電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的應(yīng)用及與其它儲(chǔ)能方式的比較

王鑫明, 尋志偉, 楊沛豪

1.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力有限公司 石家莊 0500512.陜西省國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司 陜西榆林 719319 3.西安熱工研究院有限公司 西安 710000

1 研究背景

東北、華北和西北地區(qū)在冬季供暖期主要依靠火電廠供熱,霧霾較為嚴(yán)重,同時(shí)隨著火電廠供熱區(qū)域的延伸,火電機(jī)組調(diào)峰能力明顯不足,導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰能力下降。為了解決以上地區(qū)的霧霾問題,以及加快新能源消納能力,提高火電機(jī)組投切靈活性成為現(xiàn)階段的重要任務(wù)。對(duì)此,國(guó)家能源局于2016年6月正式啟動(dòng)火電機(jī)組靈活性改造示范試點(diǎn)項(xiàng)目,促進(jìn)新能源快速發(fā)展。由此,對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造在國(guó)內(nèi)電力行業(yè)迅速展開。

文獻(xiàn)[1]介紹了我國(guó)火電廠靈活性改造所蘊(yùn)藏的巨大潛力,從調(diào)峰運(yùn)行控制方法和儲(chǔ)熱改造兩個(gè)方面分析了火電廠靈活性改造的技術(shù)方案和先進(jìn)理念。當(dāng)前,風(fēng)電、光電等新能源發(fā)電量逐年遞增,導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化,對(duì)火電機(jī)組投切靈活性的改造要求在不斷提高。文獻(xiàn)[2]通過研究火電機(jī)組臨界特性,考慮逐漸嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度要求,提出一種可以減小自動(dòng)發(fā)電控制指令對(duì)系統(tǒng)造成影響,同時(shí)提高大負(fù)荷下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度的優(yōu)化策略。針對(duì)東北地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重的問題,文獻(xiàn)[3]對(duì)某電廠600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)進(jìn)行超低排放改造,改造后的脫硝效率、氨逃逸、二氧化硫三氧化硫轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)阻力、氨耗量等主要性能指標(biāo)都有明顯改善。文獻(xiàn)[4]提出一種火電機(jī)組滑壓運(yùn)行方式,通過分析滑壓運(yùn)行方式的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性,對(duì)125 MW和200 MW機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn),得到火電機(jī)組在運(yùn)行條件發(fā)生改變時(shí)的最佳運(yùn)行方式。文獻(xiàn)[5]針對(duì)火電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要考慮氣缸容量、葉片排氣干度、水蝕系數(shù)、動(dòng)應(yīng)力等問題,提出一種滿足調(diào)峰能力、降低運(yùn)行負(fù)荷的方案。文獻(xiàn)[6]提出一種火電機(jī)組寬負(fù)荷高效技術(shù),可以使火電廠達(dá)到降耗節(jié)能、減少污染物排放的目的,并保證靈活投切。

天然氣作為重要的一次能源,與電力系統(tǒng)聯(lián)系較為緊密,使電-氣-熱互聯(lián)能源系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。近年來出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)[7-9]為解決能源互聯(lián)問題提供了新的途徑。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可以將低谷時(shí)段剩余的火電轉(zhuǎn)化為易于大規(guī)模存儲(chǔ)的天然氣,并在高峰時(shí)段通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,將能源重新利用。與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備相比,電轉(zhuǎn)氣存儲(chǔ)容量大,放電時(shí)間長(zhǎng),可以有效提高大規(guī)模火電機(jī)組運(yùn)行的靈活性。

2 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)原理

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)原理如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用中,電轉(zhuǎn)氣包括電轉(zhuǎn)氫氣和電轉(zhuǎn)天然氣兩種類型,其中電轉(zhuǎn)氫氣是電轉(zhuǎn)天然氣的前置反應(yīng)。電轉(zhuǎn)氫氣的基本反應(yīng)原理為電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣,現(xiàn)階段,電解氫氣的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到75%～85%。

