一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法与流程

本发明涉及储能飞轮，尤其涉及一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法。

背景技术：

1、现有飞轮(碳纤维、玻纤、芳沦)具有重量轻、比能高的优点。缺点是各向异性材料，沿纤维方向强度高、垂直纤维方向强度低，较低的径向强度限制了飞轮转速的提高。

2、随着新能源发电规模的增加，亟需有效的技术方案解决新能源并网后的电网调频调峰问题，火电机组调频迟滞且调频性能参差不齐，水电机组只能参与部分调频功率范围，均具有其自身局限性，大容量电力储能需求也越来越多。国内研究较多并已经工程应用的电力调频调峰方式主要有抽水蓄能和电化学储能，飞轮储能属于工程应用研究初期。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮材料及其制备方法，用以解决现有技术中的飞轮因设计成本高、储能效果差而并未应用于发电机组和电网系统中。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮，该合金钢储能飞轮的组分及组分所占质量百分比分别为：c：0.30-0.35％，cr：1.70-1.90％，mn：0.3-0.5％，ni：3.60-3.75％，mo：0.40-0.50％，v：0.09-0.11％，si≤0.1，s≤0.015％，p≤0.015％；余量为fe和不可避免的杂质。

4、进一步地，合金钢储能飞轮的组分按质量百分比计：c：0.30-0.32％，cr：1.75-1.85％，mn：0.38-0.42％，ni：3.66-3.70％，mo：0.40-0.45％，v：0.1％，si≤0.07％，s≤0.005％，p≤0.007％；余量为fe和不可避免的杂质。

5、另一方面，本发明还提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，用于制备上述的合金钢储能飞轮；该热处理方法包括以下步骤：

6、s1、制备飞轮毛坯锻件并对其进行预备热处理，得到飞轮锻件；

7、s2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；包括以下子步骤：

8、s21、将经过预备热处理后的飞轮锻件以≤80℃/h的速率升温至奥氏体化保温温度835℃±10℃；

9、s22、在835℃±10℃进行保温一定时间；

10、s23、保温结束后进行水冷，根据飞轮锻件的有效截面大小设定水冷时间；

11、s24、水冷结束将飞轮锻件升温至530℃±5℃，进行回火保温；

12、s25、回火保温后降温至≤200℃，出炉。进一步地，在s22步骤中，保温时间为16-18h。

13、进一步地，在s23步骤中，水冷时间为2.5～10h。

14、进一步地，在s24步骤中，飞轮锻件水冷后以≤30℃/h的速率升温至530℃±5℃。

15、进一步地，在s24步骤中，回火保温时间根据飞轮锻件的有效截面长度3.5～4h/100mm设定。

16、进一步地，在s25步骤中，回火保温后以≤10℃/h的速率降温至≤200℃，出炉。

17、进一步地，在s1步骤中，将储能飞轮的原材料经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺，获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，得到飞轮锻件。

18、进一步地，在s1步骤中，预备热处理过程为：900℃正火+650℃回火。

19、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

20、(1)本发明首次将合金钢储能飞轮应用于600mw火电机组储能系统，未查到其他种类的合金钢材料在发电机组和电网储能的应用案例。经本发明提供的热处理方法处理后的合金钢储能飞轮能够满足直径为φ1000～φ2800mm、重量为5～70t物理储能飞轮的抗拉强度≥1240n/mm2的使用需求。该合金钢储能飞轮能够获得室温冲击功≥60j、晶粒度≥4级、均匀回火索氏体组织。

21、(2)现有技术中储能飞轮(其材料采用碳纤维、玻纤、芳沦)为各向异性材料，沿纤维方向强度高、垂直纤维方向强度低，较低的径向强度限制了飞轮转速的提高。与现有技术相比，本发明提供的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的属于整体自由锻造成形，不存在各向异性，径向强度与切向强度一致。

22、(3)本发明提供的直径为1625mm的(有效截面为710mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是500kw/125kwh/15min级，即单次能量转换需要15min。直径为2844mm的(有效截面为1524mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是1000kw/1000kwh/小时级，即单次能量转换需要1小时。本发明提供的储能飞轮能够作为物理电池使用，质量越大，储能越高。

23、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

技术特征：

1.一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮，其特征在于，所述合金钢储能飞轮的组成按质量百分比计为：c：0.30-0.35％，cr：1.70-1.90％，mn：0.3-0.5％，ni：3.60-3.75％，mo：0.40-0.50％，v：0.09-0.11％，si≤0.1，s≤0.015％，p≤0.015％；余量为fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮，其特征在于，所述合金钢储能飞轮的组成按质量百分比计为：c：0.30-0.32％，cr：1.75-1.85％，mn：0.38-0.42％，ni：3.66-3.70％，mo：0.40-0.45％，v：0.09-0.1％，si≤0.07％，s≤0.005％，p≤0.007％；余量为fe和不可避免的杂质。

3.一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，用于制备权利要求1或权利要求2所述的合金钢储能飞轮；所述热处理方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s22步骤中，保温时间为16-18h。

5.根据权利要求3所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s23步骤中，所述水冷时间为2.5～10h。

6.根据权利要求3所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s24步骤中，飞轮锻件水冷后以≤30℃/h的速率升温至530℃±5℃。

7.根据权利要求6所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s24步骤中，回火保温时间根据飞轮锻件的有效截面3.5～4h/100mm设定。

8.根据权利要求3所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s25步骤中，回火保温后以≤10℃/h的速率降温至≤200℃，出炉。

9.根据权利要求3至8所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s1步骤中，将储能飞轮的原材料利用双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺进行锻造成形，锻造后获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，得到飞轮锻件。

10.根据权利要求9所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述s1步骤中，所述预备热处理过程为：900℃正火+650℃回火。

技术总结
本发明公开了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法，属于合金钢储能飞轮设计技术领域；现有技术中的储能飞轮因设计成本高、储能效果差而并未应用于发电机组和电网系统中。本发明提供的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的组分按质量百分比计：C：0.30‑0.35％，Cr：1.70‑1.90％，Mn：0.3‑0.5％，Ni：3.60‑3.75％，Mo：0.40‑0.50％，V：0.09‑0.11％，Si≤0.1，S≤0.015％，P≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的合金钢储能飞轮具有良好的储能性能，能够用于发电机组和电网，实现工程应用的电力调频调峰。

技术研发人员：张国利,张金珠,于秀平,时立佳,徐国涛
受保护的技术使用者：天津重型装备工程研究有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14