廢棄鹽穴變身“超級充電寶”
探訪全球首臺(套)300兆瓦級壓縮空氣儲能電站“能儲一號”
素有“膏都鹽海”之稱的湖北應(yīng)城，前不久因為“能儲一號”受到各界關(guān)注。
“能儲一號”是中國能源建設(shè)集團有限公司(以下簡稱“中國能建”)牽頭國內(nèi)百余家產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴，聯(lián)手打造的全球首臺(套)300兆瓦級壓縮空氣儲能電站，于1月9日在應(yīng)城全容量并網(wǎng)發(fā)電。該項目不僅創(chuàng)造了單機功率、儲能規(guī)模、轉(zhuǎn)換效率等世界紀錄，還填補了多項技術(shù)空白，是世界首個具備大規(guī)模非補燃壓縮空氣儲能完整自主知識產(chǎn)權(quán)體系的新型長時物理儲能解決方案，為大規(guī)模新型儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐和工程化實踐樣本。
與以往的壓縮空氣儲能電站相比，“能儲一號”有什么特殊之處，又取得了哪些創(chuàng)新突破？讓我們一同探訪了解。
儲能8小時、釋能5小時 “一呼一吸”即可把電“存”起來“發(fā)”出去
“當前，隨著新型電力系統(tǒng)中可再生能源滲透率的逐步提升，風電、光伏等新能源隨機性、間歇性、波動性使得電力供應(yīng)峰谷問題更加突出，需要一位‘綠電管家’平衡電能調(diào)配。”在中國能建首席專家，中國能建數(shù)科集團黨委書記、董事長萬明忠看來，“能儲一號”扮演的正是這樣一個角色，通過壓縮系統(tǒng)、儲換熱系統(tǒng)、儲氣系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)等設(shè)備的協(xié)作配合來實現(xiàn)。
在發(fā)電功率、儲氣壓力一定的情況下，儲氣庫容積越大、儲氣量越大，持續(xù)釋能的時間就越長。“能儲一號”儲能容量達1500兆瓦時，轉(zhuǎn)換效率接近70%，全負荷工作時，每天可儲能8小時、釋能5小時，時長設(shè)置與國內(nèi)電力系統(tǒng)日波動周期相匹配，充滿一次電量可滿足一個中小城市居民持續(xù)5小時的生活用電需求。
如此大規(guī)模的電能調(diào)配，完全以空氣為介質(zhì)，通過壓縮空氣儲能技術(shù)，在“一呼一吸”中完成。
壓縮空氣儲能技術(shù)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存，并在需要時再將其轉(zhuǎn)化回電能的技術(shù)。當電力過剩時，富余的電能就好比給氣球打氣一般，驅(qū)動“能儲一號”的壓縮機組通過多級壓縮，使空氣壓力驟增至大氣壓的百倍。
“空氣被壓縮時，溫度會上升到近200攝氏度，這時‘能儲一號’的儲換熱系統(tǒng)會將熱能轉(zhuǎn)移存儲至儲換熱球罐中，實現(xiàn)熱量的回收再利用。與此同時，‘退熱’的高壓空氣則會通過約500米長的管道被儲存到地下儲氣庫中，等待用電高峰時被‘喚醒’，與儲換熱球罐中的熱能相遇、膨脹，推動膨脹機葉片高速旋轉(zhuǎn)，就像吹動風電機組的‘大風車’一樣，進而驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。”中國能建一級管理專家，中國能建數(shù)科集團黨委委員、副總經(jīng)理李峻說，為了提高效率，壓縮過程中產(chǎn)生的熱量可以通過儲熱器存儲，在膨脹發(fā)電時用于預熱空氣，從而將整體系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升至70%。
“一呼一吸”即可把電“存”起來、“發(fā)”出去，操作看似簡單，實則是有關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備做支撐。據(jù)了解，“能儲一號”創(chuàng)造了多項行業(yè)示范、數(shù)十項國際首創(chuàng)，實現(xiàn)關(guān)鍵核心裝備和深地空間利用產(chǎn)品100%國產(chǎn)化，形成專利、專有技術(shù)、標準規(guī)范共計200余項。
