壓縮空氣儲能系統(tǒng)設(shè)計及其熱力學(xué)分析

鄧廣義，郭祚剛, ，陳光明

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

作為清潔與可再生資源，風(fēng)能資源的開發(fā)與利用正受到越來越多的關(guān)注。據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)[1]，2010年世界范圍內(nèi)風(fēng)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(fēng)電裝機容量位居全球第一位。中國在2011年繼續(xù)保持風(fēng)電裝機容量高增長趨勢，至 2011年底國內(nèi)風(fēng)電裝機總量已增至62.93 GW[2]。伴隨著風(fēng)電快速發(fā)展，風(fēng)電并網(wǎng)難題逐步顯現(xiàn)。2011年中國棄風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示[3]，蒙東地區(qū)的棄風(fēng)率已經(jīng)高達(dá)22.99%，吉林省的風(fēng)電棄風(fēng)率也高達(dá)20.49%，棄風(fēng)現(xiàn)象已成為制約風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題。

電力儲存技術(shù)可借由儲能介質(zhì)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期對過剩電力或劣質(zhì)電力進(jìn)行儲存，進(jìn)而在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期將儲存的能量以優(yōu)質(zhì)電力進(jìn)行輸出。常見的電力儲存技術(shù)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(dǎo)電磁儲能[8]、抽水蓄能以及壓縮空氣儲能技術(shù)[9-11]。抽水蓄能與壓縮空氣儲能（CAES）具備電力大規(guī)模儲存的能力，兩者之中，壓縮空氣儲能技術(shù)具有適合水資源匱乏區(qū)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(yè)運營，機組輸出功率為290 MW，電站的能量轉(zhuǎn)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(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上采用了煙氣回?zé)峒夹g(shù)，儲能電站效率提升至 54%[13]。中國科學(xué)院工程熱物理所設(shè)計的 1.5 MW 級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)于2013年7月完成168 h運行試驗，成為國內(nèi)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(shù)的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了相應(yīng)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(jìn)行了風(fēng)光互補的壓縮空氣儲能與發(fā)電系統(tǒng)特性分析并申請了超臨界空氣儲能系統(tǒng)專利。楊科等[19]對絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與理論計算。Beaudin等[20-21]指出可再生電力直接并入電網(wǎng)會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，研發(fā)壓縮空氣儲能技術(shù)對改善新能源電力品質(zhì)具有重要意義。

本文依托開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程以及絕熱方程等熱力學(xué)分析手段展開了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的特性分析研究。結(jié)合多級壓縮-級間冷卻技術(shù)降低儲能階段系統(tǒng)能耗，通過釋能環(huán)節(jié)回?zé)峒夹g(shù)的優(yōu)化利用，以回?zé)崞魈娲邏喝紵?，大幅降低儲能系統(tǒng)的整體熱耗。

1 研究及分析方法

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

開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動能量方程

理想工質(zhì)絕熱過程做功方程

儲能系統(tǒng)熱耗定義

式中，Q為消耗天然氣熱量，kJ；E為發(fā)出電能，kW·h。

式中，η為儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)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(jié)果與討論

2.1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)

設(shè)計的壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(zhì)參數(shù)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(jìn)行多級壓縮，三級壓氣機總設(shè)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(nèi)空氣壓力由0.1 MPa上升至8.64 MPa）。壓縮空氣做功流量設(shè)計值為200 kg/s，配備了兩級透平，第一級透平入口參數(shù)為4.0 MPa/773.15 K，第二級透平入口參數(shù)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(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of CAES system

2.2 儲能階段工質(zhì)參數(shù)及耗功特性分析

如圖1所示的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，儲能階段由單級增壓比為 4.481的三級壓氣機構(gòu)成，空氣工質(zhì)由入口的0.1 MPa壓縮至9.0 MPa，再經(jīng)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(shù)?？諝夤べ|(zhì)進(jìn)入壓氣機CP1后，在絕熱效率為0.85的條件下由狀態(tài)0.1 MPa/298.15K壓縮至狀態(tài)0.448 MPa/485.81 K，經(jīng)CP1后冷卻器等壓冷卻至0.448 MPa/298.15 K，再次進(jìn)入壓氣機CP2完成第二級壓縮。在絕熱效率0.85的設(shè)計狀態(tài)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(shù)Table 1 Power consumption and air parameter for energy storage stage

2.3 釋能階段熱力學(xué)過程及熱耗特性分析

熱耗是衡量壓縮空氣儲能技術(shù)經(jīng)濟性的重要指標(biāo)之一，通過熱耗數(shù)據(jù)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?zé)崞骷盎責(zé)釁?shù)可有效回收透平煙氣內(nèi)的余熱，從而降低整套壓縮空氣儲能系統(tǒng)所需外部供熱量。圖2為本文設(shè)計儲能系統(tǒng)的釋能過程熱力學(xué)過程曲線，表2為工質(zhì)的相應(yīng)溫度值。透平EP1入口工質(zhì)參數(shù)為4.0 MPa/773.15 K，透平EP2參考燃機GE 9171E（相對內(nèi)效率為0.82）選取入口工質(zhì)參數(shù)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?zé)岬膲嚎s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(xué)過程曲線相應(yīng)部位的溫度值Table 2 Temperature values in thermodynamic curve

在此套儲能系統(tǒng)的配置參數(shù)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(zhì)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(tǒng)功率輸出及熱耗特性數(shù)據(jù)。工質(zhì)在透平EP1內(nèi)可逆絕熱做功能力為220.98 kJ/kg，在透平EP2內(nèi)可逆絕熱做功能力為722.80 kJ/kg，兩級透平在相對內(nèi)效率為 0.82時，可對外輸出功率154.76 MW。透平EP1工質(zhì)由回?zé)崞鞴?，透平EP2工質(zhì)由低壓燃燒器再熱，在此套設(shè)計方案下壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(yè)化 Smart CAES儲能系統(tǒng)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?zé)崞魈娲钙礁邏喝紵鞯募夹g(shù)方案下，設(shè)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(tǒng)可以實現(xiàn)56.11%的能量轉(zhuǎn)換效率。

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

3 結(jié) 論

本文對具備電能規(guī)模化儲存能力的壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，同時結(jié)合多級壓縮-級間冷卻以及回?zé)峒夹g(shù)設(shè)計了儲能功率為 56.58 MW，釋能功率為154.76 MW的儲能系統(tǒng)。研究結(jié)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?zé)煔鈱ψ龉庠催M(jìn)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(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計，壓縮空氣儲能系統(tǒng)初次儲能時可在56.58 MW功率下連續(xù)儲能12 h，在154.76 MW功率下連續(xù)釋放電力3h（儲氣溶洞內(nèi)壓縮空氣壓力降為4.13 MPa），系統(tǒng)的熱耗為3783.96 kJ/(kW·h)，整套壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)56.11%。

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