中科院自研「100兆瓦壓縮空氣儲能系統膨脹機」通過集成測試

2021-01-11 儀器網

集成測試也叫組裝測試或聯合測試。在單元測試的基礎上,將所有模塊按照設計要求(如根據結構圖)組裝成為子系統或系統,進行集成測試。集成測試的目標是按照設計要求使用那些通過單元測試的構件來構造程序結構。單個模塊具有高質量但不足以保證整個系統的質量。有許多隱蔽的失效是高質量模塊間發生非預期交互而產生的。包括1、功能性測試:使用黑盒測試技術針對被測模塊的接口規格說明進行測試;2、非功能性測試。對模塊的性能或可靠性進行測試。

7月21日,中國科學院工程熱物理所研發的100兆瓦先進壓縮空氣儲能系統膨脹機的成功通過集成測試。研究團隊突破了系統全工況設計與控制、多級高負荷壓縮機和膨脹機、高效超臨界蓄熱換熱等關鍵技術。該膨脹機具有集成度高、效率高及壽命長等優點,是我國壓縮空氣儲能領域的重要裡程碑。

儲能技術主要是電能的儲存。儲存的能量可以用做應急能源,也可以用於在電網負荷低的時候儲能,在電網高負荷的時候輸出能量,用於削峰填谷,減輕電網波動。能量有多種形式,包括輻射,化學的,重力勢能,電勢能,電力,高溫,潛熱和動力。 能量儲存涉及將難以儲存的形式的能量轉換成更便利或經濟可存儲的形式。

壓縮空氣儲能系統

壓縮空氣,即被外力壓縮的空氣。空氣具有可壓縮性,經空氣壓縮機做機械功使本身體積縮小、壓力提高後的空氣叫壓縮空氣。壓縮空氣是一種重要的動力源。與其它能源比,它具有下列明顯的特點:清晰透明,輸送方便,沒有特殊的有害性能,沒有起火危險,不怕超負荷,能在許多不利環境下工作,空氣在地面上到處都有,取之不盡。

壓縮空氣是僅次於電力的第二大動力能源,又是具有多種用途的工藝氣源,其應用範圍遍及石油、化工、冶金、電力、機械、輕工、紡織、汽車製造、電子、食品、醫藥、生化、國防、科研等。

壓縮空氣儲能系統通過壓縮空氣存儲多餘的電能,在需要時,將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發電,在電力的生產、運輸和消費等領域具有廣泛的用途,是大規模儲能技術的研發熱點。

在電網負荷低谷期將電能用於壓縮空氣,將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中,在電網負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發電的儲能方式。

自1949年StalLaval提出利用壓縮空氣儲能以來,國內外學者進行了大量的研究。世界上已有兩座大型傳統的壓縮空氣儲能電站投入運營。1978年,第一臺商業運行的壓縮空氣儲能機組在德國的亨託夫誕生。1991年5月第二座電站在美國阿拉巴馬州麥金託夫市投入運行。關於壓縮空氣儲能系統的形式也是多種多樣,按照工作介質、存儲介質與熱源可以分為:傳統壓縮空氣儲能系統(需要化石燃料燃燒)、帶儲熱裝置的壓縮空氣儲能系統、液氣壓縮儲能系統。

完整的壓縮空氣系統

壓縮空氣系統:組成由供氣端至用氣端組成如下。

空氣壓縮機→儲氣罐→過濾器→乾燥機→輸氣管道→用氣埠

壓縮空氣是通過空氣壓縮機來產生的。

(1)壓縮機,大氣壓力的空氣被壓縮並以較高的壓力輸給氣動系統。這種就把機械能轉變為氣壓能。

(2)電動機,給壓縮機提供機械能,它是把電能轉變成機械能。

(3)壓力開關,將儲氣罐內的壓力來控制電動機,它被調節到一個最高壓力;達到這個壓力就停止電動機,也被調節另一個最低壓力,儲氣罐內壓力跌到這個壓力就重新啟動電動機。

