壓縮空氣儲能系統設計及其熱力學分析

鄧廣義，郭祚剛, ，陳光明

（1中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663；2浙江大學制冷與低溫研究所，浙江 杭州 310027）

作為清潔與可再生資源，風能資源的開發與利用正受到越來越多的關注。據全球風能協會公布的數據[1]，2010年世界范圍內風電的累計裝機容量為194.69 GW，美國總裝機容量為40.18 GW，中國總裝機容量為42.29 GW，中國風電裝機容量位居全球第一位。中國在2011年繼續保持風電裝機容量高增長趨勢，至 2011年底國內風電裝機總量已增至62.93 GW[2]。伴隨著風電快速發展，風電并網難題逐步顯現。2011年中國棄風數據統計顯示[3]，蒙東地區的棄風率已經高達22.99%，吉林省的風電棄風率也高達20.49%，棄風現象已成為制約風電產業進一步發展的瓶頸問題。

電力儲存技術可借由儲能介質在電網負荷低谷期對過剩電力或劣質電力進行儲存，進而在電網負荷高峰期將儲存的能量以優質電力進行輸出。常見的電力儲存技術主要包括電池儲能[4]、超級電容器儲能[5-6]、飛輪儲能[7]、超導電磁儲能[8]、抽水蓄能以及壓縮空氣儲能技術[9-11]。抽水蓄能與壓縮空氣儲能（CAES）具備電力大規模儲存的能力，兩者之中，壓縮空氣儲能技術具有適合水資源匱乏區域使用的特性。世界上第一座壓縮空氣儲能電站于1978年在德國Huntorf投入商業運營，機組輸出功率為290 MW，電站的能量轉換效率為43%[12]。美國于1991年在Alabama州投運了世界第二座壓縮空氣電站，機組輸出功率為110 MW，電站在德國Huntorf電廠設計經驗基礎上采用了煙氣回熱技術，儲能電站效率提升至 54%[13]。中國科學院工程熱物理所設計的 1.5 MW 級超臨界壓縮空氣儲能系統于2013年7月完成168 h運行試驗，成為國內第一座超臨界壓縮空氣儲能示范電站[14]。在壓縮空氣儲能技術的研究方面，國內外學者也開展了相應的研究工作。劉文毅等[15]在 CAES電站性能計算以及效益評價等方面都做了較多的研究工作。陳海生及徐玉杰等[16-18]進行了風光互補的壓縮空氣儲能與發電系統特性分析并申請了超臨界空氣儲能系統專利。楊科等[19]對絕熱壓縮空氣儲能系統進行了設計與理論計算。Beaudin等[20-21]指出可再生電力直接并入電網會影響電網的穩定性，研發壓縮空氣儲能技術對改善新能源電力品質具有重要意義。

本文依托開口系統的穩定流動能量方程以及絕熱方程等熱力學分析手段展開了壓縮空氣儲能系統的特性分析研究。結合多級壓縮-級間冷卻技術降低儲能階段系統能耗，通過釋能環節回熱技術的優化利用，以回熱器替代高壓燃燒器，大幅降低儲能系統的整體熱耗。

1 研究及分析方法

本文結合開口系統的能量守恒方程進行壓縮空氣儲能系統的設計及熱力學分析研究。在能量儲存階段，結合多級壓縮-級間冷卻技術進行了儲能階段的設計，同時采用等壓縮比的多級壓縮設計方案來降低儲能能耗。釋能系統主要由兩級透平構成，低壓透平機組以GE 9171E燃機參數為參考。文中涉及的理論方程以及術語定義如下。

開口系統的穩定流動能量方程

理想工質絕熱過程做功方程

儲能系統熱耗定義

式中，Q為消耗天然氣熱量，kJ；E為發出電能，kW·h。

式中，η為儲能系統能量轉化效率；Wout為釋能階段透平機組輸出的總功，kJ；Win為儲能階段壓縮機組消耗總功，kJ；Qin為通過燃燒室由天然氣提供的熱量，kJ。

2 結果與討論

2.1 壓縮空氣儲能系統

設計的壓縮空氣儲能系統如圖 1所示，空氣壓縮過程由三級壓氣機完成，配備了級間冷卻器與級后冷卻器。壓氣機入口空氣工質參數為0.1 MPa/298.15 K，冷卻器將壓縮后的高溫空氣降溫至298.15 K，再進行多級壓縮，三級壓氣機總設計功率為56.58 MW。儲氣空間簡化為等溫充氣模型（298.15 K），儲氣容積為41000 m3，可在100 kg/s的充氣流量下儲能12 h（儲氣溶洞內空氣壓力由0.1 MPa上升至8.64 MPa）。壓縮空氣做功流量設計值為200 kg/s，配備了兩級透平，第一級透平入口參數為4.0 MPa/773.15 K，第二級透平入口參數為1.24 MPa/ 1402.15 K，兩級透平總輸出功率為154.76 MW。