圖1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)原理

電解水產(chǎn)生的氫氣可以直接用于燃料電池、液化或其它方式存儲(chǔ),但通過氫氣反應(yīng)生成的天然氣,其單位能量密度是氫氣的4倍,且氫氣存儲(chǔ)困難、傳輸危險(xiǎn),因此一般采用電轉(zhuǎn)天然氣的方法。

電轉(zhuǎn)天然氣的原理是在電解氫氣的基礎(chǔ)上,利用二氧化碳和氫氣在高溫高壓環(huán)境下反應(yīng)生成天然氣。電轉(zhuǎn)天然氣的能量轉(zhuǎn)換率為45%～60%,將電解產(chǎn)生的天然氣與天然氣管道網(wǎng)絡(luò)相連,無需增加額外投資,就可以實(shí)現(xiàn)能量在電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)間的雙向流動(dòng)。圖2所示為加拿大兆瓦級(jí)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備。

3 電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)和電轉(zhuǎn)氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)之間能量的雙向流動(dòng),其重要意義在于可以提高火電廠調(diào)峰的靈活性,減少碳排放。

從火電廠的廢氣中捕捉二氧化碳,作為電轉(zhuǎn)天然氣所需二氧化碳的主要來源。燃煤電廠二氧化碳捕捉技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)氣候變化、減少溫室氣體排放的重要手段。此外,電轉(zhuǎn)氣過程中產(chǎn)生的熱能還可以供火電廠使用。電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是解決火電廠削峰填谷的新途徑,具有運(yùn)行靈活的潛力。這一技術(shù)強(qiáng)化了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)的聯(lián)系,有助于實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在我國(guó)市場(chǎng)環(huán)境下,電轉(zhuǎn)氣技術(shù)使多能源市場(chǎng)的聯(lián)系更加緊密。對(duì)自然環(huán)境而言,這一技術(shù)可以充分利用綠色能源,減少二氧化碳排放,有助于改善自然環(huán)境。

4 電-氣-熱多能源系統(tǒng)

電-氣-熱多能源系統(tǒng)包含能源中心和傳輸網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分,其中能源中心包括電轉(zhuǎn)氣裝置及分布式電源。在正常工作過程中,電-氣-熱多能源系統(tǒng)既可以是電源,也可以是負(fù)荷,具體處于哪種工作狀態(tài)取決于當(dāng)前運(yùn)行條件。電-氣-熱多能源系統(tǒng)由調(diào)度中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,其調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 電-氣-熱多能源系統(tǒng)調(diào)度模型

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),預(yù)測(cè)并收集未來2 d的電力、天然氣、供熱和負(fù)荷情況,將信息傳輸至調(diào)度中心,由調(diào)度中心對(duì)發(fā)電機(jī)、電轉(zhuǎn)氣裝置進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化分配、管理。具體調(diào)度方案如下:

(1) 能源中心預(yù)測(cè)并收集未來2 d的電力負(fù)荷、天然氣負(fù)荷、熱負(fù)荷等具體情況,并向調(diào)度中心匯報(bào);

(2) 調(diào)度中心根據(jù)具體調(diào)度目標(biāo),參考約束條件,制訂各個(gè)能源中心的調(diào)度計(jì)劃;

(3) 能源中心按照調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行具體調(diào)度任務(wù)。

5 其它儲(chǔ)能方式

目前,在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用較多的有化學(xué)儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能。化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)成熟,并已廣泛應(yīng)用,但使用壽命短,受外界條件影響明顯。超導(dǎo)儲(chǔ)能成本高,對(duì)環(huán)境要求極為嚴(yán)格,不適合大規(guī)模應(yīng)用。物理儲(chǔ)能利用物理方法將能量存儲(chǔ)起來,不存在環(huán)境污染問題,適合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展要求。物理儲(chǔ)能的主要形式有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能[10-11]。