攻克三大世界級技術(shù)難題 單機功率躍升至300兆瓦級
近年來，我國壓縮空氣儲能技術(shù)逐步成熟、落地項目逐漸增多，進入了規(guī)模化發(fā)展階段。如今，“能儲一號”單機功率一舉躍升至300兆瓦級，創(chuàng)造了壓縮空氣儲能領(lǐng)域單機功率的世界紀錄。
“我們具備將單機功率提升至300兆瓦級、打造系統(tǒng)解決方案的條件和能力。”結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈和工業(yè)基礎(chǔ)情況以及中國能建全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)優(yōu)勢，李峻向記者解釋，之所以選擇“單機功率300兆瓦級”，是因為通過充分調(diào)研和科學論證，發(fā)現(xiàn)在技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備生產(chǎn)方面并沒有不可逾越的障礙，反而具有較高經(jīng)濟性。同時，300兆瓦級容量可便于電力系統(tǒng)直接調(diào)度、可快速迭代更多容量機型、可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)自主化、可帶動傳統(tǒng)火電裝備升級。此外，按照實踐經(jīng)驗，“300兆瓦級作為長時儲能可有效推動大規(guī)模新能源發(fā)展，符合新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需求，是我國壓縮空氣儲能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速平穩(wěn)發(fā)展的有效路徑。”
單機功率的躍升意味著系統(tǒng)復雜度和工程化難度呈指數(shù)級上升。為了實現(xiàn)這一目標，“能儲一號”研發(fā)團隊在10年時間里，攜手攻堅，攻破了最核心的三大世界級技術(shù)難題。
在壓縮空氣儲能領(lǐng)域，對于地上工程，尋找與300兆瓦級壓縮空氣儲能電站相匹配的轉(zhuǎn)動設(shè)備是其中一大難題。以空氣透平膨脹機為例，它是“能儲一號”能實現(xiàn)單機功率大幅跨越的“功臣”之一。針對空氣透平膨脹機多次再熱、大流量、頻繁啟停等諸多技術(shù)難點，“能儲一號”采用了多項前沿技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計，首次在壓縮空氣儲能領(lǐng)域應(yīng)用了超高補氣流量的全工況滿負荷高效透平配氣與調(diào)節(jié)技術(shù)，開發(fā)出適用于高負荷、大流動系數(shù)的高效壓縮空氣透平通流設(shè)計技術(shù)、寬負荷葉片等，保證了機組運行的高可靠性及經(jīng)濟性。
“能儲一號”大規(guī)模儲電和發(fā)電過程全綠色、無污染、零碳排放，秘訣是創(chuàng)新采用“非補燃”技術(shù)。
“‘能儲一號’共配有8個用于儲存冷熱水介質(zhì)的儲換熱球罐，體量達國內(nèi)最大。通過這些儲換熱球罐，‘能儲一號’將空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量進行回收再利用，解決了不借助任何化石燃料，就能使壓縮空氣儲能電站高效回收和釋放熱能的難題。”李峻介紹。
對于地下工程，素有“地下決定成敗，地上決定好壞”的說法。“能儲一號”在世界范圍內(nèi)首次成功應(yīng)用了鹽穴沉渣空間儲氣技術(shù)，同時首創(chuàng)國內(nèi)最大口徑注采井方案，通過設(shè)置井身結(jié)構(gòu)、井下封隔器和井口采氣樹，大幅提高了鹽穴空腔利用率和注采井的注采氣量，并降低了工程造價、縮短了建設(shè)工期。這對于我國推進壓縮空氣儲能領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展，具有首創(chuàng)性、示范性、引領(lǐng)性意義。
