CWPE2019:沈阳工业大学邢作霞:大容量固体蓄热清洁供热与电网储能调峰技术_东方风力发电网
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CWPE2019:沈阳工业大学邢作霞:大容量固体蓄热清洁供热与电网储能调峰技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-28   来源:东方风力发电网  浏览次数:78
核心提示:2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。沈阳工业大学新能源研究院执行院长邢作霞在会上为大家带来了题为《大容量固体蓄热清洁供热与电网储能调峰技术》的精彩演讲。
   2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。沈阳工业大学新能源研究院执行院长邢作霞在会上为大家带来了题为《大容量固体蓄热清洁供热与电网储能调峰技术》的精彩演讲。


 
  以下为演讲实录:
 
  大家下午好,非常感谢这次专委会给我的机会,我今天带来的题目是大容量储能的办法,这个技术和风机本身没有关联性,但是它又和我们的风电产业息息相关。
 
  主要是采用一种电制热储热的办法来解决一直困扰我们行业多年的新能源消纳问题。我从几个方面来陈述我的演讲。
 
  大家都知道从2010年开始,2012年是弃风消纳的最严峻的一年,那个时间大概达到平均水平17%的弃风率,我想风电行业都不陌生,那个阶段其实是我们的寒冬期,很多地方出现橙色甚至红色的发展区域,大概9个省市都在限制风能的发展,比较严重的我想东三省的这个区域我们是深有感触的,大概有5年期间都不能够很顺畅地得到发改委的新能源项目的核准和批复,大部分的地区都在西北、华北和东北这几个省市地区。我们一直呼吁什么样才能破解新能源弃风消纳的问题,最终我们把矛头聚焦在电网上,因为电网没有有效给我们能源消纳提供有效的途径。
 
  从这个背景来说,我们从2010年开始联合了辽宁省国网电力有限公司开展了一系列储能技术的研究,这个是当初一系列国家条文关于风电弃风消纳严峻问题。
 
  从技术的关联性来分析着手,弃风消纳的诱因是什么?什么导致了弃风消纳?大家从电力系统更容易得到问题的所在。我们从供暖角度来说,很多弃风的区域尤其在三北地区,80%以上弃风率都发生在供暖器,那么供暖器这个区间有很多的热电联产的技术,火电场。那么我们为了保证居民民生供暖问题一定会给热电厂以电负荷,在以热定电的运行规则之下,热电厂一定会抢占风电的上网电量。所以这样的环境,从五年来的数据破解之后发现供暖和弃风是密切相关的。
 
  解决它的途径就变成了你必须要有储能的这种技术配合电力来调峰。主要的核心技术就是在我们希望能够通过治理火电技术给我们风电让出发电空间,大致的问题就是集中在这里。从中国面临的现状来说,我们也对比了国外的情况,中国面临的问题是世界上的唯一难题吗?也不是,所以我们也比较了丹麦、德国和美国的一些弃风情况。研究其他最大的弃风量在中国,其次是丹麦,而丹麦对于调节弃风有非常有效的手段,就是电力市场,丹麦在弃风量比较大的时候,他们可以通过挪威水电的外送进行水电的调节,所以你看不到他大批量的弃风。从世界来说中国的弃风是非常严重的。对于丹麦技术来说,他们也采用了一些水蓄热的技术进行缓解,就是我上面图的电极锅炉(音) 。它用储水的方式能够在热电场进行一定容量的缓解储能的热输出的环节,可以把电力系统调节在10%或者15%的灵活性的调节能力范围内,障碍就是大容量做不到,储能密度达不到大容量的要求。
 
  针对这项技术我们开发了一款大容量电制热储热的技术,利用这种储热的技术把弃风消纳的电量进行储能,但是我们常规的电网里面是用电储电然后再放电,但是储热这项技术最后释放的能源是热能,而不是电能,而这项技术也成功实现了弃风消纳。
 
