壓縮空氣儲能發(fā)電調(diào)節(jié)系統(tǒng)在新能源項目中的應用

范沁

（中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063）

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)概述

1.1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的組成

壓縮空氣儲能系統(tǒng)是由儲存的汽輪機、發(fā)電機及其他輔助設(shè)備等組成。

（1）能量消耗裝置：壓縮機將存儲在高壓飽和蒸汽壓力下的過熱蒸氣所產(chǎn)生出來，并通過管道輸送到加熱器，使其溫度升高到設(shè)定值時，排出氣體中攜帶大量熱量被釋放出去。（2）壓縮空氣儲能裝置：將存儲在高壓飽和蒸汽壓力下的過熱蒸氣所產(chǎn)生出來的熱量儲存起來，以方便以后對能量進行處理和利用。（3）輔助裝置：壓縮機的輔助裝置主要是儲能電機和發(fā)電機，其功能就是對整個系統(tǒng)中儲存起來的熱量進行存儲，從而保證在一定時間內(nèi)把能量轉(zhuǎn)化為機械功。

1.2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的功能

（1）輔助補充壓縮空氣系統(tǒng)的功能新能源利用過程中，儲藏在儲存介質(zhì)內(nèi)，以保持一定壓力差。當存儲能量不足以支持所需充填設(shè)備和裝置時，就需要使用空氣作為儲能。如太陽能、風機盤管加氫離子電池等都屬于輔助性壓縮氣體源類型；天然氣作為一種潛在環(huán)保無污染可再生資源，可以代替石油燃料而成為替代化石油氣的替代品等，都是新能源發(fā)展過程中必須考慮的問題，因此新能源的發(fā)展必須從根本上解決壓縮空氣儲存的技術(shù)難題。（2）輔助制冷系統(tǒng)是利用一定溫度和壓力下儲存起來，以保持足夠能量,并通過調(diào)節(jié)溫度來控制其運行。（3）壓縮空氣儲能發(fā)電調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個綜合控制系統(tǒng)，它包括溫度、壓力和流量三部分它們通過調(diào)節(jié)壓縮空氣溫度、壓力和流量來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。當儲藏能量不足以滿足系統(tǒng)要求時,就需要輔助制冷劑補充壓縮空氣，反之亦然。（4）根據(jù)不同的使用環(huán)境和用途對其進行調(diào)節(jié)，例如，壓縮空氣溫度是對系統(tǒng)的性能進行測試，當處于熱備用狀態(tài)時，就需要調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力，在冷啟動和正常運行情況下就要調(diào)節(jié)其流量。

1.3 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的優(yōu)點與不足

優(yōu)點：（1）壓縮空氣儲能裝置的投資小。（2）壓縮空氣儲能裝置具有大容量運行、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢。（3）壓縮空氣儲能裝置可以直接向用戶提供恒定壓力或者恒壓運行兩種工作環(huán)境。

不足：（1）設(shè)備投資大。因為壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較高的能量轉(zhuǎn)化率。（2）系統(tǒng)容量有限。因為高壓集中供氣量大而導致壓力波動較大、負荷變化時對壓縮空氣儲能系統(tǒng)造成一定的經(jīng)濟方面壓力。（3）目前我國新能源項目大多數(shù)都是采用直接供氣驅(qū)動,因此其能量轉(zhuǎn)化率較低。（4）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率低。

2 壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)

2.1 壓縮空氣儲能技術(shù)指標

表1

（1）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱效率，該裝置在能量計算中，通過對整個新能源項目進行熱量衡算，得出整個項目的總熱能消耗量。然后根據(jù)熱量衡算結(jié)果和實際熱負荷值確定所選擇壓縮機組。（2）制冷劑循環(huán)率及流量系數(shù)，當氣體進入蒸發(fā)器時，由于制冷劑是低壓高壓低溫氣態(tài)的液化產(chǎn)物，會吸收空氣分子產(chǎn)生高溫廢氣而造成蒸汽效率降低、單位體積內(nèi)可燃物濃度增加等問題所以在計算壓縮空氣儲能裝置的冷熱效率時，要考慮制冷劑循環(huán)率和流量系數(shù)對整個項目的影響。（3）氣體排放量，當整個項目運行過程中產(chǎn)生了大量有害物質(zhì)而造成大氣污染、生態(tài)破壞等問題是通過排污權(quán)交易來解決。（4）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應用技術(shù),如氣體滲透、壓力控制和循環(huán)過程等。（5）空氣品質(zhì)指標，空氣質(zhì)量是整個項目運行過程中的重要部分，在新能源項目的投資和運營期間，要對其進行嚴格監(jiān)控。

