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(jiǎn)稱(chēng)“西安熱工院”)“十四五”以來(lái)持續推進(jìn)科技攻關(guān)，一批示范項目陸續落地。其中，燃煤摻氨燃燒可助力火電機組降低排放，同時(shí)有望促進(jìn)綠電消納和提升綠氨需求;超級電容彌補火電機組調頻能力不足，提升電網(wǎng)穩定性并提高電廠(chǎng)收益;熔鹽儲能、熱化學(xué)儲能、光熱儲能等一系列熱能儲能技術(shù)“變電為熱”，豐富了儲能設備應用場(chǎng)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(chǎng)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(zhù)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(shù)所所長(cháng)王志超表示，燃煤摻氨燃燒雖有減碳優(yōu)勢，但仍有不少問(wèn)題待解。首先，氨氣燃燒與煤粉固相燃燒特性差異大，穩燃研究仍需持續強化，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(guān)鍵;再次，大規模使用氨帶來(lái)的安全風(fēng)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(xiàn)縱橫交錯，控制中心屏幕匯總傳感器和監控系統的信息數據。王志超表示：“通過(guò)這座國內先進(jìn)的中試試驗平臺，我們驗證了對現有燃燒器的改造效果，可以實(shí)現從純煤到純氨的切換。穩燃方面，我們在各個(gè)比例下都做到了燃燒自維持，同時(shí)具備一定調節能力。摻氨比例40%以?xún)?，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(jìn)燃煤機組摻氨減碳的工程示范。在規劃的幾個(gè)大能源基地建設中考慮引入氫/氨實(shí)現長(cháng)時(shí)儲能，通過(guò)火電廠(chǎng)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(jià)低廉地區的綠氨制備和利用未來(lái)將具有優(yōu)勢，同時(shí)，隨著(zhù)碳價(jià)升高以及煤電機組減碳壓力的增加，未來(lái)燃煤機組摻氨減碳的經(jīng)濟優(yōu)勢有望進(jìn)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頻系統
超級電容提升調頻收益
在減排同時(shí)，火電機組的調頻任務(wù)也越來(lái)越重。西安熱工研究院電氣技術(shù)部主任兀鵬越表示，近年來(lái)，各方均鼓勵發(fā)電側參與調頻輔助服務(wù)市場(chǎng)，但火電機組響應延時(shí)長(cháng)、功率爬坡速度慢、穩態(tài)精度低，調頻性能差，機組直接參與調頻任務(wù)還會(huì )造成發(fā)電成本增加、設備磨損等問(wèn)題。
利用儲能可讓火電機組調頻實(shí)現快速折返、精確輸出和瞬間調節，但鋰電池用作火儲調頻卻存在“痛點(diǎn)”，調頻的密集指令會(huì )對電池電芯造成巨大損耗，整個(gè)項目壽命周期內需要多次更換電芯，而短時(shí)間內頻繁充放電也可能導致儲能設備出現問(wèn)題的風(fēng)險增大。
“超級電容儲能作為長(cháng)壽命、高安全性的短時(shí)高頻儲能技術(shù)，具備功率密度高、循環(huán)壽命長(cháng)、循環(huán)效率高等一系列優(yōu)勢，適用于電力系統調頻。”兀鵬越表示，近年來(lái)，西安熱工院積極開(kāi)展超級電容儲能調頻技術(shù)研究與應用，攻克了大容量超級電容儲能系統選型、集成與工程應用的難題，將長(cháng)壽命、高安全性的超級電容儲能技術(shù)首次成功應用在火電調頻領(lǐng)域，為電力系統調頻開(kāi)辟出新的技術(shù)路徑，填補了我國超級電容儲能領(lǐng)域的技術(shù)空白。
2023年4月，西安熱工院在華能羅源電廠(chǎng)建成世界容量最大的超級電容調頻項目，首次將長(cháng)壽命、高安全性的超級電容儲能技術(shù)應用在火電調頻領(lǐng)域，有效解決了以往火儲調頻技術(shù)中鋰電池儲能壽命短、安全性差的難題，顯著(zhù)提升機組整體調頻性能。今年，華能陽(yáng)邏電廠(chǎng)、華能左權電廠(chǎng)超級電容調頻項目建成投產(chǎn)，華能伊敏煤電、華能銅川電廠(chǎng)等多個(gè)項目建設持續推進(jìn)。同時(shí)，西安熱工院還在開(kāi)展超級電容電極材料國產(chǎn)化研制，未來(lái)有望進(jìn)一步降低超級電容成本，促進(jìn)超級電容儲能技術(shù)大規模推廣應用。
中國華能火電廠(chǎng)高溫蒸汽熔鹽儲熱科技示范工程
探索多種新型儲能技術(shù)
除電儲能外，西安熱工院還開(kāi)展了多項熱能儲能研究。西安熱工院儲能所所長(cháng)韓偉表示：“常規的電化學(xué)儲能重點(diǎn)在于電，而熱能儲能則注重電和熱的關(guān)聯(lián)。熱能儲能市場(chǎng)前景廣闊，通過(guò)消納新能源電力，將其轉化為熱能輸出，相比傳統儲能，應用場(chǎng)景更加豐富。”
據韓偉介紹，成本低廉是熱化學(xué)儲能的重要優(yōu)勢。“目前，常規電化學(xué)儲能每千瓦時(shí)投資為700元至1000元，這已經(jīng)是非常低廉的價(jià)格了。但是對熱化學(xué)儲能來(lái)說(shuō)，雖然我們的項目還處于中試階段，沒(méi)有大規模推廣，但其千瓦時(shí)投資已經(jīng)可以做到350元以下，相當于常規儲能的一半。此外，不同于電力存在峰谷價(jià)差，蒸汽等熱能需求相對固定，價(jià)格更平穩。”
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(shù)研究也同步推進(jìn)。其中，熔鹽儲能以無(wú)機鹽作為介質(zhì)，通過(guò)鹽的溫升儲存熱能，具有能量密度高、儲熱時(shí)間長(cháng)、規?；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(chǎng)儲能項目，將熔鹽儲能系統和火電結合，同時(shí)實(shí)現調峰、調頻和工業(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(kāi)發(fā)了相變熔鹽模塊，熔鹽最低使用溫度從之前的260攝氏度降至現在的100多攝氏度，提升了儲能密度，并更好匹配蒸汽的換熱曲線(xiàn)。”
文丨中國能源報 記者 楊沐巖
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