廢棄鹽穴變身“超級(jí)充電寶”

廢棄鹽穴變身“超級(jí)充電寶”

探訪全球首臺(tái)(套)300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站“能儲(chǔ)一號(hào)”

素有“膏都鹽?！敝Q的湖北應(yīng)城，前不久因?yàn)椤澳軆?chǔ)一號(hào)”受到各界關(guān)注。

“能儲(chǔ)一號(hào)”是中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)能建”)牽頭國(guó)內(nèi)百余家產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴，聯(lián)手打造的全球首臺(tái)(套)300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，于1月9日在應(yīng)城全容量并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目不僅創(chuàng)造了單機(jī)功率、儲(chǔ)能規(guī)模、轉(zhuǎn)換效率等世界紀(jì)錄，還填補(bǔ)了多項(xiàng)技術(shù)空白，是世界首個(gè)具備大規(guī)模非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系的新型長(zhǎng)時(shí)物理儲(chǔ)能解決方案，為大規(guī)模新型儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐和工程化實(shí)踐樣本。

與以往的壓縮空氣儲(chǔ)能電站相比，“能儲(chǔ)一號(hào)”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(chǔ)能8小時(shí)、釋能5小時(shí) “一呼一吸”即可把電“存”起來(lái)“發(fā)”出去

“當(dāng)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(fēng)電、光伏等新能源隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性使得電力供應(yīng)峰谷問(wèn)題更加突出，需要一位‘綠電管家’平衡電能調(diào)配。”在中國(guó)能建首席專家，中國(guó)能建數(shù)科集團(tuán)黨委書記、董事長(zhǎng)萬(wàn)明忠看來(lái)，“能儲(chǔ)一號(hào)”扮演的正是這樣一個(gè)角色，通過(guò)壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

在發(fā)電功率、儲(chǔ)氣壓力一定的情況下，儲(chǔ)氣庫(kù)容積越大、儲(chǔ)氣量越大，持續(xù)釋能的時(shí)間就越長(zhǎng)?！澳軆?chǔ)一號(hào)”儲(chǔ)能容量達(dá)1500兆瓦時(shí)，轉(zhuǎn)換效率接近70%，全負(fù)荷工作時(shí)，每天可儲(chǔ)能8小時(shí)、釋能5小時(shí)，時(shí)長(zhǎng)設(shè)置與國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)日波動(dòng)周期相匹配，充滿一次電量可滿足一個(gè)中小城市居民持續(xù)5小時(shí)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(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，在“一呼一吸”中完成。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存，并在需要時(shí)再將其轉(zhuǎn)化回電能的技術(shù)。當(dāng)電力過(guò)剩時(shí)，富余的電能就好比給氣球打氣一般，驅(qū)動(dòng)“能儲(chǔ)一號(hào)”的壓縮機(jī)組通過(guò)多級(jí)壓縮，使空氣壓力驟增至大氣壓的百倍。

“空氣被壓縮時(shí)，溫度會(huì)上升到近200攝氏度，這時(shí)‘能儲(chǔ)一號(hào)’的儲(chǔ)換熱系統(tǒng)會(huì)將熱能轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)至儲(chǔ)換熱球罐中，實(shí)現(xiàn)熱量的回收再利用。與此同時(shí)，‘退熱’的高壓空氣則會(huì)通過(guò)約500米長(zhǎng)的管道被儲(chǔ)存到地下儲(chǔ)氣庫(kù)中，等待用電高峰時(shí)被‘喚醒’，與儲(chǔ)換熱球罐中的熱能相遇、膨脹，推動(dòng)膨脹機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)，就像吹動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的‘大風(fēng)車’一樣，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能?！敝袊?guó)能建一級(jí)管理專家，中國(guó)能建數(shù)科集團(tuán)黨委委員、副總經(jīng)理李峻說(shuō)，為了提高效率，壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)儲(chǔ)熱器存儲(chǔ)，在膨脹發(fā)電時(shí)用于預(yù)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(lái)、“發(fā)”出去，操作看似簡(jiǎn)單，實(shí)則是有關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備做支撐。據(jù)了解，“能儲(chǔ)一號(hào)”創(chuàng)造了多項(xiàng)行業(yè)示范、數(shù)十項(xiàng)國(guó)際首創(chuàng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心裝備和深地空間利用產(chǎn)品100%國(guó)產(chǎn)化，形成專利、專有技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范共計(jì)200余項(xiàng)。

