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1、1南方电网科学研究院南方电网公司一级拔尖专业技术专家全国电力储能标准化技术委员会压缩空气储能工作组委员2022年9月喷射补燃压缩空气储能技术研发及实践郭祚刚知识产权声明本文件的知识产权属南方电网公司所有。对本文件的使用及处置应严格遵循南方电网公司有关规定或获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经南方电网公司事先书面同意,不得对外披露、复制。Intellectual Property Rights Statement This document is the property of and contains proprietary information owned by CSG and/or
2、its related proprietor.You agree to treat this document in strict accordance with the terms and conditions of the agreement under which it was provided to you.No disclosure or copy of this document is permitted without the prior written permission of CSG.3郭祚刚 博士 简介郭祚刚,博士,南方电网公司一级拔尖专业技术专家,南网科研院首批次“高潜
3、力人才特殊支持计划”青年拔尖人才。2012年由浙江大学博士毕业,长期从事新型压缩空气储能、配电网规划、综合能源技术等领域研究。作为负责人承担高效压缩空气储能系统优化技术研究等南方电网公司重点科技项目 8项,参与编制电力储能用压缩空气储能系统技术要求国家标准,编制行业标准 6项,南网企业标准多项。郭祚刚 全国电力储能标准化技术委员会压缩空气储能工作组,委员;中国化学与物理电源行业协会储能应用分会,专家委员;能源行业综合能源服务标准化技术委员会,委员;中电联能源互联网标准化技术委员会,委员;南方电网公司储能与可再生能源重大科研团队,核心成员;南方电网公司配电网技术标准工作组,委员;Email:联系
4、电话:4一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录5压缩空气储能强相关的国家政策文件p2019年6月25日,贯彻落实2019-2020年行动计划的通知(发改办能源2019725号)印发。在加强先进储能技术研发和智能制造升级方面:要加大储能项目研发实验验证力度(推进大容量压缩空气储能等重大先进技术项目建设,推动百兆瓦压缩空气储能项目实现验证示范),继续推动储能产业智能升级和储能装备的首台(套)应用推广。p2022年3月21日,“十四五”新型储能实施方案(发改能源2022209号)印发二、
5、强化技术攻关,构建新型储能创新体系加大关键技术装备研发力度:开展钠离子电池、新型锂离子电池、压缩空气、氢(氨)储能、热(冷)储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。三、积极试点示范,稳妥推进新型储能产业化进程开展不同技术路线分类试点示范。重点建设更大容量的液流电池、飞轮、压缩空气等储能技术试点示范项目。62022年6月修订版-南方区域两个细则p为满足新型电力系统的建设运行需要,将南方区域发电厂并网运行管理实施细则更名为南方区域电力并网运行管理实施细则,将南方区域并网发电厂辅助服务管理实施细则更名为南方区域电力辅助服务管理实施细则。p形成2个基础细则和新型储能、可调节负荷、风电、光伏发电4个
6、专项实施细则在内的“2+4”的规则体系,本次特地为新型储能设定了专项实施细则。p新增了电化学、压缩空气、飞轮储能等新型储能主体,给予了压缩空气储能辅助服务市场主体身份。p明确了独立储能电站的含义:不再受储能电站所在位置限制,只要是直接与调度机构签订并网调度协议满足直控调节的储能电站都认为是独立储能电站。新规则中将容量5兆瓦/1小时及以上、调度机构能够直接控制的独立储能电站纳入管理。p新型储能在调峰、调频、缓解阻塞、替代和延缓输配电投资、电压支撑与无功控制、故障紧急备用等方面可发挥重要作用。独立储能电站参照煤机深度调峰第二档的补偿标准,其他辅助服务如一次调频、AGC、无功调节等品种采用与常规机组
