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未來也許不需要退出燃煤發電,美國國家實驗室正在創新技術

2018-10-4 11:04:26      點擊:

美國的國家能源技術實驗室正在尋求雄心勃勃的技術創新,這將為美國煤電發電充電,通過燃料多樣性提高電網可靠性和彈性。實驗室的研究員Bo Liu就是負責實驗室的激光加熱基座生長(LHPG)系統。由光纖制成的創新傳感器,例如使用LHPG系統創建的傳感器,為先進煤電系統提高效率和優化性能提供了新的可能性。

 

為了保持經濟可行性,現有的煤電設施必須通過減少停機時間來提高效率以降低成本并同時確保其可靠性。考慮到這一點,美國能源部化石能源辦公室于2018年啟動了一項計劃,以競爭性資助研發(RD)工作,提高現有船隊的效率,可靠性和排放,為下一代燃煤奠定基礎結構設計。

 

國家能源技術實驗室負責領導這項工作,并與業內利益相關方合作開展內部開拓性研究和分析,以確保煤炭在未來幾年的生存能力。重點研發工作主要集中在以下技術領域:

 

高性能材料。先進的燃燒系統在將煤轉化為能源方面具有顯著的優勢,效率更高,對環境的影響更小,但它們需要苛刻的條件即腐蝕性條件和高達1600攝氏度的溫度,是對鍋爐,渦輪機現有材料的極限和其他組件的挑戰。因為這些材料必須經受在反復加熱和冷卻時發生的膨脹和收縮。考慮到意外的材料失效是推動燃煤發電強制停工的關鍵因素,國家能源技術實驗室的研究人員正致力于開發用于這些系統中的超超臨界鍋爐和渦輪機的高級合金。

 

傳感器和控制器。國家能源技術實驗室科學家正在開發新型傳感器,監測鍋爐,渦輪機,氣化器和其他發電廠組件。在極端條件下,實時測量壓力,溫度,燃料成分和其他關鍵參數。分布式控制處理監測到的數據并為能源系統的運營商提供重要信息,使他們能夠及時采取措施提高效率。國家能源技術實驗室專家致力于將數據分析和機器學習整合到智能控制中,以便根據運行條件優化性能。實驗室正在研究使用高適應性光纖傳感器,它可以長距離傳輸信號而不會產生電磁干擾。開發的激光加熱基座生長系統使研究人員能夠制造光纖傳感器,以便在燃煤電力系統的挑戰環境中發揮作用。先進的傳感器和控制裝置可以改善負載跟蹤能力,限制循環期間的材料損壞,最大限度地減少溫室氣體排放,并通過預測性維護解決潛在問題

 

模擬仿真工程。國家能源技術實驗室正在創建先進的計算工具,可應用于原子,設備,流程,電網和市場規模,以支持現有車隊并加速化石燃料技術的部署。這些工具使研究人員能夠模擬工程設備和系統在現實世界中的工作方式,從而更好地預測和優化性能。通過這樣做,科學家可以通過將工作重點放在最可行的解決方案上來限制成本并加快研發工作。這些工具研究了多相流科學,先進的過程系統工程,材料的計算建模以及確保化石能源技術成功所必需的其他領域。一個例子是碳捕集模擬計劃工具集,一套計算工具和模型,旨在降低碳捕獲技術在放大過程中的成本和風險。RD100屢獲殊榮的工具集最近作為開源軟件發布,允許行業,政府和學術界的利益相關者自由使用,修改和定制軟件,以支持碳捕獲和相關技術的開發。先進能源系統設計研究所(IDAES)在此成功的基礎上,通過收集國家實驗室和領先的研究型大學的最佳系統建模和優化能力,在國家能源技術實驗室公認的領導下,開發旨在加速創新的下一代建模和優化平臺,重點關注并優先考慮研發,提高現有車隊的效率和可靠性。

 

這些努力的成功結合水管理研發和創新能源概念的應用將確保煤基電力設施能夠以電網所需的速率有效地循環和發電,同時保持高水平的可靠性和環境性能。工業技術提供商,煤炭供應商和發電機聯盟的支持和參與對于確保國家能源技術實驗室創新技術的成功商業采用和廣泛部署至關重要。該實驗室正在與現有的煤電廠運營商和其他外部合作伙伴合作,以確保研究工作的相關性,并進行快速的早期測試和部署。

 

由于國家能源技術實驗室致力于通過為現有設施開發創新技術來保護關鍵的燃煤發電,研究人員還致力于徹底改革下一代燃煤電廠。事實上,實驗室對現有的燃煤電廠提供的許多新興解決方案包括新型傳感器,控制裝置和材料等也可以應用于未來的建筑中。

 

根據未來電網不斷變化的需求,美國能源部化石能源辦公室(FE)于2018年中期發布了信息請求(RFI),尋求改善燃煤鍋爐蒸汽動力循環的方法。所提供的信息有助于能源技術實驗室努力開發下一代燃煤發電廠,提供穩定的發電,具有操作靈活性,高效率和低排放。這些信息將幫助研究人員滿足所設想的未來煤電廠的具體標準。與現有發電相比,這些系統將更小,更模塊化,更靈活。能夠根據電力需求的頻繁變化進行快速調整。它們還可以提高效率,在更高的溫度和壓力下運行。減少運營規模可以降低投資成本并加快商業化進程,但這樣做往往會帶來效率的折衷。專注于小一代將開發高效,靈活的電力系統,減少排放,以確保在未來幾十年內負擔得起,負責任地使用化石燃料。

 

煤電對國家的健康,安全和保障至關重要。國家能源技術實驗室通過開創性的研發改造現有和未來燃煤電廠的工作,對于保持生活質量和滿足不斷增長的電力需求是必不可少的,因為美國正朝著更加多樣化的能源未來邁進。化石能源技術的創新也提供了寶貴的經濟機會,可以激發對現有工廠和新設施的投資,保留可能關閉的工廠的工作,在最先進的建筑中創造工作,并通過開發新材料重振制造業和技術。能源技術實驗室的開創性技術解決方案最終將通過使煤炭行業能夠適應不斷變化的需求來最終促進國家的繁榮。

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