攻克三大世界級(jí)技術(shù)難題 單機(jī)功率躍升至300兆瓦級(jí)

近年來(lái)，我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)逐步成熟、落地項(xiàng)目逐漸增多，進(jìn)入了規(guī)?；l(fā)展階段。如今，“能儲(chǔ)一號(hào)”單機(jī)功率一舉躍升至300兆瓦級(jí)，創(chuàng)造了壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域單機(jī)功率的世界紀(jì)錄。

“我們具備將單機(jī)功率提升至300兆瓦級(jí)、打造系統(tǒng)解決方案的條件和能力。”結(jié)合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈和工業(yè)基礎(chǔ)情況以及中國(guó)能建全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，李峻向記者解釋，之所以選擇“單機(jī)功率300兆瓦級(jí)”，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)充分調(diào)研和科學(xué)論證，發(fā)現(xiàn)在技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備生產(chǎn)方面并沒(méi)有不可逾越的障礙，反而具有較高經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，300兆瓦級(jí)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(jī)型、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)自主化、可帶動(dòng)傳統(tǒng)火電裝備升級(jí)。此外，按照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，“300兆瓦級(jí)作為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可有效推動(dòng)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(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)發(fā)展的有效路徑。”

單機(jī)功率的躍升意味著系統(tǒng)復(fù)雜度和工程化難度呈指數(shù)級(jí)上升。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，“能儲(chǔ)一號(hào)”研發(fā)團(tuán)隊(duì)在10年時(shí)間里，攜手攻堅(jiān)，攻破了最核心的三大世界級(jí)技術(shù)難題。

在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域，對(duì)于地上工程，尋找與300兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站相匹配的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備是其中一大難題。以空氣透平膨脹機(jī)為例，它是“能儲(chǔ)一號(hào)”能實(shí)現(xiàn)單機(jī)功率大幅跨越的“功臣”之一。針對(duì)空氣透平膨脹機(jī)多次再熱、大流量、頻繁啟停等諸多技術(shù)難點(diǎn)，“能儲(chǔ)一號(hào)”采用了多項(xiàng)前沿技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首次在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用了超高補(bǔ)氣流量的全工況滿負(fù)荷高效透平配氣與調(diào)節(jié)技術(shù)，開發(fā)出適用于高負(fù)荷、大流動(dòng)系數(shù)的高效壓縮空氣透平通流設(shè)計(jì)技術(shù)、寬負(fù)荷葉片等，保證了機(jī)組運(yùn)行的高可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

“能儲(chǔ)一號(hào)”大規(guī)模儲(chǔ)電和發(fā)電過(guò)程全綠色、無(wú)污染、零碳排放，秘訣是創(chuàng)新采用“非補(bǔ)燃”技術(shù)。

“‘能儲(chǔ)一號(hào)’共配有8個(gè)用于儲(chǔ)存冷熱水介質(zhì)的儲(chǔ)換熱球罐，體量達(dá)國(guó)內(nèi)最大。通過(guò)這些儲(chǔ)換熱球罐，‘能儲(chǔ)一號(hào)’將空氣壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)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(chǔ)能電站高效回收和釋放熱能的難題?！崩罹榻B。

