作為中國(guó)華能集團(tuán)有限公司的直屬科研單位，西安熱工研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱“西安熱工院”)“十四五”以來(lái)持續(xù)推進(jìn)科技攻關(guān)，一批示范項(xiàng)目陸續(xù)落地。其中，燃煤摻氨燃燒可助力火電機(jī)組降低排放，同時(shí)有望促進(jìn)綠電消納和提升綠氨需求;超級(jí)電容彌補(bǔ)火電機(jī)組調(diào)頻能力不足，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性并提高電廠收益;熔鹽儲(chǔ)能、熱化學(xué)儲(chǔ)能、光熱儲(chǔ)能等一系列熱能儲(chǔ)能技術(shù)“變電為熱”，豐富了儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景。
華能西安熱工院4MW燃燒試驗(yàn)臺(tái)
摻氨燃燒助力火電降碳
“氨原本是作為火電廠脫硝還原劑，但其本身也是一種零碳燃料，替代煤炭燃燒能夠顯著降低火電機(jī)組碳排放強(qiáng)度。”西安熱工院鍋爐設(shè)備及環(huán)保事業(yè)部新技術(shù)所所長(zhǎng)王志超表示，燃煤摻氨燃燒雖有減碳優(yōu)勢(shì)，但仍有不少問(wèn)題待解。首先，氨氣燃燒與煤粉固相燃燒特性差異大，穩(wěn)燃研究仍需持續(xù)強(qiáng)化，燃燒效率有待提高;其次，氨燃料氮含量較高，如何有效控制氮氧化物生成是關(guān)鍵;再次，大規(guī)模使用氨帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。
在西安熱工院，約四層樓高的4兆瓦燃燒試驗(yàn)臺(tái)管線縱橫交錯(cuò)，控制中心屏幕匯總傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)。王志超表示：“通過(guò)這座國(guó)內(nèi)先進(jìn)的中試試驗(yàn)平臺(tái)，我們驗(yàn)證了對(duì)現(xiàn)有燃燒器的改造效果，可以實(shí)現(xiàn)從純煤到純氨的切換。穩(wěn)燃方面，我們?cè)诟鱾€(gè)比例下都做到了燃燒自維持，同時(shí)具備一定調(diào)節(jié)能力。摻氨比例40%以內(nèi)，氮氧化物生成濃度可以做到與純煤燃燒持平，燃燒效率也基本相當(dāng)。”
“目前，華能集團(tuán)正積極推進(jìn)燃煤機(jī)組摻氨減碳的工程示范。在規(guī)劃的幾個(gè)大能源基地建設(shè)中考慮引入氫/氨實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，通過(guò)火電廠協(xié)同消納一定比例新能源富余電力。”王志超表示，新能源電價(jià)低廉地區(qū)的綠氨制備和利用未來(lái)將具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，隨著碳價(jià)升高以及煤電機(jī)組減碳?jí)毫Φ脑黾?，未?lái)燃煤機(jī)組摻氨減碳的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)有望進(jìn)一步凸顯。
華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司超級(jí)電容混合儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)
超級(jí)電容提升調(diào)頻收益
在減排同時(shí)，火電機(jī)組的調(diào)頻任務(wù)也越來(lái)越重。西安熱工研究院電氣技術(shù)部主任兀鵬越表示，近年來(lái)，各方均鼓勵(lì)發(fā)電側(cè)參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，但火電機(jī)組響應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)、功率爬坡速度慢、穩(wěn)態(tài)精度低，調(diào)頻性能差，機(jī)組直接參與調(diào)頻任務(wù)還會(huì)造成發(fā)電成本增加、設(shè)備磨損等問(wèn)題。
利用儲(chǔ)能可讓火電機(jī)組調(diào)頻實(shí)現(xiàn)快速折返、精確輸出和瞬間調(diào)節(jié)，但鋰電池用作火儲(chǔ)調(diào)頻卻存在“痛點(diǎn)”，調(diào)頻的密集指令會(huì)對(duì)電池電芯造成巨大損耗，整個(gè)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)需要多次更換電芯，而短時(shí)間內(nèi)頻繁充放電也可能導(dǎo)致儲(chǔ)能設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)增大。
