作為中國華能集團有限公司的直屬科研單位，西安熱工研究院有限公司(以下簡稱“西安熱工院”)“十四五”以來持續(xù)推進科技攻關，一批示范項目陸續(xù)落地。其中，燃煤摻氨燃燒可助力火電機組降低排放，同時有望促進綠電消納和提升綠氨需求;超級電容彌補火電機組調(diào)頻能力不足，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性并提高電廠收益;熔鹽儲能、熱化學儲能、光熱儲能等一系列熱能儲能技術“變電為熱”，豐富了儲能設備應用場景。
華能西安熱工院4MW燃燒試驗臺
摻氨燃燒助力火電降碳
“氨原本是作為火電廠脫硝還原劑，但其本身也是一種零碳燃料，替代煤炭燃燒能夠顯著降低火電機組碳排放強度。”西安熱工院鍋爐設備及環(huán)保事業(yè)部新技術所所長王志超表示，燃煤摻氨燃燒雖有減碳優(yōu)勢，但仍有不少問題待解。首先，氨氣燃燒與煤粉固相燃燒特性差異大，穩(wěn)燃研究仍需持續(xù)強化，燃燒效率有待提高;其次，氨燃料氮含量較高，如何有效控制氮氧化物生成是關鍵;再次，大規(guī)模使用氨帶來的安全風險不容小覷。
在西安熱工院，約四層樓高的4兆瓦燃燒試驗臺管線縱橫交錯，控制中心屏幕匯總傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)。王志超表示：“通過這座國內(nèi)先進的中試試驗平臺，我們驗證了對現(xiàn)有燃燒器的改造效果，可以實現(xiàn)從純煤到純氨的切換。穩(wěn)燃方面，我們在各個比例下都做到了燃燒自維持，同時具備一定調(diào)節(jié)能力。摻氨比例40%以內(nèi)，氮氧化物生成濃度可以做到與純煤燃燒持平，燃燒效率也基本相當。”
“目前，華能集團正積極推進燃煤機組摻氨減碳的工程示范。在規(guī)劃的幾個大能源基地建設中考慮引入氫/氨實現(xiàn)長時儲能，通過火電廠協(xié)同消納一定比例新能源富余電力。”王志超表示，新能源電價低廉地區(qū)的綠氨制備和利用未來將具有優(yōu)勢，同時，隨著碳價升高以及煤電機組減碳壓力的增加，未來燃煤機組摻氨減碳的經(jīng)濟優(yōu)勢有望進一步凸顯。
華能左權煤電有限責任公司超級電容混合儲能調(diào)頻系統(tǒng)
超級電容提升調(diào)頻收益
在減排同時，火電機組的調(diào)頻任務也越來越重。西安熱工研究院電氣技術部主任兀鵬越表示，近年來，各方均鼓勵發(fā)電側參與調(diào)頻輔助服務市場，但火電機組響應延時長、功率爬坡速度慢、穩(wěn)態(tài)精度低，調(diào)頻性能差，機組直接參與調(diào)頻任務還會造成發(fā)電成本增加、設備磨損等問題。
利用儲能可讓火電機組調(diào)頻實現(xiàn)快速折返、精確輸出和瞬間調(diào)節(jié)，但鋰電池用作火儲調(diào)頻卻存在“痛點”，調(diào)頻的密集指令會對電池電芯造成巨大損耗，整個項目壽命周期內(nèi)需要多次更換電芯，而短時間內(nèi)頻繁充放電也可能導致儲能設備出現(xiàn)問題的風險增大。
“超級電容儲能作為長壽命、高安全性的短時高頻儲能技術，具備功率密度高、循環(huán)壽命長、循環(huán)效率高等一系列優(yōu)勢，適用于電力系統(tǒng)調(diào)頻。”兀鵬越表示，近年來，西安熱工院積極開展超級電容儲能調(diào)頻技術研究與應用，攻克了大容量超級電容儲能系統(tǒng)選型、集成與工程應用的難題，將長壽命、高安全性的超級電容儲能技術首次成功應用在火電調(diào)頻領域，為電力系統(tǒng)調(diào)頻開辟出新的技術路徑，填補了我國超級電容儲能領域的技術空白。
2023年4月，西安熱工院在華能羅源電廠建成世界容量最大的超級電容調(diào)頻項目，首次將長壽命、高安全性的超級電容儲能技術應用在火電調(diào)頻領域，有效解決了以往火儲調(diào)頻技術中鋰電池儲能壽命短、安全性差的難題，顯著提升機組整體調(diào)頻性能。今年，華能陽邏電廠、華能左權電廠超級電容調(diào)頻項目建成投產(chǎn)，華能伊敏煤電、華能銅川電廠等多個項目建設持續(xù)推進。同時，西安熱工院還在開展超級電容電極材料國產(chǎn)化研制，未來有望進一步降低超級電容成本，促進超級電容儲能技術大規(guī)模推廣應用。
中國華能火電廠高溫蒸汽熔鹽儲熱科技示范工程
探索多種新型儲能技術
除電儲能外，西安熱工院還開展了多項熱能儲能研究。西安熱工院儲能所所長韓偉表示：“常規(guī)的電化學儲能重點在于電，而熱能儲能則注重電和熱的關聯(lián)。熱能儲能市場前景廣闊，通過消納新能源電力，將其轉(zhuǎn)化為熱能輸出，相比傳統(tǒng)儲能，應用場景更加豐富。”
據(jù)韓偉介紹，成本低廉是熱化學儲能的重要優(yōu)勢。“目前，常規(guī)電化學儲能每千瓦時投資為700元至1000元，這已經(jīng)是非常低廉的價格了。但是對熱化學儲能來說，雖然我們的項目還處于中試階段，沒有大規(guī)模推廣，但其千瓦時投資已經(jīng)可以做到350元以下，相當于常規(guī)儲能的一半。此外，不同于電力存在峰谷價差，蒸汽等熱能需求相對固定，價格更平穩(wěn)。”
此外，西安熱工院的熔鹽儲能、光熱儲能、水體儲熱等其他新型儲能技術研究也同步推進。其中，熔鹽儲能以無機鹽作為介質(zhì)，通過鹽的溫升儲存熱能，具有能量密度高、儲熱時間長、規(guī)?；杀镜偷戎T多優(yōu)勢。
2022年，西安熱工院承包設計了江蘇國信靖江電廠儲能項目，將熔鹽儲能系統(tǒng)和火電結合，同時實現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻和工業(yè)蒸汽供應3種功能。韓偉表示：“我們也建設了一套兆瓦級熔鹽儲能測試平臺，并開發(fā)了相變?nèi)埯}模塊，熔鹽最低使用溫度從之前的260攝氏度降至現(xiàn)在的100多攝氏度，提升了儲能密度，并更好匹配蒸汽的換熱曲線。”
文丨中國能源報 記者 楊沐巖
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