對(duì)于地下工程，素有“地下決定成敗，地上決定好壞”的說(shuō)法?！澳軆?chǔ)一號(hào)”在世界范圍內(nèi)首次成功應(yīng)用了鹽穴沉渣空間儲(chǔ)氣技術(shù)，同時(shí)首創(chuàng)國(guó)內(nèi)最大口徑注采井方案，通過(guò)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(jià)、縮短了建設(shè)工期。這對(duì)于我國(guó)推進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)氣庫(kù)

“能儲(chǔ)一號(hào)”占地面積約190畝，但實(shí)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(gè)廢棄鹽穴，經(jīng)過(guò)開發(fā)形成了一個(gè)深地儲(chǔ)氣庫(kù)，其可利用儲(chǔ)氣空間達(dá)70萬(wàn)立方米，相當(dāng)于260個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)鹽礦資源豐富，存在大量鹽礦地下采空區(qū)。作為全國(guó)井礦鹽主產(chǎn)區(qū)，應(yīng)城的地下鹽穴空腔容積達(dá)4000余萬(wàn)立方米。

“以往鹽礦開采利用完還要對(duì)廢棄鹽穴進(jìn)行回填，現(xiàn)在我們‘變廢為寶’，把它變成儲(chǔ)氣庫(kù)。”中國(guó)能建數(shù)科集團(tuán)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(guò)鹽的重結(jié)晶功能實(shí)現(xiàn)自愈合，能夠保證儲(chǔ)存空腔的密閉性，這些特性可為儲(chǔ)氣提供一個(gè)巨大而穩(wěn)定的地下密閉空間。

深地儲(chǔ)氣庫(kù)是壓氣儲(chǔ)能工程的決定性因素，要將如此大空間的鹽穴改造成儲(chǔ)氣庫(kù)，還要確?？諝鈮旱眠M(jìn)、儲(chǔ)得住，并非易事。

應(yīng)城地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，當(dāng)?shù)佧}穴多是以水平壓裂方式造腔。中國(guó)能建牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所楊春和院士團(tuán)隊(duì)，以及中國(guó)石油、長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)等建造單位，進(jìn)行跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新，把工程現(xiàn)場(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)室，邊工程實(shí)踐、邊科技創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)與實(shí)驗(yàn)論證來(lái)解決工程實(shí)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(fù)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(guó)際尖端技術(shù)和配套產(chǎn)品包。

“能儲(chǔ)一號(hào)”的成功建設(shè)，驗(yàn)證了水平壓裂形成的鹽穴水平腔用于存儲(chǔ)高壓空氣的可行性，也為我國(guó)在鹽穴采空區(qū)推廣大規(guī)模儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氦、儲(chǔ)天然氣等奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在其建設(shè)過(guò)程中創(chuàng)造的數(shù)十項(xiàng)國(guó)際首創(chuàng)和專利技術(shù)，有力推動(dòng)了壓縮空氣儲(chǔ)能向更高效率、更低成本、更大規(guī)模方向發(fā)展。例如，該項(xiàng)目創(chuàng)新采用的鹽穴沉渣空間儲(chǔ)氣技術(shù)擴(kuò)大了鹽穴的有效儲(chǔ)氣空間，為未來(lái)的鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)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(xiàng)目，都面臨一個(gè)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(wú)法利用。這極大地限制了鹽穴空間的大幅度利用。“能儲(chǔ)一號(hào)”研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立氣液界面計(jì)算的理論基礎(chǔ)，提出沉渣空間計(jì)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(jìn)行井筒植入，通過(guò)高位注氣，把鹵水從沉渣縫隙中“逼”出來(lái)，形成沉渣空隙空間，不僅確保鹽穴壓氣儲(chǔ)能電站沉渣空間注氣排鹵的安全運(yùn)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(xiàng)目還開創(chuàng)了“鹽電聯(lián)營(yíng)”新模式，將在推動(dòng)當(dāng)?shù)匦履茉聪{、實(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)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(guó)紀(jì)檢監(jiān)察報(bào) 本報(bào)記者 陳瑤 通訊員 趙雪明