“超級(jí)電容儲(chǔ)能作為長(zhǎng)壽命、高安全性的短時(shí)高頻儲(chǔ)能技術(shù)，具備功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、循環(huán)效率高等一系列優(yōu)勢(shì)，適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻。”兀鵬越表示，近年來(lái)，西安熱工院積極開(kāi)展超級(jí)電容儲(chǔ)能調(diào)頻技術(shù)研究與應(yīng)用，攻克了大容量超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)選型、集成與工程應(yīng)用的難題，將長(zhǎng)壽命、高安全性的超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)首次成功應(yīng)用在火電調(diào)頻領(lǐng)域，為電力系統(tǒng)調(diào)頻開(kāi)辟出新的技術(shù)路徑，填補(bǔ)了我國(guó)超級(jí)電容儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)空白。
2023年4月，西安熱工院在華能羅源電廠建成世界容量最大的超級(jí)電容調(diào)頻項(xiàng)目，首次將長(zhǎng)壽命、高安全性的超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在火電調(diào)頻領(lǐng)域，有效解決了以往火儲(chǔ)調(diào)頻技術(shù)中鋰電池儲(chǔ)能壽命短、安全性差的難題，顯著提升機(jī)組整體調(diào)頻性能。今年，華能陽(yáng)邏電廠、華能左權(quán)電廠超級(jí)電容調(diào)頻項(xiàng)目建成投產(chǎn)，華能伊敏煤電、華能銅川電廠等多個(gè)項(xiàng)目建設(shè)持續(xù)推進(jìn)。同時(shí)，西安熱工院還在開(kāi)展超級(jí)電容電極材料國(guó)產(chǎn)化研制，未來(lái)有望進(jìn)一步降低超級(jí)電容成本，促進(jìn)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用。
中國(guó)華能火電廠高溫蒸汽熔鹽儲(chǔ)熱科技示范工程
探索多種新型儲(chǔ)能技術(shù)
除電儲(chǔ)能外，西安熱工院還開(kāi)展了多項(xiàng)熱能儲(chǔ)能研究。西安熱工院儲(chǔ)能所所長(zhǎng)韓偉表示：“常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能重點(diǎn)在于電，而熱能儲(chǔ)能則注重電和熱的關(guān)聯(lián)。熱能儲(chǔ)能市場(chǎng)前景廣闊，通過(guò)消納新能源電力，將其轉(zhuǎn)化為熱能輸出，相比傳統(tǒng)儲(chǔ)能，應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富。”
據(jù)韓偉介紹，成本低廉是熱化學(xué)儲(chǔ)能的重要優(yōu)勢(shì)。“目前，常規(guī)電化學(xué)儲(chǔ)能每千瓦時(shí)投資為700元至1000元，這已經(jīng)是非常低廉的價(jià)格了。但是對(duì)熱化學(xué)儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，雖然我們的項(xiàng)目還處于中試階段，沒(méi)有大規(guī)模推廣，但其千瓦時(shí)投資已經(jīng)可以做到350元以下，相當(dāng)于常規(guī)儲(chǔ)能的一半。此外，不同于電力存在峰谷價(jià)差，蒸汽等熱能需求相對(duì)固定，價(jià)格更平穩(wěn)。”
此外，西安熱工院的熔鹽儲(chǔ)能、光熱儲(chǔ)能、水體儲(chǔ)熱等其他新型儲(chǔ)能技術(shù)研究也同步推進(jìn)。其中，熔鹽儲(chǔ)能以無(wú)機(jī)鹽作為介質(zhì)，通過(guò)鹽的溫升儲(chǔ)存熱能，具有能量密度高、儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)?；杀镜偷戎T多優(yōu)勢(shì)。
2022年，西安熱工院承包設(shè)計(jì)了江蘇國(guó)信靖江電廠儲(chǔ)能項(xiàng)目，將熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)和火電結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻和工業(yè)蒸汽供應(yīng)3種功能。韓偉表示：“我們也建設(shè)了一套兆瓦級(jí)熔鹽儲(chǔ)能測(cè)試平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)了相變?nèi)埯}模塊，熔鹽最低使用溫度從之前的260攝氏度降至現(xiàn)在的100多攝氏度，提升了儲(chǔ)能密度，并更好匹配蒸汽的換熱曲線。”
文丨中國(guó)能源報(bào) 記者 楊沐巖
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