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壓縮空氣儲能電站用離心壓縮機關鍵技術及應用取得突破

2025-07-19 01:00:06

當前，全球能源模式正在加速變革，隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出，電力系統迫切需要先進的大規模儲能技術來解決可再生能源接入問題，以提高電力系統和區域能源系統的效率、安全性及經濟性。壓縮空氣儲能技術是目前唯一可對標抽水蓄能的長時儲能技術。壓縮空氣儲能電站用離心壓縮機具有流量大、效率高、壓比高、溫升高、背壓變化大、頻繁啟停等特殊需求，與其他行業的壓縮機具有很大不同。2018年開始沈鼓集團針對儲能電站用離心壓縮機開展了深入研究，立足于設備的國產化和技術知識產權的自主化，突破關鍵技術及難點。并由沈陽鼓風機集團齒輪壓縮機有限公司為主要牽頭單位完成了該研發項目的首臺套樣機——60MW非補燃式壓縮空氣儲能電站壓縮機組的研制工作，該機組研制成功后，應用于江蘇金壇60MW/300MWh鹽穴壓縮空氣儲能發電國家示范項目。項目整體流程工藝為根據電網調峰需求隨儲隨發，在用電低谷時壓縮機壓縮空氣到一定壓力存儲到儲氣系統當中，在用電高峰時，釋放高壓空氣，與壓縮過程產生的熱量進行熱量交換，推動膨脹機發電，進而達到用電調峰的作用。因此該套機組既滿足壓縮機段間排氣溫度處于高溫狀態，有利于壓縮熱高效儲存；又需滿足壓縮機注氣過程的寬背壓調節需求，壓縮機出口處于高壓狀態。根據以上要求，沈陽鼓風機集團齒輪壓縮機有限公司設計了多機串聯實現高壓力儲能的多軸離心壓縮機組系統，適用于頻繁啟停工況要求。通過該機組的實際應用優化壓縮空氣儲能電站用離心壓縮機工程技術方案，驗證相關技術及裝備制造能力，促進相關產業標準體系的建設，對鹽穴儲氣壓縮空氣儲能系統的能效提升以及未來的產業發展至關重要。在儲能電站用離心壓縮機關鍵技術的開發過程中，沈鼓集團開發出儲能系列模型級并優化了機組氣動設計方案，滿足了機組儲壓、儲熱、高效和調節范圍寬的要求。同時研究機組抗疲勞設計方法及高壓壓縮機轉子穩定性計算方法，滿足了機組重復啟停萬次的使用壽命要求。該項目采用的多軸齒輪增速型離心壓縮機可以實現多轉速運行，每個葉輪都可以處于最佳效率點，機組本身具有效率高的優點；此外通過分析儲能系統熱力性能，根據系統工作過程，針對多級壓縮、段間冷卻并存儲壓縮熱、儲氣放氣，再熱膨脹釋能等多個過程過別建立其熱力學計算模型，同時建立系統總效率與單元部件關鍵參數的關聯關系，最終通過多次熱力平衡迭代優化和數值模擬分析，找到壓縮機最優工藝方案，確保系統電-電轉化效率達到60%以上。由于該壓縮機啟動到儲氣前以及卸載退出儲氣管網停車前的功耗均屬無用功耗，因此對壓縮機啟動、加載、卸載停車的時間的控制是提高電站電電轉換效率的重點研究內容。沈鼓研發團隊為此構建了智能仿真控制系統，仿真系統充分利用物理、工藝、機械模型，集成多變量、多數據，在虛擬模型中完成整個空氣儲能裝置的完整映射，從而反映儲能壓縮機組的全生命周期過程。并利用該仿真系統技術對各過程進行優化，解決了多參量之間的耦合問題，實現了機組的全自動控制，滿足了機組啟停加載總時長不超過30min的特殊技術要求。葉輪作為壓縮機核心做功部件受到高轉速服役下的離心力和氣動交變載荷作用力，機組的高頻次啟停需求，決定了葉輪從室溫到400℃區間的365次/年的熱機械疲勞和高溫蠕變性能是材料選擇的必要條件，同時，中高溫度段服役機組葉輪數量多，材質硬度高難加工，必須開發高質高效加工工藝。沈鼓研發團隊選擇了適合此特殊應用場合的新型葉輪材料，并為此創建了難切削材質葉輪適配加工工藝體系，解決了中高溫服役葉輪高質高效加工難題。突破了新型材料葉輪加工技術瓶頸，實現了產品的高性能和經濟性。壓縮空氣儲能電站用壓縮機的成功研制，解決了壓縮空氣儲能電站核心動力設備開發的難題，是壓縮空氣儲能技術研發和應用的重要里程碑。對促進我國能源轉型和構建新型電力系統意義重大，為我國壓縮空氣儲能乃至能源產業的可持續發展提供了強有力支撐，助推了我國壓縮空氣儲能技術的國際領先地位。目前，沈鼓研發的壓縮空氣儲能電站用離心壓縮機關鍵技術已累計應用到多個壓縮空氣儲能電站項目。2019年，沈鼓集團為江蘇金壇60MW/300MWh鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目，提供了壓縮側系統解決方案，金壇電站是世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站。自并網以來，已響應電網調度共完成了560余次儲發，實現累積調峰電量1.9億千瓦時，推動了我國壓縮空氣儲能行業的發展。2021年，沈鼓為中國長江三峽集團-烏蘭察布“源網荷儲一體化”空氣儲能示范項目提供壓縮側系統解決方案，該項目在風電、光電等用于新能源消納且需要寬范圍調節的源側壓縮空氣儲能領域，具有重要的示范作用和意義。2023年，沈鼓集團為中國綠發投資建設的青海格爾木60MW/600MWh液態空氣儲能項目提供優異的壓縮側系統解決方案，建成后將成為液態空氣儲能領域發電功率世界第一、儲能規模世界最大的示范項目。2024年，沈鼓集團為江蘇國信蘇鹽(淮安)2×250MW級壓縮空氣儲能項目提供壓縮側系統解決方案，該項目采用“三元鹽”和“壓力水”作為儲熱介質，整個儲能系統轉換效率達到國內領先水平。