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2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术1.中国一重销售总公司工程师，北京100020储能装备产业发展研究郝龙1摘要：风电、光伏等新能源因其发电波动性、间歇性等特点，决定着电力系统中需要大量的调节电源，而储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。通过对机械储能开展研究，为相关装备开发提供参考。关键词：储能装备；机械储能；飞轮储能；抽水蓄能中图分类号：TK02文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0017-03Research on Development of Energy Storage Equipment IndustryHao LongAbstract:The volatility and intermittent characteristics of the new energy resources such as wind power and photovoltaicsstimulates the need for a large number of regulation power resources in the power system,and energy storage is an importanttechnology and provides the basic equipment for supporting the new power system.This paper carries out research onmechanical energy storage,in order to provide reference for the development of related equipment.Key words:Energy storage equipment；mechanical energy storage；flywheel energy storage；pumped storage10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.017储能方式有：机械储能、电化学储能、电磁储能、化学储能和热储能。机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等；电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池；电磁储能包括超级电容器储能和超导储能；化学储能是指利用氢等化学物作为能量载体的储能方式；热储能是将热能储存在隔热容器的媒介中，适时实现热能直接利用或者热发电。1发展环境1.1应用情况储能应用主要分为电源侧、电网侧和用户侧三类。电源侧对储能的需求场景类型较多，包括可再生能源并网、电力调峰、系统调频等；电网侧储能主要用于缓解电网阻塞、延缓输配电扩容升级等；用户侧储能主要用于电力自发自用、峰谷价差套利、容量电费管理和提高供电可靠性等。然而，在实际应用中，储能的某一功能应用并不局限于单一应用场景，以平滑输出、跟踪出力计划为例，可同时应用于电源侧、电网侧和用户侧。1.2政策支持为解决风、光新能源由于不稳定性造成的困难，电力系统的灵活性资源发展得到前所未有的重视。近年来，国家对储能技术支持力度和市场关注度大幅提升。国家发改委、能源局在国家层面出台多项储能政策规划，支持产业发展（见表 1）。同时，在国家能源局 电力并网运行管理规定 、电力辅助服务管理办法 指引下，部分省、区出台辅助服务相关政策（见表 2）。通过完善辅助服务分担制，扩大市场规模，激发灵活性资源配置需求，以市场手段反映灵活性资源的价值。2机械储能目前，在国内已投运电力储能项目中，机械储能装机容量占比最大，具体可分为抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能和其他机械式储能。2.1抽水蓄能（1）国内外发展情况抽水蓄能电站在国外已有一百多年历史，总体58CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY表 1储能行业相关国家政策规划发布时间发布机构文件名称2021 年 5 月国家发改委 关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见 2021 年 7 月国家发改委国家能源局 关于加快推动新型储能发展的指导意见 2021 年 8 月国家发改委国家能源局 电化学储能电站安全管理暂行办法(征求意见稿)2021 年 9 月国家能源局 抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035 年)2021 年 9 月国家能源局 新型储能项目管理规范(暂行)2021 年 12 月国家能源局 电力并网运行管理规定 2021 年 12 月国家能源局 电力辅助服务管理办法 2022 年 3 月国家发改委国家能源局“十四五”新型储能发展实施方案 2022 年 3 月国家发改委国家能源局“十四五”现代能源体系规划 2022 年 3 月国家发改委 氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)2022 年 6 月国家发改委“十四五”可再生能源发展规划 表 22021 年主要地区电力辅助服务相关政策来看，目前国外在运的抽水蓄能电站中，欧美80%以上是在上世纪 6090 年间投产的，主要功能是配合核电运行。