圖1 壓縮空氣儲能系統流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of CAES system

2.2 儲能階段工質參數及耗功特性分析

如圖1所示的壓縮空氣儲能系統，儲能階段由單級增壓比為 4.481的三級壓氣機構成，空氣工質由入口的0.1 MPa壓縮至9.0 MPa，再經后置冷卻器降溫至9.0 MPa/298.15 K后注入容積為41000 m3的地下儲氣空間。表1列出了儲能階段壓縮機組耗功以及壓縮空氣的溫度與壓力參數?？諝夤べ|進入壓氣機CP1后，在絕熱效率為0.85的條件下由狀態0.1 MPa/298.15K壓縮至狀態0.448 MPa/485.81 K，經CP1后冷卻器等壓冷卻至0.448 MPa/298.15 K，再次進入壓氣機CP2完成第二級壓縮。在絕熱效率0.85的設計狀態下，儲能階段總耗功量為565.79 kJ/kg，消耗的總電功率為56.58 MW。

表1 儲能階段的壓氣機耗功及壓縮空氣參數Table 1 Power consumption and air parameter for energy storage stage

2.3 釋能階段熱力學過程及熱耗特性分析

熱耗是衡量壓縮空氣儲能技術經濟性的重要指標之一，通過熱耗數據可以直觀獲得機組每輸出1 kW·h電能需要消耗天然氣的熱量。合理布置回熱器及回熱參數可有效回收透平煙氣內的余熱，從而降低整套壓縮空氣儲能系統所需外部供熱量。圖2為本文設計儲能系統的釋能過程熱力學過程曲線，表2為工質的相應溫度值。透平EP1入口工質參數為4.0 MPa/773.15 K，透平EP2參考燃機GE 9171E（相對內效率為0.82）選取入口工質參數為1.24 MPa/1402.15 K，透平EP2的實際排氣溫度為812.41 K。

圖2 帶回熱的壓縮空氣膨脹做功熱力過程曲線Fig.2 Thermodynamic curve for energy releasing stage with heat recovery

表2 熱力學過程曲線相應部位的溫度值Table 2 Temperature values in thermodynamic curve

在此套儲能系統的配置參數下，透平EP2的排氣溫度812.41 K較透平EP1入口溫度773.15 K高出39.26 K，因而將透平EP1入口工質由氣源溫度T1加熱至T2所需熱量可完全由透平EP2尾氣余熱提供。

表3提供了儲能系統功率輸出及熱耗特性數據。工質在透平EP1內可逆絕熱做功能力為220.98 kJ/kg，在透平EP2內可逆絕熱做功能力為722.80 kJ/kg，兩級透平在相對內效率為 0.82時，可對外輸出功率154.76 MW。透平EP1工質由回熱器供熱，透平EP2工質由低壓燃燒器再熱，在此套設計方案下壓縮空氣儲能系統的熱耗可降低至 3783.96 kJ/(kW·h)，低于美國 Dresser-Rand公司推廣的商業化 Smart CAES儲能系統熱耗[熱耗為4114.50 kJ/(kW·h)][22]。在綜合考慮多級壓縮-級間冷卻以及依托回熱器替代透平高壓燃燒器的技術方案下，設計的儲能功率為56.58 MW、釋能功率為154.76 MW的壓縮空氣儲能系統可以實現56.11%的能量轉換效率。

表3 釋能階段透平功率輸出及熱耗特性數據Table 3 Output and heat rate for energy releasing stage

3 結 論

本文對具備電能規?；瘍Υ婺芰Φ膲嚎s空氣儲能系統進行了熱力學分析，同時結合多級壓縮-級間冷卻以及回熱技術設計了儲能功率為 56.58 MW，釋能功率為154.76 MW的儲能系統。研究結果表明，在能量儲存階段依托三級壓氣機可在耗功56.58 MW條件下，獲取流量為100 kg/s、壓力為9.0 MPa的壓縮空氣氣流。在釋放壓縮空氣推動透平做功時，以第二級透平812.41 K高溫煙氣對做功氣源進行加熱時，可無需高壓燃燒器補充額外熱量。綜合儲能及釋能環節的優化設計，壓縮空氣儲能系統初次儲能時可在56.58 MW功率下連續儲能12 h，在154.76 MW功率下連續釋放電力3h（儲氣溶洞內壓縮空氣壓力降為4.13 MPa），系統的熱耗為3783.96 kJ/(kW·h)，整套壓縮空氣儲能系統的能量轉換效率也高達56.11%。

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