(4)單向閥,讓壓縮空氣從壓縮機進入氣罐,當壓縮機關閉時,阻止壓縮空氣反方向流動。

(5)儲氣罐,貯存壓縮空氣。它的尺寸大小由壓縮機的容量來決定,儲氣罐的容積愈大,壓縮機運行時間間隔就愈長。

(6)壓力表,顯示儲氣罐內的壓力。

(7)自動排水器,無需人手操作,排掉凝結在儲氣罐內所有的水。

(8)安全閥。當儲氣罐內的壓力超過允許限度,可將壓縮空氣排出。

(9)冷凍式空氣乾燥器,將壓縮空氣致冷到零上若干度,使大部分空氣中的溼氣凝結。這就免除了後面系統中的水份。

(10)主管道過濾器,在主要管路中,主管道過濾器必須具有最小的壓力降和油霧分離能力。它使管道內清除灰塵、水份和油。

膨脹機

是利用壓縮氣體膨脹降壓時向外輸出機械功使氣體溫度降低的原理以獲得冷量的機械。膨脹機常用於深低溫設備中。膨脹機按運動形式和結構分為活塞膨脹機和透平膨脹機兩類。活塞膨脹機主要適用於高壓力比和小流量的中小型高、中壓深低溫設備。當氣體具有一定的壓力和溫度時,就具有由壓力而體現的勢能和由溫度所體現的動能,這兩種能量總稱為內能。膨脹機主要的作用是利用氣體在膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功消耗氣體本身的內能,使氣體的壓力和溫度大幅度降低達到製冷與降溫的目的。

膨脹機的主要工作在噴嘴及葉輪中完成,當高速、低溫的氣體通過葉輪通道時,由於葉輪高速轉動,使氣體速度很快下降。同時,氣體在不斷變大的通道中流動時,因為壓力與速度下降使氣體內能降低,氣體溫度進一步大幅度降低,達到降溫與製冷的目的。由於膨脹機葉輪的飛速轉動,帶動了與膨脹機葉輪在同一軸上另一端的壓縮機葉輪轉動,壓縮機葉輪的轉動壓縮了通過增壓機葉輪的氣體,壓縮機葉輪不僅壓縮了氣體、利用了膨脹機發出的功率,同時控制了膨脹機的轉速。膨脹機與活塞膨脹機相比,具有流量大、結構簡單、體積小、效率高和運轉周期長等特點,適用於大中型深低溫設備。

膨脹機的主要類型

1、活塞型

使氣體在可變容積中膨脹,輸出外功製冷的膨脹機(通常由電動機制動吸收外功)。這種膨脹機分立式和臥式兩種。採用較多的是立式結構,曲軸、連杆、十字頭、活塞、進氣閥和排氣閥等是運動件,分別裝在機身、氣缸和中間座中,其作用近似於往復活塞壓縮機,但其進、排氣閥系借進、排氣凸輪定時啟閉。活塞膨脹機由於存在進、排氣閥流動阻力、不完全膨脹、摩擦熱、外熱與內部熱交換等引起的冷量損失,一般絕熱效率為:高壓膨脹機65~85%,中壓膨脹機60~70%。20世紀50年代相繼出現的不用凸輪傳動機構的無閥和單閥膨脹機,減少了膨脹機的運動件,提高了機器運轉可靠性,已在小型深低溫設備上得到廣泛的應用。60年代,採用加填充劑的聚四氟乙烯密封元件代替用油潤滑的金屬制密封元件,避免潤滑油帶入深低溫精餾區或液化區,保證了安全。

2、透平型

以氣體膨脹時速度能的變化來傳遞能量的膨脹機。這種膨脹機有單級和雙級、立式和臥式、衝動式和反動式之分。一般採用單級向心徑流反動式,傳出的外功由發電機、鼓風機或油制動器所吸收。它近似於單級離心壓縮機,但具有調節進氣量用的(可調葉片)導流器。低速軸承用油強制潤滑,高速的採用氣體軸承。透平膨脹機由於有噴嘴損失、葉輪損失、餘速損失、輪盤摩擦損失、洩漏損失、竄流損失和外熱侵入損失,一般絕熱效率為:中壓膨脹機65~75%,低壓膨脹機75~85%。60年代已製成帶液膨脹機,大多用於天然氣分離設備。

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