的电力供应,向用户按需、持续供电;此外,储能单元也可以形成可调度的机组,根据电价的谷/峰值来储/释能,提高电力的经济效益。 

  目前已有的电力储能技术包括抽水电站、压缩空气、蓄电池、液流电池、超导磁能、飞轮和电容/超级电容等。考虑容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等因素,迄今已在大型(100MW以上)商业系统中运行的储能系统只有抽水电站和压缩空气两种。抽水电站具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点,目前应用较广泛,但存在选址困难、建设周期长、初期投资大及生态、移民等问题,其发展受到越来越大的限制。传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种能够实现大容量、长时间电能存储的电力储能系统,它利用压缩空气储存电能,需要时释放高压空气,通过膨胀机做功发电,是目前储能技术的研发热点。压缩空气储能系统具有储能容量较大、周期长、效率高和单位投资相对较小等优点,但传统的压缩空气储能系统必须依赖化石燃料提供热源,且燃烧产物(氮化物、硫化物和二氧化碳等)不符合绿色、可再生的能源发展要求,不适合国家的能源战略;最重要的是,由于储能密度低,传统压缩空气储能系统需要特定的地理条件建造大型储气室,如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等,从而大大限制了其应用范围。 

  为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题,研究所储能研发中心提出一种新型空气储能系统——超临界空气储能系统。它利用超临界条件下空气的特殊性质,综合了压缩空气、液态空气、蓄热蓄冷技术的优点,有能量密度高、不需要大型储存装置、储能效率高、周期不受限制、适用于各类型电站(特别适合太阳能和风能)、对环境友好、可回收工业废热等优点。超临界空气储能系统对可再生能源系统的发展有较大促进作用,在当前国家大力发展可再生能源的形势下,具有明确的工程背景和重大的应用价值。根据国家能源发展“十二五”规划“着力推进能源体制机制创新和科技创新,着力加快能源生产和利用方式变革,构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系,保障经济社会可持续发展”的指导思想,必须尽快完成科技成果转化,实现超临界空气储能系统集成及示范。 

  大规模先进空气储能技术是研究所的五个重点培育方向之一,为研究所创新2020方案中的重要任务和内容,并可对分布式与可再生能源技术的研发提供支撑。创新2020期间,研究所将重点研发新型大规模空气储能技术及其蓄热/冷技术,突破大规模空气储能/蓄热系统关键技术,完成10MW级大规模空气储能/蓄热系统的工程示范。根据超临界空气储能技术发展路线图,储能研发中心已建成15kW级超临界储能系统实验台,并已进行1000余小时的系统集成实验,同时开展了多项蓄冷/蓄热、高压压缩机、膨胀机的基础性能实验研究。在研究所廊坊实验基地搭建了1.5MW级先进空气储能系统实验台,开始进行各项部件性能实验,积累了丰富的经验,为下一步更大功率级别的空气储能系统实验台工程应用打下坚实基础。 

  所长基金重点项目“10MW级先进空气膨胀机的研究与实验”是以超临界空气储能系统为依托,开展该储能系统的释能过程关键部件——先进空气膨胀机的研究与实验工作,对10MW级大规模空气储能系统的研发和示范起到决定性作用,必须提前部署相关研发和实验工作,实现关键技术的自主突破。项目总体目标是掌握10MW级先进空气膨胀机总体及核心部件的设计技术,完成相关设备的加工和选型,完成10MW级先进空气膨胀机集成实验平台建设并进行试运行;开展部件和系统集成验证实验。研究的主要内容包括:先进空气膨胀机的总体设计与优化分析;膨胀机各部件的设计、选型及数值模拟,包括各级涡轮、级间换热器、变速箱、发电机等,并完成工程图纸;部件加工与实验,建设10MW级先进空气膨胀机的实验平台,并完成部件和集成验证实验。 

  本项目重点解决的科学问题包括:高入口压力、高膨胀比的涡轮设计,它对现有总体热力学及叶片的气动/结构设计、分析和优化程序是一个挑战;超常规状态工质在涡轮、换热器等部件内部的流动、传热和损失机理研究;小尺寸、高压力参数的涡轮性能和流场细节的测量等;重点解决的关键技术包括:涡轮部件的密封;与减速器耦合的多轴转子系统稳定性设计和运行问题;小尺寸涡轮、高压力换热器、多轴减速器等部件的加工精度和难度问题;高压、高转速部件的系统集成、参数测量和安全防护问题等。 

  本项目预期到2015年,完成10MW级大规模空气储能系统中先进空气膨胀机的设计与实验验证,为10MW级大规模空气储能系统储备最关键的技术,稳步推进先进超临界储能技术的发展,对电网能源效率提升和以风电、太阳能光伏发电等可再生能源高效利用和并网发电提供支撑,从而为国家的能源效率与安全、节能减排等重大发展战略做出贡献。 

 
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