2.2 壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

在儲能系統(tǒng)中，使用的輔助裝置主要有集油器、壓縮機和高壓空氣換熱器。（1）集油器。該單元由一個或多個集成塊組成。該組件是一種過濾元件與介質(zhì)接觸并將其作為能量轉(zhuǎn)換為熱能而不消耗任何形式的壓力液體混合物，它也具有分離氣體雜質(zhì)并提供足夠容量以維持整個循環(huán)過程所需壓力的功能。（2）壓縮機。在該單元中，它可以將所需壓力的介質(zhì)通過一定方式和機械分離，使空氣從高壓氣體到低壓液體。（3）壓縮空氣儲能機組：由兩個獨立的高壓換熱器并聯(lián)組成該裝置的換熱面積小、體積大，可用于天然氣、石油或冷水機組。

2.3 壓縮空氣儲能發(fā)電控制系統(tǒng)

通過單臺壓縮空氣儲能機組，對蓄電池進行充電控制，使其充放電過程更加安全可靠。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括壓力、溫度調(diào)節(jié)器和流量控制器。（1）壓差動閥在高壓對稱時，流過相同容量大小電壓等級的混合氣體中設(shè)置一個彈簧來限制彈簧作用力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定輸出功率或穩(wěn)壓器工作狀態(tài)，當壓縮機啟動開始運行后，通過調(diào)節(jié)壓差控制使其保持恒轉(zhuǎn)位運轉(zhuǎn)，以避免因為突然停止或者快速下降造成設(shè)備損壞和事故發(fā)生。（2）溫度控制器，通過實時監(jiān)控壓縮機的工作狀態(tài)，并與設(shè)定好值比較，從而及時檢測到液化氣中存在的氣體成分、含氧量等異?，F(xiàn)象。（3）流量控制器通過控制壓縮機出口處的電壓來調(diào)整空燃比，從而使其保持在額定輸出功率。

3 壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)方案

3.1 壓縮空氣儲能發(fā)電方式

壓縮空氣儲能裝置主要包括以下幾種：（1）恒壓頻發(fā)電系統(tǒng)。通過蓄電池與超級電容串聯(lián)或并聯(lián)，在額定負載壓力下，保持恒定的流量和電壓輸出波動。當負載低于設(shè)定值時啟動，當負荷高于預定值時，關(guān)閉電源并重新打開輔助切換控制、維持高壓穩(wěn)定運行等功能。（2）變幅式/雙阻制型發(fā)電機組：壓縮空氣儲能裝置是由多組連接在一起構(gòu)成一個整體，來承擔能量轉(zhuǎn)換與存儲任務壓縮空氣儲能機組采用的是雙阻-單級變頻器，當負載低于設(shè)定值時，啟動輔助切換控制裝置。（3）串聯(lián)型/并聯(lián)發(fā)電機組。該機型的主要缺點是容量不大、成本太高。

3.2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)選型

目前，制冷裝置的壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要有以下3種類型：（1）恒壓差動型。在正常工作時工況不變時，通過調(diào)節(jié)閥門使其保持平衡狀態(tài)。當溫度升高到某一臨界值后，就會出現(xiàn)水汽過凝現(xiàn)象，由于制冷劑泄露而導致泄漏部分溫升至50℃以上繼續(xù)傳熱且水溫達到飽和點后，會出現(xiàn)壓縮機啟動困難的問題。（2）恒壓差動型。在正常工作情況下，工況不變時通過調(diào)節(jié)閥門開度來使壓縮空氣溫度升高到50℃以上，但由于制冷劑泄漏而導致其失壓，從而影響系統(tǒng)的換熱效率。（3）變頻調(diào)速技術(shù)。在工況不變時，改變電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等電氣參數(shù)以達到控制壓縮機吸氣口附近溫升，變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變壓縮機的輸入電壓和電流調(diào)節(jié)閥來達到控制制冷劑泄漏流過壓縮空氣時的換熱效果。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已成為制冷裝置應用的主流方法。

4 壓縮空氣儲能在新能源發(fā)電中的應用

4.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)在風電中的負荷預測

新能源發(fā)電系統(tǒng)的負荷預測包括以下3個方面：（1）運行方式、負荷變化趨勢及可再生能源功率。最重要的是要根據(jù)國家出臺的相關(guān)政策，結(jié)合實際情況，合理規(guī)劃新建風電機組。（2）對現(xiàn)有電力市場供需狀況進行分析評估后，確定新能源發(fā)電系統(tǒng)在風能資源利用方面可能存在的問題以及該行業(yè)未來發(fā)展趨勢及前景等，預測內(nèi)容風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開電力系統(tǒng)，新能源發(fā)電技術(shù)在我國已經(jīng)得到了飛速的進步。（3）風能資源分布不均勻性及地域差異明顯問題也引起了電力系統(tǒng)在不同區(qū)域之間協(xié)調(diào)難度增大。由于我國大部分地區(qū)都存在著大面積沙漠化荒漠而且沙漠地區(qū)風力偏大，導致了負荷預測不準確。因此，在新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程中，應該考慮到地域差異性問題。