5.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能一般由電機(jī)、飛輪、軸承、真空室、電力電子器件等組成。飛輪是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分,一般采用強(qiáng)度較高、密度較小的高分子復(fù)合材料制成。軸承用于固定飛輪,為了減小摩擦損耗,一般采用磁浮支承技術(shù)。電機(jī)既可以工作在電動(dòng)狀態(tài),也可以工作在發(fā)電狀態(tài),用于滿足機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的要求。在儲(chǔ)能階段,電機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng),將飛輪加速到一定轉(zhuǎn)速后進(jìn)行能量存儲(chǔ)。在釋放能量階段,飛輪減速,電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。電力電子器件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效控制。真空室既可以為飛輪的正常工作提供無損耗環(huán)境,也可以防止飛輪因轉(zhuǎn)速太高脫離軸承而危害人員和設(shè)備。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛輪儲(chǔ)能是一種將高速旋轉(zhuǎn)的能量以動(dòng)能形式存儲(chǔ)起來的裝置,有三種工作模式:放電模式、充電模式、保持模式。放電模式將飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能傳遞至發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,再經(jīng)過電力控制裝置變換后輸出工頻電壓和電流,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。充電模式時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收電能,用以提高飛輪轉(zhuǎn)速,將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)。保持模式指當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí),飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)既不吸收能量,也不輸出能量。旋轉(zhuǎn)中的飛輪以動(dòng)能形式存儲(chǔ)起來的能量E為:

式中:v為飛輪線速度;m為飛輪質(zhì)量;J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為飛輪角速度;r為飛輪半徑。

由式(1)可以看出,飛輪存儲(chǔ)的動(dòng)能與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度的二次方成正比,因此,提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速可以有效提高飛輪存儲(chǔ)的能量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

飛輪儲(chǔ)能同樣存在缺點(diǎn),主要的缺點(diǎn)是能量密度不高、自放電率高、釋放能量持續(xù)時(shí)間較短。圖7所示為一種磁浮飛輪儲(chǔ)能設(shè)備。

5.2 超導(dǎo)儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能是基于超導(dǎo)體在低溫時(shí)電阻為零的物理特性而產(chǎn)生的一種電能存儲(chǔ)技術(shù),不僅可以在超導(dǎo)體線圈中無損耗存儲(chǔ)電能,而且可以通過電力電子變換器與電力網(wǎng)絡(luò)快速連接,交換有功和無功功率。超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)主要有儲(chǔ)放電功率大、質(zhì)量較輕、體積較小、損耗低、反應(yīng)速度快等,因此應(yīng)用很廣。超導(dǎo)儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中,當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)荷較低時(shí),超導(dǎo)儲(chǔ)能可以將多余的電能存儲(chǔ)起來,在負(fù)荷高時(shí)再將存儲(chǔ)的電能釋放,這樣可以滿足用電高峰和低谷時(shí)火電機(jī)組的供電要求。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)原理

超導(dǎo)儲(chǔ)能作為并聯(lián)儲(chǔ)能的重要組成部分,能夠快速響應(yīng)高壓輸電系統(tǒng),提高電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,抑制頻率與電壓波動(dòng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要包括動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、負(fù)荷均衡、暫態(tài)穩(wěn)定等,對(duì)于火電廠而言,中小型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。超級(jí)電容器占地小,簡(jiǎn)單實(shí)用,可以在各種工況條件下運(yùn)行。

超導(dǎo)儲(chǔ)能的不足之處在于成本較高,使可靠性和經(jīng)濟(jì)性受到制約,離商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離。

5.3 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件無過多要求,建造成本低,響應(yīng)速度快,使用壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能容量大,是一種應(yīng)用前景較好的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能可以利用低谷電、棄風(fēng)電、棄光電等對(duì)空氣進(jìn)行壓縮,將高壓空氣密封在固定容器中,在用電高峰期釋放壓縮空氣,進(jìn)而推動(dòng)氣輪機(jī)、渦輪機(jī)等發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能按不同運(yùn)行方式可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩種。

補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能需要借助燃料補(bǔ)燃來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行,其工作原理如圖9所示。

圖9 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理

在儲(chǔ)能階段,電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),將空氣壓縮并存儲(chǔ)至容器中。釋放時(shí),容器中的高壓氣體進(jìn)入氣輪機(jī)或渦輪機(jī),在燃燒室中與燃料混合燃燒,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能由于采用燃料補(bǔ)燃,因此存在污染環(huán)境的問題。非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能由傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展而來,通過采用回?zé)峒夹g(shù),將儲(chǔ)能壓縮過程中產(chǎn)生的熱量收集并存儲(chǔ),待釋能時(shí)再加熱進(jìn)入透平的高壓空氣,其工作原理如圖10所示。