  下面介绍我们这项技术的技术路线。
 
  大家可以看到这张图,首先我们要选用一种用于储热的材料,在材料的遴选过程中有这么几种在行业中比较通用的。一种是液态离子水,水的形式比热容4.2,是最大的,但是水的情况在温度范围内很窄,我们应该知道水气化是100度,常规在供热的领域它最多能在80,90度,而你的回水温度在40-50,所以大概也就是30-50的区间;第二种液态熔盐,这是太阳能发电通常用的储热工质,搞太阳能发电行业的专家应该比较熟悉,熔盐也属于显热技术,但是熔盐有一个液态变固态,颗粒的这么一个过程,而且分为一个冷罐和热罐,在实际的供暖区域中它比较受限,因为这种不是很稳定,同时熔盐不能够做到电直接植入加热,不能做到超大容量,所以目前国内在熔盐直接供热的区域只能做到20兆瓦。
 
  通过这些技术的对比,我们要选用一种材料,这种遴选出来就是固态的氧化镁。这种镁材料存量的80%都在中国,而且中国的80%在辽宁。氧化镁的材料在温度变化范围内很宽,它的储能密度和传热系数都能达到比较好的理想状态。
 
  在这个材料制备的过程中,我们需要解决的两个问题:一个是如何大容量?因为我们知道调峰问题不是一点两点,不像储电,为什么储电储能这个领域不能实现大容量?一个是经济限制,另外一个是高电压,因为我们知道给系统配的话不能弄一个690不能直接挂在网上的。要解决甚至35千伏,66千伏直接电源直接进入的技术,你要直接进行电制热,产生的热量进行储热,这里面流场、热场、磁场、电场的设计,在温度场和热应力场也要防止很多的变化,因为有温度释热和放热的不均。在这项技术里面,我们突破了几个关键点的技术。首先为什么选择氧化镁,就是导电率很低,能够达到高温1500多度以上的熔化,同时导电性很差,其实它的导热性不是很理想,但是我们通过一些关键指标的改变和结构的设计可以把它整体进行优化。
 
  研究过程中针对热场、力场、磁场、电场和流场的几个变化我们开发了一系列的关键技术,选用特殊的结构设计体,来完成及时的传热、储热和释热的过程。在电磁场的融合和放电的策略方面我们选用了一些高合金加热丝的制备及时把热量进行存储并且不产生过热氧化。这些技术是我们进行了突破的几个点。
 
  比如我们设计加热元件表面负荷,把加热元件的表面负荷降低到最好保证长寿命;在温度场和速度场协同方面进行换热流道孔径的最佳匹配;同时在场强和分压成形方面进行加热丝的制备,这种加热丝其实是炼钢行业的产品,不是新材料、新技术,但是属于新的应用;结构设计里面我们设计热变形和磁应力最小,在加热孔隙上做了一些研究;最后在高功率和高密度是我们需要实现的整体设计目标。
 
  对于大容量所要求实现的高电压、大电流的植入问题,这个其实是很关键的点,在直接进行电源植入方面有一种技术是需要突破的,就是大电压穿墙套管研制,在套管的研制方面,普通的套管耐温性很窄,在普通套管里面只适用于常温温度,但是这种蓄热的套管内外温差很大,里面的温度可以达到500度以上,外界的温度是零下。所以大温度的套管这种温度的均匀性和绝缘材料匹配是技术难点。经过三年的测试和我们对新的套管研制的测试,我们改善了常规套管的绝缘性,采用的是云母(音)的材料改善这种结构,最终在套管技术上获得了突破。
 
  这个图和装置就是最后形成的装备,真正的结构是内部有一些蓄热体,红色的蓄热 体是直接把热量进行制热、储热形成的。热量通过相对负压的风循环,把热量经过弃水放热放出来,储能是采用了氧化镁的工质,真正的换热方式是弃水放热,最终出口的工质交换的这个热能的形式还是水或者是蒸汽或者是热风。整体的设备可以模块化,模块化带来的好处就是它可以小,也可以很大,所以后续我们采用这种拼接的模块可以把这个设备做到几百兆,所以变成了可以在电力系统配合新能源消纳的非常有有效的手段。
 
  这是我们出热的集中方式的设计,因为这种装置其实后续的发展结合了我们国家很多政策,比如煤改电,电力口里面的电能替代等等,可以把这种电变成热量的各种形式,适用于我们工商业的供暖,同时也适用于蒸汽和换风一些矿井送风等等应用热能的地方,所以它很灵活。
 