7、一致补偿标准。p总结:压缩空气储能站的市场主体地位已明确,补偿标准也初步明确,未来空间值得期待。7一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录8压缩空气储能系统原理p能量转换过程空气压缩机组电能压缩热能空气压力势能膨胀机组电能对外供冷对外供热天然气等外部热源l压缩储能过程两种设计模式(储能阶段):(1)尽可能高的排气温度:压缩过程1-2-3-4,压缩终点的排气温度高,能耗相对较高;(2)适宜的排气温度:压缩过程1-2-2-3-4,采用级间冷却,分段压缩,降低能耗;两种压缩工艺,能耗的差额为图中的黄色区域面积;
8、储能阶段结论:合理配置级间冷却工艺,能够降低压缩阶段能耗。压缩储能过程膨胀释能过程9压缩空气储能系统原理l膨胀释能过程两种设计模式(热力学过程分析):(1)较低的膨胀起始温度:膨胀过程5-6-7,膨胀的起始温度为T6;(2)较高的膨胀起始温度:膨胀过程5-6-7-8,膨胀的起始温度由T6提高至T7;两种膨胀工艺相差的发电量为图中的黄色区域面积;膨胀阶段结论:提升膨胀起始温度,能够显著提升单位质量空气发电能力。p能量转换过程空气压缩机组电能压缩热能空气压力势能膨胀机组电能对外供冷对外供热天然气等外部热源压缩储能过程膨胀释能过程10欧美补燃型压缩空气储能技术成熟欧美补燃型压缩空气储能技术原理图p
9、欧美补燃型技术:自1978年开始应用,已经十分成熟。p 优点:欧美高参数燃烧器定制化能力强,膨胀机起始膨胀温度高,电能输出能力强。p 不适合中国的国情之处:(1)排烟温度过高,降低了储能系统效率;(2)高参数燃烧器国产化能力不足,成为了“卡脖子”技术问题,欧美补燃型技术不适合我国的国情。11国内无补燃型压缩空气储能发展迅速国内无补燃型压缩空气储能技术原理图p 国内无补燃型技术:中科院工程热物理所在张家口建设100MW/400MWh 示范项目,清华大学与华能集团在江苏徐州建设60MW/300MWh示范项目。得到了大量经费资助,发展迅猛。p 优点:(1)充分考虑了储能阶段的压缩热利用,不需要消耗天
10、然气。(2)在天然气气源不足的场景也能够适用,在国内拥有广泛的应用场景。p 进一步提升空间:提升空气膨胀起始温度,进一步提升单位质量空气的储能密度及对外电能输出能力。12国内压缩空气储能发展状况的小结p 无补燃型压缩空气储能技术,取得了的较大成就:在大容量示范方面已经开展了卓有成效的研究工作,张家口100MW/400MWh 示范项目,徐州60MW/300MWh示范项目,湖北应城300MW示范项目均在有序推进。p 具备更高能量密度、适合国情的新型补燃压缩空气储能技术,仍然空白,亟需快速发展 受制于高参数燃烧器“卡脖子”技术制约,新型补燃压缩空气储能技术处于空白状态;具备更高能量密度的新型补燃压缩
11、空气储能技术研发及示范,需要加速推进。13喷射补燃压缩空气储能技术及系统(南方电网公司)p 喷射补燃压缩空气储能的几项技术特点:一是压缩热与天然气热同步利用:兼顾了储能阶段的压缩热利用与天然气补燃,进一步提高单位质量储存空气的电能输出能力;二是空气压力能梯级利用:从膨胀机的做功乏气,抽取空气供燃烧器燃烧,实现了空气压力能的梯级利用,进一步提高储能系统效率;三是余热余压回注膨胀机:用于加热膨胀机入口气流的高温烟气,全部回注膨胀机,实现天然气热量利用的闭环,进一步提高储能系统效率;储能系统效率高、单位装机容量造价低:提升了系统效率,降低了单位造价。14喷射补燃压缩空气储能与抽水蓄能对比喷射补燃压缩
12、空气储能与抽水蓄能的性能对比表喷射补燃压缩空气储能抽水蓄能技术电对电效率%65-7870-75电能放充比0.80-0.920.70-0.75单位投资成本(元/kWh)-2000单台功率MW-300储能介质气态、洞穴液态水,上下游水库储气压力MPa7-10/供能形式电能、高品质供热电能优点1、可同步供热;2、设备可全部国产化,实现完全自主;3、效率高;1、可输出功率高;2、效率高;缺点1、在天然气等燃料缺乏区域,不适合布置;1、水库选址困难,建设周期长;2、涉及移民问题;喷射补燃压缩空气储能系统经过天然气适度补燃后,膨胀机输出电量与压缩机消耗电量之比可
13、以达到 0.80至0.92,大幅提升高峰电价期间输出电量,提升储能系统经济性。15一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录16压缩空气储能系统建模理论建模压缩系统建模换热系统建模储热系统建模燃烧器建模膨胀系统建模喷射系统建模储能系统建模构架图p 压缩空气储能系统优化设计以及性能预测分析,均需要以仿真模型为基础。p 依据储能系统运行过程,将理论分析模型划分为:压缩系统模型、换热系统模型、储热系统模型、燃烧器模型、膨胀系统模型、喷射系统模型等。17压缩空气储能系统建模压缩系统模型:通过多台压缩机做功,制备高压
