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CWPE2019:沈陽工業大學邢作霞:大容量固體蓄熱清潔供熱與電網儲能調峰技術_東方風力發電網
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CWPE2019:沈陽工業大學邢作霞:大容量固體蓄熱清潔供熱與電網儲能調峰技術

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-28   來源:東方風力發電網  瀏覽次數:264
核心提示:2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。沈陽工業大學新能源研究院執行院長邢作霞在會上為大家帶來了題為《大容量固體蓄熱清潔供熱與電網儲能調峰技術》的精彩演講。
   2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。沈陽工業大學新能源研究院執行院長邢作霞在會上為大家帶來了題為《大容量固體蓄熱清潔供熱與電網儲能調峰技術》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  大家下午好,非常感謝這次專委會給我的機會,我今天帶來的題目是大容量儲能的辦法,這個技術和風機本身沒有關聯性,但是它又和我們的風電產業息息相關。
 
  主要是采用一種電制熱儲熱的辦法來解決一直困擾我們行業多年的新能源消納問題。我從幾個方面來陳述我的演講。
 
  大家都知道從2010年開始,2012年是棄風消納的最嚴峻的一年,那個時間大概達到平均水平17%的棄風率,我想風電行業都不陌生,那個階段其實是我們的寒冬期,很多地方出現橙色甚至紅色的發展區域,大概9個省市都在限制風能的發展,比較嚴重的我想東三省的這個區域我們是深有感觸的,大概有5年期間都不能夠很順暢地得到發改委的新能源項目的核準和批復,大部分的地區都在西北、華北和東北這幾個省市地區。我們一直呼吁什么樣才能破解新能源棄風消納的問題,最終我們把矛頭聚焦在電網上,因為電網沒有有效給我們能源消納提供有效的途徑。
 
  從這個背景來說,我們從2010年開始聯合了遼寧省國網電力有限公司開展了一系列儲能技術的研究,這個是當初一系列國家條文關于風電棄風消納嚴峻問題。
 
  從技術的關聯性來分析著手,棄風消納的誘因是什么?什么導致了棄風消納?大家從電力系統更容易得到問題的所在。我們從供暖角度來說,很多棄風的區域尤其在三北地區,80%以上棄風率都發生在供暖器,那么供暖器這個區間有很多的熱電聯產的技術,火電場。那么我們為了保證居民民生供暖問題一定會給熱電廠以電負荷,在以熱定電的運行規則之下,熱電廠一定會搶占風電的上網電量。所以這樣的環境,從五年來的數據破解之后發現供暖和棄風是密切相關的。
 
  解決它的途徑就變成了你必須要有儲能的這種技術配合電力來調峰。主要的核心技術就是在我們希望能夠通過治理火電技術給我們風電讓出發電空間,大致的問題就是集中在這里。從中國面臨的現狀來說,我們也對比了國外的情況,中國面臨的問題是世界上的唯一難題嗎?也不是,所以我們也比較了丹麥、德國和美國的一些棄風情況。研究其他最大的棄風量在中國,其次是丹麥,而丹麥對于調節棄風有非常有效的手段,就是電力市場,丹麥在棄風量比較大的時候,他們可以通過挪威水電的外送進行水電的調節,所以你看不到他大批量的棄風。從世界來說中國的棄風是非常嚴重的。對于丹麥技術來說,他們也采用了一些水蓄熱的技術進行緩解,就是我上面圖的電極鍋爐(音) 。它用儲水的方式能夠在熱電場進行一定容量的緩解儲能的熱輸出的環節,可以把電力系統調節在10%或者15%的靈活性的調節能力范圍內,障礙就是大容量做不到,儲能密度達不到大容量的要求。
 
  針對這項技術我們開發了一款大容量電制熱儲熱的技術,利用這種儲熱的技術把棄風消納的電量進行儲能,但是我們常規的電網里面是用電儲電然后再放電,但是儲熱這項技術最后釋放的能源是熱能,而不是電能,而這項技術也成功實現了棄風消納。
 