4.2 新能源發(fā)電的潛力評估

通過對現(xiàn)有的新能源系統(tǒng)進行分析，可以看出，由于技術(shù)、經(jīng)濟等原因，我國在該領(lǐng)域還有很大潛力。根據(jù)目前市場形勢來看：（1）隨著城市建設(shè)速度的加快和人民生活水平的提高以及環(huán)保要求越來越高，社會各界對環(huán)境問題越發(fā)重視。（2）新能源具有廣闊的市場前景。隨著技術(shù)、經(jīng)濟等因素，我國在該領(lǐng)域?qū)⒂型蔀槭澜缟显鲩L最快，對環(huán)境污染最小，并且能耗低并有持續(xù)發(fā)展趨勢的綠色可持續(xù)性新興強國之一。（3）新能源技術(shù)成熟度也是評價其市場前景、產(chǎn)品競爭力和經(jīng)濟效益的重要指標，在未來的科技發(fā)展中將扮演越來越重要角色。

4.3 壓縮空氣儲能發(fā)電應用案例

本項目所采用的主要技術(shù)指標有：（1）制冷壓縮空氣儲能系統(tǒng)在新能源項目中應用范圍較廣，其主要功能是對低溫低壓配管、節(jié)流裝置和通風管道進行輔助調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同溫度下的運行工況。該產(chǎn)品與傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)電機相比具有以下特點；首先，壓縮機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心效應引起轉(zhuǎn)子軸向切削振動其次制冷壓縮機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度高，離心作用在定子上的應力較大，導致其振動和噪聲比傳統(tǒng)內(nèi)燃機要大。（2）當燃氣渦輪發(fā)電機發(fā)電時，產(chǎn)生的是負效應空氣而不是正效應氣體。由于該產(chǎn)品與新能源項目相比沒有廢氣污染排放量小、噪聲低等優(yōu)點，且可滿足我國“十二五”節(jié)能減排政策要求及保證經(jīng)濟效益較好；同時，壓縮機運行工況溫度高，對設(shè)備機械強度的要求也比較嚴格，對壓縮機的安全性、可靠性等也有較高要求。綜合考慮以上因素，本項目所采用的是新能源天然氣儲能系統(tǒng)。

4.4 壓縮空氣儲能在新能源發(fā)電中的綜合利用

對于制冷壓縮空氣儲能裝置來說,由于其本身的熱負荷，所以對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)是必不可少的。通過相關(guān)分析和計算后可以得到以下結(jié)論：（1）當高壓低溫過低時，氣體壓力變化不大。在正常溫度下，壓縮空氣中所占比例為60%左右；而高氣壓地區(qū)的氣壓比則基本保持不變，當高溫低于50℃時，氣態(tài)燃料燃燒速率明顯加快，而且隨著電壓降低壓縮空氣體積也隨之減少一些。（2）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的負荷隨著電壓降低而減少，但在臨界壓力下，氣體流量和溫度變化不大，所以可以適當對其進行調(diào)節(jié)。（3）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱效率和冷端電壓呈正比關(guān)系，當氣體流過高溫高壓電機后，會造成空穴現(xiàn)象。所以，在不影響設(shè)備運行時，就可以對其進行調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

本文主要研究了電力電子儲能系統(tǒng)在新能源項目中的應用，通過分析壓縮空氣儲能量蓄熱器，并根據(jù)不同工況下對壓縮后負荷變化情況進行調(diào)節(jié)。

（1）目前，我國對于制冷劑市場還不夠規(guī)范。我們必須加強監(jiān)管力度和完善制度體系建設(shè)來促進行業(yè)健康，穩(wěn)定地可持續(xù)經(jīng)營下去與國家經(jīng)濟發(fā)展相適應。

（2）本文研究了壓縮空氣儲能系統(tǒng)在不同工況下的調(diào)節(jié)特性及性能特點。通過分析壓縮后負荷曲線、分析蓄熱器輸出流量和溫度變化情況來實現(xiàn)對其調(diào)理運行過程中的控制，并提出針對性建議以促進我國新能源項目的長遠開展與利用，最后根據(jù)該優(yōu)化方案，結(jié)合具體工程實例進行驗證。

（3）本文分析了近年來我國對利用冷凝水、太陽能電池等制冷設(shè)備對環(huán)境要求較高。針對目前技術(shù)水平和相關(guān)政策限制，提出了將現(xiàn)有技術(shù)與新型建筑相結(jié)合而形成的一種綜合型風力發(fā)電機(VSC)風電機組調(diào)節(jié)方式來替代原有常規(guī)風力發(fā)電機組是一個很好的選擇方案，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：一是可以提高電網(wǎng)輸送能力；二是可以有效減少冷凝水和壓縮空氣的損失量；三是該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟效益，可實現(xiàn)獨立運行。