14、力的压缩空气,实现电能向空气压力势能的转变。相关的模型根据工程热力学等相关理论进行建立。压缩过程排气温度:压缩过程比焓差:压缩过程功率:换热系统模型:通过不同介质之间的热量交换,实现工质的降温与升温,满足相关工艺的换热要求。相关模型如下:换热过程热流模型:对数换热温差及换热面积模型:18一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录19南网科研院团队的压缩空气储能体系图谱三个纵向维度:(1)理论体系:完成技术理论及模型构建;含:补燃系统优化、喷射器结构设计、储能系统性能评估技术等。(2)集成设计软件:服务于工程
15、设计;含:储能效率整体优化、压缩机组、换热器以及膨胀机等关键参数优化。(3)性能预评估软件:服务于投资决策,基于连续运行模拟,来完成效率评估、完成压缩机及膨胀机等关键设备的运行状态评估。为电网公司精准投资压缩空气储能,提供决策依据。(3)已完成。(2)开发中(1)已成形。(3)已开发出无补燃压缩空气储能性能评估软件、喷射补燃压缩空气储能性能评估软件。20多样化的评估场景适用性:压缩机类型:支持往复式与离心式;储气模式:支持储罐与盐穴等;功率等级:支持灵活的自主化设置。无补燃压缩空气储能性能评估软件及功能模块储能运行评估模块压缩机组功率评估储能过程软件源代码储气空间状态评估储热罐热品质评估压缩机
16、排气温评估21评估场景适用性:膨胀机组:支持多台膨胀机配置;储气模式:支持储罐与盐穴等;效率评估:支持完整储能周期的效率评估。无补燃压缩空气储能性能评估软件及功能模块储能放电评估模块膨胀机组功率评估放电过程软件源代码储气空间状态评估储能系统效率评估储热消耗速率评估22多样化的评估场景适用性:压缩机类型:支持往复式与离心式;储气模式:支持储罐与盐穴等;压力运行区间:根据需要定制化;功率等级:支持灵活的自主化设置。喷射补燃压缩空气储能性能评估软件及功能模块压缩机组功率评估储能过程软件源代码储气空间状态评估储热罐热品质评估压缩机排气温评估23评估场景适用性:膨胀机组:支持多台膨胀机配置;天然气耗量:
17、支持天然气耗量评估;供热效益:支持供热品质及效益评估;效率评估:支持完整储能周期的效率评估。喷射补燃压缩空气储能性能评估软件及功能模块储能放电评估模块膨胀机组功率评估储气空间状态评估储能系统效率评估抽气补燃系统评估对外供热能力评估喷射补燃系统放电过程软件源代码24一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录25喷射补燃压缩空气储能测试平台建设南方电网公司重点科技项目:高效压缩空气储能系统优化技术研究项目研发目标:p 开发出压缩空气储能系统优化设计技术及代码工具。p 研发喷射补燃储能系统核心部件喷射器的结构设计
18、、运行性能仿真技术及代码工具。p 完成压缩空气储能实验台建设,取得实验平台实测数据。项目研究内容:p 任务1 压缩空气储能系统优化设计技术及代码开发研究p 任务2 喷射器设计仿真技术及压缩空气储能实验台的性能测试研究p 任务3“150MW/6h级喷射补燃压缩空气储能集成方案”研发及性能评估26喷射补燃压缩空气储能测试平台建设p 测试平台建设目标建设实验测试平台,检验喷射补燃压缩空气储能技术路线的有效性;取得实测数据,为喷射补燃压缩空气储能系统的容量放大提供基础。p 测试平台建设进度目前空气压缩机、膨胀机已经安装到位;喷射系统处于设计过程中,待完成加工进行安装;预计2023年完成安装、调试与测试
19、。27一、国家储能政策二、喷射补燃压缩空气储能系统三、压缩空气储能系统建模四、软件开发及功能模块五、储能测试实验平台六、总结与展望目 录28总结与展望p 压缩空气储能领域蓬勃发展,行业关注度持续提升,60MW、100MW以及300MW等容量等级示范工程均在实施。p 南方电网公司持续关注压缩空气储能发展,原创的喷射补燃压缩空气储能技术正在研发,实验平台建设工作正在同步推进。p 南网科研院在压缩空气储能领域的“理论研究”、“储能系统集成设计软件”以及“储能系统性能评估软件”三方面均取得了研究进展。p 展望:2023年完成压缩空气储能实验平台的建设与测试工作,同步完成150MW/6h 容量等级喷射补燃压缩空气储能系统集成设计方案及性能评估,更为全面的论证喷射补燃技术路线的可行性及投资经济性。29感感谢谢聆聆听听南南方方电电网网科科学学研研究究院院郭郭祚祚刚刚 g gu uo oz zg gc cs sg g.c cn n