  下面来说一下大容量的电制热储热设备其实在我们电力市场辅助交易上很有用武之地。
 
  这是我们针对火电机组的灵活性改造进行了几种方案。大家换个视角,就是风电想不产生弃风,最主要的方向是给火电场找出路,因为火电场占用了你的发电量,就在未来20年以后,当新能源占主力的时候火电机组的供能是给你配比,为你调峰,而不是你要为他让路的一种情况。所以火电场在这种情况下,它一定要增加它的灵活性,因为热点场以热定电,比如40,50调峰深度的时候,它已经因为弃压缸的各种阻力情况不能够再往下调整,也就是热电节藕能力很差。我们在行基础上一种可以通过高低旁增加供热能力。但是这种对于弃冷机来说是受损的。没有人敢跟你保证我调到这个之下就没有问题。在这种情况下增加它的灵活性,我们可以用旁路储能来增加深调的机会和运行的热电解解耦的配比。
 
  这张图表示了我们在火电机组的旁路,热源和电源处直接在它的电网出 处做一个电热储热,把电量补充到热负荷供应商,这项技术在东北各个区域做了很好的验证,也施行了很多成功的案例。这种灵活性改造在市场上面是很有机遇的。下面这个片子从投资费用和优缺点等方面做了介绍。
 
  在调峰的各项技术里面,大家可以看到常用的在系统中电池储能、抽水蓄能和压缩空气储能是我们经常会碰到的调峰最常用的几种方式,但是大家知道电池储能的经济性是用不起的,投资很大;抽水蓄能是电网经常采用的手段,但是现在投资建设的时间很长;压缩空气储能依据地形和条件有很大的发展限制。在这四种技术里面,现在看固体储热很好地解决了这种大容量储能调峰的需求,而且我们不再把它变成电再转化到网上,很多地方用能的区域,用热的很多,可以直接实现电热的转化。
 
  在供热的各种技术比较来看,从直接供热的区域来看烧煤和电源热泵、水蓄热电锅炉都可以做比较。初期投入上面因为有储热的材料比较,所以储热的固体的蓄热材料要高,但是运行费用  是非常客观的。通过大规模的推广事实证明运行经济性和投资经济性都可以让我们的投资收益率IRR达到8%以上,所以这对于投资经济性来上还是可以采纳的。
 
  风电供暖在平价上有采纳的可能性,大家知道东北3.75毛上网电价,对于一个30万的风场你的供热面积可以核算一下经济性,30万的风场投资在20个亿左右,但是100万个居民的供暖设备投资才不到1个亿,所以如果有政府说我不能给你批条,不能给你核准,因为我没有负荷,消纳不了,现在的政府又很困惑,很多地方锅炉不让弄了,供暖是社会民生的大问题,那么我们可以选择的电源只有风电能给他最经济的电,让他实现电供暖,大家用这种方法配比风电实现风电真正的适时消纳,而且这个经济性是可以达到的,这种蓄热 装置并不在原始大的投资比例。
 
  现在电热不分家,在综合微能网里面电热是一个很必要的手段,我们做了很多方案,比如北方地区甚至冷热电联供,我们给酒店、公寓供热又供冷同时又供电,这种方案都是可行的。这种固体蓄热的方式可以把你的电很灵活地变成热。
 
  现在为止固蓄的应用已经非常普遍了,目前我们做到全国200兆瓦左右,大概有300多个点。2018年开发出系列的蓄热装置在辽宁进行了很多示范,通过AGC的网络调度达到很好的新能源消纳的平衡。最突出的业绩就是2018年辽宁省消纳完全实现,直接的弃风率达到1%,东北三省也获得很好的结果。当然这项技术从环保上很受推崇,因为它清洁,把供暖的这个行业完全彻底改变了煤又脏又差的环境。所以沈阳市环保局推了五年这种环保技术,而且应用得很好。这项技术在今年也非常荣幸拿到国家的科技进步二等奖,主要的原因是它真的是把新能源的消纳给大家彻底解决了。
 
  我想说它是配置风电很好的能源消纳的技术,也是大容量储能的很可行并且经济可行的方案,希望同行们去关注它,如果有需要的话它可以帮助我们更好地发展风电。
 
  (内容来自现场速记,未经本人审核)
 
 

 
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