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压缩空气储能技术原理

文章出处:人气:15发表时间:2020-3-30 15:40:28

压缩空气储能被公认为是一种比较适合大规模系统的储能技术。本文对压缩空气储能的技术原理和发展现状进行了简要讲解,包括工作原理、工作过程、关键技术、发展现状、应用领域等。

储能通过一定介质存储能量(主要是电能),在需要时将所存能量释放,以提高能量系统的效率、安全性和经济性。储能是目前制约可再生能源大规模利用的最主要瓶颈之一,也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性以及分布式能源系统和智能电网的关键技术,因此成为了当前电力和能源领域的研发和投资热点。

压缩空气储能和抽水蓄能被公认为是比较适合大容量和长时间电能存储的储能系统。压缩空气储能系统通过压缩空气储存多余的电能,在需要时,将高压空气释放通过膨胀机做功发电。自从1949年StalLaval提出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来,国内外学者开展了大量的研究和实践工作,并已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行。另外日本、意大利、以色列等国也分别有压缩空气储能电站正在建设过程中。我国对压缩空气储能系统的研发虽然起步较晚,但已得到相关科研院所、电力企业和政府部门的高度重视,是目前大规模储能技术的研发热点。

本文将对压缩空气储能的技术原理和发展现状做简要讲解。

1技术原理

压缩空气储能是基于燃气轮机技术提出的一种能量存储系统。图1为燃气轮机的工作原理图,空气经压气机压缩后,在燃烧室中利用燃料燃烧加热升温,然后高温高压燃气进入透平膨胀做功。燃气轮机的压气机需消耗约2/3的透平输出功,因此燃气轮机的净输出功远小于透平的输出功。压缩空气储能系统的压缩机和透平不同时工作(图2和图3),在储能时,压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并存于储气室中;在释能时,高压空气从储气室释放,进入燃烧室利用燃料燃烧加热升温后,驱动透平发电。由于储能、释能分时工作,在释能过程中,并没有压缩机消耗透平的输出功,因此,相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统,压缩空气储能系统可以多产生2倍甚至更多的电力。压缩空气储能具有适用于大型系统(100MW级以上)、储能周期不受限制、系统成本低、寿命长等优点;但存在对大型储气室、化石燃料的依赖等问题。压缩空气储能的工作过程同燃气轮机类似,如图4所示。假定压缩和膨胀过程均为单级过程[图4(a)],则压缩空气储能系统的工作过程主要包括如下4个。

(1)压缩过程1—2空气经压缩机压缩到一定的高压,并存于储气室;理想状态下空气压缩过程为绝热压缩过程1—2,实际过程由于不可逆损失为1—2'。

(2)加热过程2—3高压空气经储气室释放,同燃料燃烧加热后变为高温高压的空气;一般情况下,该过程为等压吸热过程。

(3)膨胀过程3—4高温高压的空气膨胀,驱动透平发电;理想状态下,空气膨胀过程为绝热膨胀过程3—4,实际过程由于不可逆损失为3—4'。

(4)冷却过程4—1空气膨胀后排入大气,然后下次压缩时经大气吸入;这个过程为等压冷却过程。

压缩空气储能系统同燃气轮机系统的工作过程的主要区别在于:①燃气轮机系统上述4个过程连续进行,即图4(a)中4个过程完成一个回路,而压缩空气储能系统中压缩过程1—2同加热和膨胀过程(2—3—4)不连续进行,中间为空气存储过程;②燃气轮机系统不存在空气存储过程,压缩空气在储气室中的存储过程在图中没有示出,一般情况下压缩存储过程中温度会有所少量降低,但容积保持不变,在热力学上是一个定容冷却过程。

压缩空气储能系统实际工作时,常采用多级压缩和级间/级后冷却、多级膨胀和级间/级后加热的方式,其工作过程如图4(b)所示。图4(b)中,过程2'—1'和过程4'—3'分别表示压缩的级间冷却和膨胀过程级间加热过程。

2关键技术

压缩空气储能系统一般包括6个主要部件:①压缩机,一般为多级压缩机带中间冷却装置;②膨胀机,一般为多级透平膨胀机带级间再热设备;③燃烧室及换热器,用于燃料燃烧和回收余热等;④储气装置,地下或者地上洞穴或压力容器;⑤电动机/发电机,通过离合器分别和压缩机以及膨胀机联接;⑥控制系统和辅助设备,包括控制系统、燃料罐、机械传动系统、管路和配件等。

压缩空气储能系统的关键技术包括高效压缩机技术、膨胀机(透平)技术、燃烧室技术、储气技术和系统集成与控制技术等。压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统的核心部件,其性能对整个系统的性能具有决定性影响。尽管压缩空气储能系统与燃气轮机类似,但压缩空气储能系统的空气压力比燃气轮机高得多。因此,大型压缩空气储能电站的压缩机常采用轴流与离心压缩机组成多级压缩、级间和级后冷却的结构形式;膨胀机常采用多级膨胀加中间再热的结构形式。相对于常规燃气轮机,压缩空气储能系统的高压燃烧室的压力较大。因此,燃烧过程中如果温度较高,可能产生较多的污染物,因而高压燃烧室的温度一般控制在500℃以下。压缩空气储能系统要求的压缩空气容量大,通常储气于地下盐矿、硬石岩洞或者多孔岩洞,对于微小型压缩空气储能系统,可采用地上高压储气容器以摆脱对储气洞穴的依赖等。