  下面介紹我們這項技術的技術路線。
 
  大家可以看到這張圖,首先我們要選用一種用于儲熱的材料,在材料的遴選過程中有這么幾種在行業中比較通用的。一種是液態離子水,水的形式比熱容4.2,是最大的,但是水的情況在溫度范圍內很窄,我們應該知道水氣化是100度,常規在供熱的領域它最多能在80,90度,而你的回水溫度在40-50,所以大概也就是30-50的區間;第二種液態熔鹽,這是太陽能發電通常用的儲熱工質,搞太陽能發電行業的專家應該比較熟悉,熔鹽也屬于顯熱技術,但是熔鹽有一個液態變固態,顆粒的這么一個過程,而且分為一個冷罐和熱罐,在實際的供暖區域中它比較受限,因為這種不是很穩定,同時熔鹽不能夠做到電直接植入加熱,不能做到超大容量,所以目前國內在熔鹽直接供熱的區域只能做到20兆瓦。
 
  通過這些技術的對比,我們要選用一種材料,這種遴選出來就是固態的氧化鎂。這種鎂材料存量的80%都在中國,而且中國的80%在遼寧。氧化鎂的材料在溫度變化范圍內很寬,它的儲能密度和傳熱系數都能達到比較好的理想狀態。
 
  在這個材料制備的過程中,我們需要解決的兩個問題:一個是如何大容量?因為我們知道調峰問題不是一點兩點,不像儲電,為什么儲電儲能這個領域不能實現大容量?一個是經濟限制,另外一個是高電壓,因為我們知道給系統配的話不能弄一個690不能直接掛在網上的。要解決甚至35千伏,66千伏直接電源直接進入的技術,你要直接進行電制熱,產生的熱量進行儲熱,這里面流場、熱場、磁場、電場的設計,在溫度場和熱應力場也要防止很多的變化,因為有溫度釋熱和放熱的不均。在這項技術里面,我們突破了幾個關鍵點的技術。首先為什么選擇氧化鎂,就是導電率很低,能夠達到高溫1500多度以上的熔化,同時導電性很差,其實它的導熱性不是很理想,但是我們通過一些關鍵指標的改變和結構的設計可以把它整體進行優化。
 
  研究過程中針對熱場、力場、磁場、電場和流場的幾個變化我們開發了一系列的關鍵技術,選用特殊的結構設計體,來完成及時的傳熱、儲熱和釋熱的過程。在電磁場的融合和放電的策略方面我們選用了一些高合金加熱絲的制備及時把熱量進行存儲并且不產生過熱氧化。這些技術是我們進行了突破的幾個點。
 
  比如我們設計加熱元件表面負荷,把加熱元件的表面負荷降低到最好保證長壽命;在溫度場和速度場協同方面進行換熱流道孔徑的最佳匹配;同時在場強和分壓成形方面進行加熱絲的制備,這種加熱絲其實是煉鋼行業的產品,不是新材料、新技術,但是屬于新的應用;結構設計里面我們設計熱變形和磁應力最小,在加熱孔隙上做了一些研究;最后在高功率和高密度是我們需要實現的整體設計目標。
 
  對于大容量所要求實現的高電壓、大電流的植入問題,這個其實是很關鍵的點,在直接進行電源植入方面有一種技術是需要突破的,就是大電壓穿墻套管研制,在套管的研制方面,普通的套管耐溫性很窄,在普通套管里面只適用于常溫溫度,但是這種蓄熱的套管內外溫差很大,里面的溫度可以達到500度以上,外界的溫度是零下。所以大溫度的套管這種溫度的均勻性和絕緣材料匹配是技術難點。經過三年的測試和我們對新的套管研制的測試,我們改善了常規套管的絕緣性,采用的是云母(音)的材料改善這種結構,最終在套管技術上獲得了突破。
 
  這個圖和裝置就是最后形成的裝備,真正的結構是內部有一些蓄熱體,紅色的蓄熱 體是直接把熱量進行制熱、儲熱形成的。熱量通過相對負壓的風循環,把熱量經過棄水放熱放出來,儲能是采用了氧化鎂的工質,真正的換熱方式是棄水放熱,最終出口的工質交換的這個熱能的形式還是水或者是蒸汽或者是熱風。整體的設備可以模塊化,模塊化帶來的好處就是它可以小,也可以很大,所以后續我們采用這種拼接的模塊可以把這個設備做到幾百兆,所以變成了可以在電力系統配合新能源消納的非常有有效的手段。
 
  這是我們出熱的集中方式的設計,因為這種裝置其實后續的發展結合了我們國家很多政策,比如煤改電,電力口里面的電能替代等等,可以把這種電變成熱量的各種形式,適用于我們工商業的供暖,同時也適用于蒸汽和換風一些礦井送風等等應用熱能的地方,所以它很靈活。
 