本世纪以来，欧洲抽水蓄能略有增长，主要为应对上世纪 90 年代和本世纪初能源需求，以及风电、光伏等波动性电源的高速发展。我国经历 50 多年的发展，在大型水电建设中积累了丰富的工程经验，同时也掌握了先进的机组制造技术。目前，中国已经建成潘家口、十三陵、天荒坪、泰安、宜兴等一批大型抽水蓄能电站。这些大型抽水蓄能电站采用的高水头、高转速、大容量可逆式机组达到世界先进水平。截至 2021 年底，我国已建抽水蓄能装机容量 3 639 万 kW，同比增长15.6%，居世界首位，占电力总装机的 1.5%，同比增加 0.1%。（2）主要制造企业哈电集团从上世纪 90 年代开始发展抽水蓄能机组，经过 20 多年发展，机组容量从 6 万 kW 提高到 40 万 kW，水头从 100 m 提高到 700 m 以上，转速从 100 r/min 提高到 750 r/min，全系列产品发展。截至 2021 年，已参与 22 座抽水蓄能电站、79台套机组的研发制造，总装机容量达到 1500 多万kW，国内市场占有率 40%以上。哈电目前具备年产约 20 台大型抽水蓄能机组的制造、交付、安装服务能力。东方电气集团的常规抽水蓄能技术已达世界先进水平，具有完全自主知识产权。抽水蓄能机组单机容量从 4 万 kW 提高到 37.5 万 kW，水头从 27 m提高到 756 m，转速从 150 r/min 提高到 500 r/min。总装机容量超过 1300 万 kW，国内市场占有率近38%。目前具备年产 1520 台大型抽水蓄能机组的制造、交付、安装服务能力。（3）未来发展预测根据 抽水蓄能中长期发展规划(20212035年)，到 2025 年抽水蓄能电站投产总规模 6 200万 kW，到 2030 年，抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番，达到 1.2 亿 kW。鉴于抽水蓄能电站建设周期一般为 68 年，充分考虑“十四五”期间抽水蓄能电站开工建设量及“十五五”、“十六五”投产目标，预计“十四五”期间建设规模将达到 1 亿 kW，抽水蓄能电站的建设数量将超过序号发布时间文件名称12021 年 1 月湖南省电力辅助服务市场交易规则(试行)22021 年 4 月关于进一步深化河南电力辅助服务市场建设工作的通知32021 年 5 月浙江省第三方独立主体参与电力辅助服务市场交易规则(试行)42021 年 6 月甘肃省电力辅助服务市场运营暂行规则52021 年 9 月山东电力辅助服务市场运营规则(试行)2021 年修订版62021 年 10 月华北电力调峰容量市场运营规则(暂行)72021 年 10 月新型市场主体参与华中电力调峰辅助服务市场规则(试行)82021 年 12 月南方区域电力辅助服务(备用)市场建设方案92021 年 12 月福建省电力调峰辅助服务市场交易规则(试行)102021 年 12 月山西独立储能电站与电力一次调频市场交易实施细则(试行)112021 年 12 月华东电力调峰辅助服务市场运营规则(修订稿)592023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术表 3国外著名飞轮储能电源系统生产商200 个。2.2 飞轮储能（1）国内外发展情况世界上许多国家对飞轮储能技术进行研发和应用。美国、德国、日本等发达国家的飞轮储能技术处于领先地位，其中美国投资最多，规模最大，进展最快（见表 3）。我国自 20 世纪 80 年代开始关注飞轮储能技术，自 90 年代开始关键技术基础研究。截至 2021年，我国已投运的飞轮储能装机规模为 5.7 MW，占新型储能的 0.1%。国内飞轮储能主要在能量回收、特种电源(UPS)等领域得到应用，电力调峰调频、电动汽车充电桩等其他领域应用较少。总体上，我国的飞轮研究应用与国际先进水平有一定差距，一是在基础材料研究方面，二是规模化应用方面，许多成果尚处于实验室阶段。飞轮根据转子材料不同分为钢制转子和碳纤维转子。国内应用以钢制转子为主，碳纤维材料仍存在技术瓶颈。（2）主要制造企业北京泓慧国际能源技术发展有限公司是一家军民融合、航空航天转民用的高科技民营企业，主要技术来源于北京航空航天大学房建成院士飞轮储能研究团队，产品主要应用于保电场所、石油钻井、轨道交通、新能源、微电网、数据中心等领域。华弛动能是中关村国家自主示范区注册的民营企业，在安徽设有研发中心和智能制造基地，核心技术同样来自北京航空航天大学。2021 年 6 月，华驰动能与华北电力大学成立“先进储能技术与控制系统”联合实验室。沈阳微控新能源技术有限公司技术来自美国VYCON 公司，拥有领先的磁悬浮轴承、高速永磁电动机/发电机及电力电子技术，已有近 3 000 台飞轮储能设备安全运行在美国、加拿大、英国、法国、瑞士、巴西等国，稳定运行时间超过 10 万小时。（3）未来发展预测综合可再生能源调峰、电力调频、能量回收、数据中心 UPS 等飞轮储能主要应用市场，预计“十四五”期间飞轮储能年市场容量约 91 亿元，其中电力调频市场占 70%以上。虽然国家对电网调频功率配比有 8%的要求、飞轮储能已进入国家通信业节能技术产品推荐目录，但受制于企业运行、制造成本影响及技术安全等问题，目前飞轮储能实际市场规模与预测规模差距较大，市场未来发展具有不确定性。