圖10 非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理

由于非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能不對(duì)燃料產(chǎn)生依賴,因此實(shí)現(xiàn)了有害氣體零排放,同時(shí)利用壓縮熱和透平低溫排氣對(duì)外供暖或制冷,實(shí)現(xiàn)了冷-熱-電三聯(lián)供,能源利用率較高。

非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)能效率較低。因?yàn)榭諝庠趬嚎s時(shí)溫度會(huì)升高,釋放過程中溫度會(huì)降低,在工作過程中總會(huì)有一部分能量以熱能的形式散失,且在釋放之前還需要重新加熱。

5.4 化學(xué)儲(chǔ)能

化學(xué)儲(chǔ)能以電化學(xué)儲(chǔ)能為典型代表,主要分為鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池及超級(jí)電容器儲(chǔ)能等,前三者的比較見表1。

表1 電化學(xué)儲(chǔ)能比較

鉛酸電池是一種由鉛和鉛氧化物制成的儲(chǔ)能裝備,電解液為硫酸溶液。鉛酸電池在荷電狀態(tài)下,正極為二氧化鉛,負(fù)極為鉛。在放電狀態(tài)下,正負(fù)極均為硫酸鉛。鉛酸電池屬于最早應(yīng)用的商業(yè)化儲(chǔ)能電池。

鋰離子電池具有較高的比能量、優(yōu)異的循環(huán)性能,且綠色環(huán)保,占據(jù)了絕大部分電子產(chǎn)品市場(chǎng),如移動(dòng)電話、筆記本計(jì)算機(jī)、照相機(jī)等。鋰離子電池的工作原理是以鋰離子作正極材料,以金屬氧化物作負(fù)極材料,通過在石墨之間嵌入和脫出來實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。

鈉硫電池最初為電動(dòng)汽車而設(shè)計(jì),隨后向儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展。鈉硫電池采用管型設(shè)計(jì),電池中心以鈉為負(fù)極。內(nèi)管為電解質(zhì)隔膜,同時(shí)起到安裝鈉的作用。外管為不銹鋼金屬合成材料,用于安裝正極材料非金屬硫。在工作溫度下,鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫發(fā)生可逆反應(yīng),形成能量的釋放和存儲(chǔ)。

6 與其它儲(chǔ)能方式的比較

筆者從三個(gè)方面對(duì)電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與現(xiàn)有儲(chǔ)能方式進(jìn)行比較。

(1) 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能容量較小,額定功率在千瓦到兆瓦級(jí)之間,放電時(shí)間較短?；瘜W(xué)儲(chǔ)能由于介質(zhì)不同,性能差異較大。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的容量相對(duì)更大,額定功率可達(dá)吉瓦級(jí),放電時(shí)間為數(shù)天甚至數(shù)月。

(2) 儲(chǔ)能系統(tǒng)效率。超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能的效率相對(duì)較高,分別為90%、95%?；瘜W(xué)儲(chǔ)能和抽水蓄能效率低一些,分別為80%、70%～80%。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)效率較低,為42%～58%。

(3) 儲(chǔ)能技術(shù)成熟度。目前,抽水蓄能和鉛酸電池技術(shù)最為成熟,壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池等儲(chǔ)能技術(shù)則較為成熟,超導(dǎo)儲(chǔ)能和電轉(zhuǎn)氣技術(shù)尚處于研究階段。

7 結(jié)束語

與其它儲(chǔ)能技術(shù)相比,電-氣-熱多能源系統(tǒng)雖然效率較低、成本較高,但是在額定功率和放電時(shí)間方面有明顯優(yōu)勢(shì)。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的成功應(yīng)用不僅可以有效提高新能源的消納能力,而且可以提高火電機(jī)組的投切靈活性,在用電負(fù)荷低谷和火電廠輸出富余時(shí)段緩和電網(wǎng)波動(dòng)。此外,天然氣是綠色能源,應(yīng)用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)不僅可以提高電力系統(tǒng)和天然氣技術(shù)的穩(wěn)定性,而且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。