  下面來說一下大容量的電制熱儲熱設備其實在我們電力市場輔助交易上很有用武之地。
 
  這是我們針對火電機組的靈活性改造進行了幾種方案。大家換個視角,就是風電想不產生棄風,最主要的方向是給火電場找出路,因為火電場占用了你的發電量,就在未來20年以后,當新能源占主力的時候火電機組的供能是給你配比,為你調峰,而不是你要為他讓路的一種情況。所以火電場在這種情況下,它一定要增加它的靈活性,因為熱點場以熱定電,比如40,50調峰深度的時候,它已經因為棄壓缸的各種阻力情況不能夠再往下調整,也就是熱電節藕能力很差。我們在行基礎上一種可以通過高低旁增加供熱能力。但是這種對于棄冷機來說是受損的。沒有人敢跟你保證我調到這個之下就沒有問題。在這種情況下增加它的靈活性,我們可以用旁路儲能來增加深調的機會和運行的熱電解解耦的配比。
 
  這張圖表示了我們在火電機組的旁路,熱源和電源處直接在它的電網出 處做一個電熱儲熱,把電量補充到熱負荷供應商,這項技術在東北各個區域做了很好的驗證,也施行了很多成功的案例。這種靈活性改造在市場上面是很有機遇的。下面這個片子從投資費用和優缺點等方面做了介紹。
 
  在調峰的各項技術里面,大家可以看到常用的在系統中電池儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能是我們經常會碰到的調峰最常用的幾種方式,但是大家知道電池儲能的經濟性是用不起的,投資很大;抽水蓄能是電網經常采用的手段,但是現在投資建設的時間很長;壓縮空氣儲能依據地形和條件有很大的發展限制。在這四種技術里面,現在看固體儲熱很好地解決了這種大容量儲能調峰的需求,而且我們不再把它變成電再轉化到網上,很多地方用能的區域,用熱的很多,可以直接實現電熱的轉化。
 
  在供熱的各種技術比較來看,從直接供熱的區域來看燒煤和電源熱泵、水蓄熱電鍋爐都可以做比較。初期投入上面因為有儲熱的材料比較,所以儲熱的固體的蓄熱材料要高,但是運行費用  是非常客觀的。通過大規模的推廣事實證明運行經濟性和投資經濟性都可以讓我們的投資收益率IRR達到8%以上,所以這對于投資經濟性來上還是可以采納的。
 
  風電供暖在平價上有采納的可能性,大家知道東北3.75毛上網電價,對于一個30萬的風場你的供熱面積可以核算一下經濟性,30萬的風場投資在20個億左右,但是100萬個居民的供暖設備投資才不到1個億,所以如果有政府說我不能給你批條,不能給你核準,因為我沒有負荷,消納不了,現在的政府又很困惑,很多地方鍋爐不讓弄了,供暖是社會民生的大問題,那么我們可以選擇的電源只有風電能給他最經濟的電,讓他實現電供暖,大家用這種方法配比風電實現風電真正的適時消納,而且這個經濟性是可以達到的,這種蓄熱 裝置并不在原始大的投資比例。
 
  現在電熱不分家,在綜合微能網里面電熱是一個很必要的手段,我們做了很多方案,比如北方地區甚至冷熱電聯供,我們給酒店、公寓供熱又供冷同時又供電,這種方案都是可行的。這種固體蓄熱的方式可以把你的電很靈活地變成熱。
 
  現在為止固蓄的應用已經非常普遍了,目前我們做到全國200兆瓦左右,大概有300多個點。2018年開發出系列的蓄熱裝置在遼寧進行了很多示范,通過AGC的網絡調度達到很好的新能源消納的平衡。最突出的業績就是2018年遼寧省消納完全實現,直接的棄風率達到1%,東北三省也獲得很好的結果。當然這項技術從環保上很受推崇,因為它清潔,把供暖的這個行業完全徹底改變了煤又臟又差的環境。所以沈陽市環保局推了五年這種環保技術,而且應用得很好。這項技術在今年也非常榮幸拿到國家的科技進步二等獎,主要的原因是它真的是把新能源的消納給大家徹底解決了。
 
  我想說它是配置風電很好的能源消納的技術,也是大容量儲能的很可行并且經濟可行的方案,希望同行們去關注它,如果有需要的話它可以幫助我們更好地發展風電。
 
  (內容來自現場速記,未經本人審核)
 
 

 
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