深冷液化空气储能技术

深冷液化空气储能技术及智研院相关工作一、储能需求及深冷液化空气储能技术2二、智研院相关工作三、小结3冀北电网储能需求分析冀北电网新能源分布情况冀北电网内新能源发电呈高速发展趋势。按照河北省可再生能源发展规划，2020年，新能源消费量将占终端能源消费总量的30%；2030年，将达到50%。调峰约束是影响冀北风电消纳的重要因素。风电呈现明显的反调峰特性，约30%的风电弃风是由于调峰约束所致。冀北电网风电反调峰日曲线图大规模能量型储能技术是提升电网调峰能力，缓解冀北电网弃风限电的重要手段。4多种储能技术性能对比分析储能方式储能密度Wh/L效率%规模MW寿命年安全性建设投资元/kWh抽水蓄能0.5-1.570%-85%100-100040-60高200-1000压缩空气1.8~660-120(液化)40%~70%1-30020-40高300-2000铅蓄电池30-10070%~75%13—5较好1000-2000锂离子电池100-20080%~86%0.5-208—10较好2000-5000液流电池20-7070%~80%0.5-108—10较好5000-8000钠硫电池150-30075%~85%0.5-308—10一般1500-3000抽水蓄能和压缩空气储能是满足大规模调峰的能量型储能技术。抽水蓄能受限于地理条件和水资源的约束；压缩空气储能技术正向高效、低成本、无地理条件限制的方向发展。5传统燃料补燃提升透平机入口空气温度和压力，提升系统效率•德国Huntorf电站，290MW×2h•美国McIntosh电站，110M×26h先进绝热储热技术回收压缩余热取代补燃，保证系统效率•在建德国Adele电站，90MW×4h•中国芜湖500KW×1h小型样机深冷液化将空气液化并储存，同时回收压缩余热和膨胀余冷，提升系统效率•英国Slough电站，350KW×7h•在建Manchester电站5MW×3h•中国廊坊1.5MW×1h试验样机压缩空气技术路线比较6传统先进绝热深冷液化功率MW100~8001~80010~300能量密度Wh/L1.8~5.13~660~120设计效率%40~5450~7050~70存储方式洞穴小规模高压储罐大规模洞穴低压储罐式存储压力MPa7~103~300.5~1（液态空气）安全性差差好占地m2/MW1200~5200600~1300140~300地理条件限制有有无成本RMB/kW4000~600012000~180004200~910012000(10MW)4200~8000(50MW)深冷液化空气储能技术，空气以低压、低温、液态存储，能量密度高；低压罐体，安全性好，且不受地理位置限制；预期效率50%~70%，具有很好的应用前景。深冷液化空气储能技术优势压缩净化深冷存储系统储热系统制冷液态空气存储汽化膨胀电能输出电能输入空气入口空气出口充电过程存储过程放电过程深冷液化空气储能技术-技术原理空气液化子系统储热储冷子系统膨胀发电子系统深冷液化空气储能技术—示范工程英国伦敦深冷储能示范工程•建于2010年，容量350kW×7h，验证了技术可行性。英国曼彻斯特深冷储能示范工程•计划2016年投运，容量5MW×3h，设计效率55%。英国伦敦深冷储能示范工程实景图一、储能需求及深冷液化空气储能技术三、小结9二、智研院相关工作10空气净化电网接入压缩机常温空气低温气体制冷机膨胀机空气分离液化空气进入储罐余冷进入深冷储罐储罐深冷泵汽化深冷发电系统的余冷深冷储罐液化空气储罐热源输入（常温空气或者低品位废热）深冷空气换热器透平机电能返回电网发电机完成子系统设计•空气液化子系统•储热储冷子系统•膨胀发电子系统提出12.5MW×8h的深冷液化空气储能系统技术方案完成设备选型•绝热压缩机•换热/冷、储热/冷、汽化器•级间加热的膨胀机深冷液化空气储能系统--技术方案设计11•完成系统仿真计算和主参数的设计，验证了流程设计的准确性；•考虑了关键设备的耗能、换热器效能、管道压力损失等，完成系统的效率分析计算；•依据国内设备厂家所提供数据，可实现效率为54.5%，冷热综合利用效率可达60%以上。深冷液化空气储能系统—系统计算GG主压缩机空气净化循环压缩机液化组件低温泵液态空气储罐深冷储罐气化器膨胀透平再热器级间加热储热罐压力温度状态1bar15℃气态输出功率12.5MW输入功率12.4MW压力温度状态1.2bar29℃气态输入功率7.7MW深冷液化空气储能系统—关键设备开发目前正在开展与GE、西门子等国外厂家的联合设计功能•压缩机：利用绝热式压缩过程，将入口的常温空气压缩到高温高压的状态•膨胀机：利用级间加热的膨胀过程，将高压空气膨胀降压，并对外输出机械能选型和设计优选了离心式、轴流式、以及离心和轴流复合式等几种主要方案，正在开展深入设计。主要参数：压缩机功率：7.7MW和12.4MW（输入）膨胀机功率：12.5MW（输出）换热器•功能：用于高压空气的冷却和膨胀前端的加热•选型：管壳式的换热器，可实现高压气体的换热过程智研院基于前期的储热等研究工作，初步完成换热器及深冷储罐的计算分析，正在开展与企业的联合设计工作深冷储罐功能：储存气化器出口的冷能，并用于制冷过程，降低液化功耗结构设计：采用球状的储冷载体，搭建基于储冷载体的固定床式储冷换热装置主要参数：最低存储温度达-150℃深冷液化空气储能系统—关键设备开发14设备布置压缩机、膨胀发电机组、储热蓄冷罐体、液化空气储罐、换热器、风机泵阀和控制保护小室占地面积约：2000平方米设备造价：按照国内外设备造价不同，系统主体造价2~2.5亿张北示范工程深冷液化空气储能装置布置深冷液化空气储能系统—占地和造价15深冷液化空气储能系统—经济性效益分析按照每天12.5MW机组发电8小时计，电费取风电电价0.54元/kWh每年可以产生1892万元电费收入深冷液化空气储能的作用主要体现在提升电力系统调峰能力与消纳弃风电。弃风电消纳的节电效益降低电力系统峰谷差，提高电力系统经济性增加电力系统调峰能力，产生显著节煤效益经济效益效益分析16系统维护说明液化空气储能每天夜间谷电时间储电，转化为液态空气，白天峰电时间放电，采用自动控制，安全可靠，运行维护量小。运行人员可以由风光储输示范基地运行人员兼职。运维人员只需对压缩机、膨胀机等设备进行日常巡视检查。每3-5年进行系统大修，大修时间10-15天左右。主要设备随系统大修进行检验检测消防设计说明本装置火灾类别大部分为丁、戊类，涉及的主要物料有空气、液空等，主要生产介质为空气，不燃不爆，火险等级较低。深冷液化空气储能系统—维护与消防设计一、储能需求及深冷液化空气储能技术三、小结17二、智研院相关工作•大规模能量型深冷液化空气储能技术，可用于提升张北示范区内电网的调峰能力，对于规模化接纳新能源电力、缓解弃风限电具有重要意义。•智研院目前已经掌握深冷液化空气储能系统的设计技术、冷热高效利用技术，正在和相关厂家联合开发关键设备。小结