2.3压缩空气储能（1）国内外发展情况经过近 50 年的生产运作和发展，压缩空气储能已成为除抽水蓄能之外的另一种大规模物理储能技术。相较于电池储能、飞轮储能等储能技术，压缩空气储能具有使用寿命长、储放容量大等优点，能够在实现电网削峰填谷、促进新能源高效消纳、提升电力系统安全性和灵活性等方面发挥重要作用。截至 2021 年，我国已投运的压缩空气储能装机规模为 0.58 GW，占新型储能的 2.3%，存在较大的发展空间。如何提高压缩空气储能效率，获得更好的经济效益，已成为重要研究课题。目前，比较受关注的压缩空气储能技术有盐穴压缩空气储能系统、液态空气储能系统和多能互补压缩空气储能海上电站三种。（2）主要制造企业中储国能是中国科学院工程热物理研究所百兆瓦级压缩空气储能技术的专业化公司，是中国百兆瓦级压缩空气储能发电领域的开拓者，研发团队均源自中国科学研究院工程热物理研究所。公司拥有完全自主知识产权的行业化平台及我国物理储能领域首个国家级研发中心“国家能源大规模物理储能技术研发中心”，具备 1100 MW 级新型压缩空气储能部件实验和系统集成测试能力的研发平台。哈电集团 2021 年通过与清华大学、中国能建江苏院、中盐金坛公司的密切配合，完成了金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目全部蓄热换热设备的研制任务，其油气换热器是目前世界上单台容量最大、温度参数最高的换热器设备，整体技术水平达到国际领先。国家 企业名称产品名称美国 BeaconPowerSmartEnergy、Flywheel美国 VyconRegen美国 PillerPowerbridge美国 ActivePowerCleanSource、Flywheel美国 PowerThruPowerThru德国 RschungszentumKarlsruheGmbh 超导飞轮日本 三菱、日立、精工等研究组合高温超导磁悬浮轴承飞轮储能日本 原子能研究所核融合实验炉飞轮储能系统（下转第 20 页）602023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 18清洗效果比较(a)全自动清洗(b)手动控制清洗矩的安全保护值臆40 N m。4试验验证（1）全自动清洗试验笔者采用主螺栓、螺母模拟体进行自动全流程功能测试。试验结果，单根主螺栓全自动清洗时间为 9 min，效率高，一次同步清洗即可满足设计要求。（2）手动和自动模式切换采用手动单步骤模式清洗试验，设备运转良好，在不同的工作任务下进行手动、自动模式切换，均能满足设计要求（见图 18）。5结语本文湿式全自动清洗工艺具备以下优点：（1）自动化程度高，一次装夹即可完成主螺栓、螺母的分离、清洗、风干、上油、回装的所有工艺，工作效率高；（2）安全保护全面，可保证主螺栓、螺母的安全；（3）清洗效果优于干式清洗及湿式手工清洗方式；（4）采用密封箱体，减少放射性体表污染风险；（5）与干式清洗工艺相比，减少作人员吸入引起内照射风险；（6）与人工清洗工艺相比，单台核电机组主螺栓清洗剂使用量约为 40 L，仅为人工清洗用量（一般为 140 L）的 28%，放射性废液量减少；（7）降低劳动强度。参考文献1 王小彬,米小琴,钟元章,张富源，等.反应堆压力容器设计说明书M.2 曾鹏,杨敏,钟元章,张富源，等.反应堆压力容器使用说明书M.3 洪龙,黄新东,李鑫，等.反应堆压力容器螺栓孔清洗机的研制J.组合机床与自动化加工技术,2013(10):132-134.4 关欣.反应堆压力容器螺栓孔清洗机设计 J.中国新技术新产品,2016(11):60-61.5 机械工程师手册编委会.机械工程师手册 M.第三版.机械工业出版社,2007：1053-1056收稿日期：2023-01-05东方电气集团自主研制的世界首台非补燃压缩空气储能电站透平机组，2022 年 5月在江苏金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目成功并网并稳定运行，实现世界上首次压缩空气零碳发电。东方电气集团提供的核心装备空气动力透平膨胀机，采用最先进的通流设计技术，运行稳定可靠，参数指标优良，效率超过 90%。（3）未来发展预测大型化、规模化是压缩空气储能技术的发展趋势，也是降低成本、提升性能的主要途径。现有110 MW 压缩空气储能容量偏小，还不能满足对储能规模和经济性的要求。因此，迫切需要研发100 MW 级的新型压缩空气储能技术，预计 100MW 级新型压缩空气储能技术的效率可以提高到70%。“十四五”新增新型储能装机约 31.6 GW。预计压缩空气储能在新型储能中占比达到 3%，新增压缩空气储能约 1 GW。3结语目前，以抽水蓄能为代表的传统储能技术加速升级；以飞轮储能、压缩空气储能等为代表的新技术逐渐成熟，示范项目陆续投产。压缩空气储能发展有重大突破，超长时的单机 10 MW 级和 100MW 级压缩空气储能已经并网，正在向单机 300MW 规模前进。从技术成熟度、投资成本、效率等方面综合分析，短期内抽水蓄能项目将会大规模建设；从使用寿命、反应速度看，飞轮储能在电力调频上有一定优势；在环保压力下，压缩空气储能有一定市场发展空间，但是只有效率达到 75%以上才能实现大规模市场化应用；超级电容储能应用范围主要在交通领域；超导储能技术还有待进一步发展；热储能受技术水平、应用场合的限制目前尚难大规模推广应用。收稿日期：2023-02-21（上接第 60 页）20