“變廢為寶” 地下600米鹽穴成巨型儲氣庫
“能儲一號”占地面積約190畝，但實際使用面積不止于此。在距離地面600米的地下空間里，還藏著一座“地下宮殿”。這原是一個廢棄鹽穴，經(jīng)過開發(fā)形成了一個深地儲氣庫，其可利用儲氣空間達70萬立方米，相當于260個標準游泳池容積大小。
鹽穴是利用水溶開采方式在地下500—2000米深度的鹽層中采礦后形成的地下空腔。我國鹽礦資源豐富，存在大量鹽礦地下采空區(qū)。作為全國井礦鹽主產(chǎn)區(qū)，應(yīng)城的地下鹽穴空腔容積達4000余萬立方米。
“以往鹽礦開采利用完還要對廢棄鹽穴進行回填，現(xiàn)在我們‘變廢為寶’，把它變成儲氣庫。”中國能建數(shù)科集團技術(shù)總監(jiān)、首席專家商浩亮解釋道，鹽穴深埋地下，且在產(chǎn)生局部地層裂縫條件下可通過鹽的重結(jié)晶功能實現(xiàn)自愈合，能夠保證儲存空腔的密閉性，這些特性可為儲氣提供一個巨大而穩(wěn)定的地下密閉空間。
深地儲氣庫是壓氣儲能工程的決定性因素，要將如此大空間的鹽穴改造成儲氣庫，還要確保空氣壓得進、儲得住，并非易事。
應(yīng)城地區(qū)地質(zhì)條件復雜，當?shù)佧}穴多是以水平壓裂方式造腔。中國能建牽頭，聯(lián)合中國科學院武漢巖土力學研究所楊春和院士團隊，以及中國石油、長江設(shè)計集團等建造單位，進行跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新，把工程現(xiàn)場作為實驗室，邊工程實踐、邊科技創(chuàng)新，經(jīng)過聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)與實驗論證來解決工程實際難題，不斷優(yōu)化鹽穴利用方案、鉆井工程系統(tǒng)方案，成功攻克復雜鹽穴空間高效利用成套技術(shù)、數(shù)智化選址技術(shù)，形成了一系列國際尖端技術(shù)和配套產(chǎn)品包。
“能儲一號”的成功建設(shè)，驗證了水平壓裂形成的鹽穴水平腔用于存儲高壓空氣的可行性，也為我國在鹽穴采空區(qū)推廣大規(guī)模儲氫、儲氦、儲天然氣等奠定了堅實的基礎(chǔ)。在其建設(shè)過程中創(chuàng)造的數(shù)十項國際首創(chuàng)和專利技術(shù)，有力推動了壓縮空氣儲能向更高效率、更低成本、更大規(guī)模方向發(fā)展。例如，該項目創(chuàng)新采用的鹽穴沉渣空間儲氣技術(shù)擴大了鹽穴的有效儲氣空間，為未來的鹽穴壓縮空氣儲能電站建設(shè)提供了可行的技術(shù)路徑。
在廢棄鹽穴建設(shè)地下空間綜合利用項目，都面臨一個重大難題——天然鹽穴空腔中存在大量沉渣，其下部的沉渣空隙體積無法利用。這極大地限制了鹽穴空間的大幅度利用。“能儲一號”研發(fā)團隊通過建立氣液界面計算的理論基礎(chǔ)，提出沉渣空間計算的新方法，首次采用高位注氣、低位排鹵的新方案。
商浩亮解釋，“高位注氣、低位排鹵”就是選擇在鹽穴底部沉渣層深處進行井筒植入，通過高位注氣，把鹵水從沉渣縫隙中“逼”出來，形成沉渣空隙空間，不僅確保鹽穴壓氣儲能電站沉渣空間注氣排鹵的安全運行，還突破了鹽穴空間的利用瓶頸，使鹽穴地下空間的利用率從20%提高到70%以上。
逐“綠”而興。該項目還開創(chuàng)了“鹽電聯(lián)營”新模式，將在推動當?shù)匦履茉聪{、實現(xiàn)廢棄鹽穴綜合利用、破解資源環(huán)境約束、優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展上發(fā)揮重要作用，助推地方綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。
中國紀檢監(jiān)察報 本報記者 陳瑤 通訊員 趙雪明