3发展现状

目前,世界上已有两座大型压缩空气储能电站投入商业运行。第一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站(图5),目前仍在运行中。机组的压缩机功率60MW,释能输出功率为290MW,系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中,矿洞总容积达3.1×105m3,压缩空气的压力最高可达100bar(1bar=105Pa)。机组可连续充气8h,连续发电2h。第二座是于1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站(图6)。其地下储气洞穴在地下450m,总容积为5.6×105m3,压缩空气储气压力为7.5MPa。该储能电站压缩机组功率为50MW,发电功率为110MW,可以实现连续41h空气压缩和26h发电。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。

美国Ohio州Norton从2001年起开始建一座2700MW的大型压缩空气储能商业电站,该电站由9台300MW机组组成。压缩空气存储于地下670m的地下岩盐层洞穴内,储气洞穴容积为9.57×106m3。日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目,位于北海道空知郡,输出功率为4MW,是日本开发400MW机组的工业试验用中间机组。它利用废弃的煤矿坑(约在地下450m处)作为储气洞穴,最大压力为8MPa。瑞士ABB公司(现已并入阿尔斯通公司)正在开发联合循环压缩空气储能发电系统。目前除德国、美国、日本、瑞士外,俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。

我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚,但随着电力储能需求的快速增加,相关研究逐渐被一些大学和科研机构所重视。中国科学院工程热物理研究所、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学等单位对压缩空气储能电站的热力性能、经济性能、商业应用等进行了研究,但大多集中在理论和小型实验层面。中国科学院工程热物理研究所正在开展1.5MW先进压缩空气储能示范工作。

4应用领域

CAES最初的主要目的是用于电网调峰和调频,如德国Huntorf电站和美国McIntosh电站的建设就是用来调峰调频,随着CAES技术及相关技术的发展和微型CAES(10~50MW)的出现,CAES应用越来越广泛,在可再生能源、分布式能源、汽车、UPS电源等方面得到了应用。

(1)调峰大规模  CAES最重要的应用就是电网调峰和调频,用于调峰的CAES电站可分为两类,在电网中独立的CAES电站和与电站匹配的CAES系统。

(2)调频CAES  另一个很重要的应用就是电网调频,CAES电站可以像其它燃气轮机电站、抽水蓄能电站、火电站一样起到调频作用。由于其用的是低谷电能,可做电网第一调频厂运行。当其与其它储能技术如超级电容、飞轮储能结合时,调频速度更快。

(3)可再生能源  通过CAES可以将间断的可再生能源储存起来,在用电高峰期释放,起到促进可再生能源大规模利用和提供高峰电量的作用等。主要包括与风电结合的CAES,与太阳能/光伏结合的CAES,以及与生物质结合的CAES等。

(4)分布式能源  系统大电网与分布式能源系统相结合是未来高效、低碳、高安全性能源系统的发展趋势。储能系统作为负荷平衡装置和备用电源等是解决分布式能源系统波动大、故障率高等缺点的主要途径。由于CAES由于其与制冷/制热/冷热电联产系统很容易结合的优点,在分布式能源系统中将有很好的应用。

(5)其它应用  CAES在汽车动力、UPS电源等方面有广泛的应用前景。

5发展趋势

压缩空气储能在容量、功率等级、放电时间、成本等方面都与抽水蓄能技术相近,特别在要求大规模(如数百兆瓦)储能而又没有条件实施抽水蓄能的情况下,压缩空气储能将有广阔的应用前景。2010年,美国著名的咨询公司PikeResearch发布了他们对压缩空气储能的2010—2020年的预测。由于压缩空气储能在大规模储能技术的3个主要参数:容量或额定功率(数百兆瓦),放电时间(数或数十小时)以及能源成本(数百美元/千瓦时)方面表现优秀,PikeResearch公司估计,压缩空气储能系统市场将从2010年的453MW增加到2020年的近7GW。

同时,我们也必须看到常规压缩空气储能存在对大型储气室、化石燃料的依赖等问题,必须在地形条件和供气保障的情况下才可能得到大规模应用。带储热的压缩空气储能系统(AA-CAES),除去了燃烧室,具有效率高、无污染的特点,并可以方便地和太阳能热发电系统结合,是压缩空气储能技术的重要发展方向。液态空气储能系统(LAES)和超临界空气储能系统(SCAES)将空气在液态下存储,大幅减小储气室的体积,从而摆脱对大型地下储气室的限制,也是压缩空气储能技术的重要发展方向。小型压缩空气储能系统结构简单,功能灵活。它利用高压容器代替储气洞穴,能够摆脱传统压缩空气储能系统对地形的依赖,可以用于备用电源、汽车动力和分布式供能系统等,具有广泛的应用前景。压缩空气储能与可再生能源的耦合系统可以解决可再生能源的间断性和不稳定性问题,是提高风能、太阳能等可再生能源大规模利用的迫切需要,将是压缩空气储能技术的近期主要发展方向。

来源:《压缩空气储能技术原理》

作者:陈海生,刘金超,郭欢,徐玉杰,谭春青

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