某壓縮空氣儲能項目技術(shù)路線比選

汪楓

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage，CAES）作為一種壽命長、效率高、布置靈活的大規(guī)模物理儲能技術(shù)，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛢δ芊绞街唬?］。國外已經(jīng)投產(chǎn)商運的壓縮空氣儲能電廠有Huntorf 和McIntosh 電廠，均為補燃式壓縮空氣儲能電廠［2-3］。我國主要推行非補燃的壓縮空氣儲能技術(shù)，雖起步較晚，但工程應(yīng)用方面已經(jīng)走在世界前列。清華大學(xué)會同相關(guān)單位，在安徽蕪湖建成TICC-500 試驗裝置；并提出了光熱復(fù)合技術(shù)，在青海西寧建成了100 kW 試驗裝置；在此基礎(chǔ)上，江蘇金壇60 MW 壓縮空氣儲能示范項目于2022年5 月正式投入運行，轉(zhuǎn)換效率約60%［4］。中國科學(xué)院工程熱物理研究所提供研發(fā)技術(shù)，在河北廊坊建成投產(chǎn)1.5 MW 壓縮空氣儲能系統(tǒng)；并在貴州畢節(jié)和山東肥城分別建成投產(chǎn)10 MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)；河北張家口100 MW 壓縮空氣儲能項目于2021 年底帶電試運行，轉(zhuǎn)換效率約70%［5］。此外，國內(nèi)數(shù)個300 MW 級的壓縮空氣儲能項目已開展可行性研究，包括湖北應(yīng)城、山東泰安、甘肅金昌、遼寧朝陽、福建永春等項目。本論文通過300 MW 級不同壓縮空氣儲能系統(tǒng)技術(shù)路線的比選，得到了推薦的技術(shù)方案，以及推薦方案的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

1 概述

1.1 項目概況

本項目位于福建省永春縣某鎮(zhèn)，本期擬建設(shè)1 套300 MW/1800 MWh 非補燃壓縮空氣儲能電站，并預(yù)留有擴建條件。本工程的設(shè)計充氣放電時間為9 h 和6 h，壓縮空氣存在地下人工硐庫內(nèi)，硐庫腔容積約為20.1 萬m3；并配套采用熱媒水作為傳熱和儲熱介質(zhì)的儲熱系統(tǒng)。根據(jù)福建省電力系統(tǒng)2030 年前調(diào)峰需求及調(diào)峰機組裝機規(guī)模初步預(yù)測，本工程儲能過程設(shè)備年利用小時數(shù)約為1 990 h，發(fā)電年利用小時約為1 320 h。

1.2 工程氣象條件

根據(jù)壓縮空氣儲能電站工作特點，收集項目所在地2018—2021 年逐月平均白天和夜間氣溫、氣壓、濕度數(shù)據(jù)見表1，其中白天取值時段為07∶00～20∶00，其余為夜間時段。

表1 逐月平均白天和夜間氣溫、氣壓、濕度數(shù)據(jù)

2 技術(shù)路線及裝機方案比選

2.1 技術(shù)路線比選

按照儲熱溫度劃分，非補燃的壓縮空氣儲能系統(tǒng)可分為中溫和高溫系統(tǒng)。一般而言，中溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機的排氣溫度在195～200 ℃左右，通常用高壓水作為儲熱介質(zhì)；而高溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機的排氣溫度在335～340 ℃左右，通常用熔鹽或?qū)嵊?水作為儲熱介質(zhì)。對于300 MW 級壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2 種技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo)對比見表2。其中中溫、高溫技術(shù)路線的優(yōu)劣勢對比見表3。

表2 中溫、高溫技術(shù)路線參數(shù)對比

表3 中溫、高溫技術(shù)路線優(yōu)劣勢對比

根據(jù)對比數(shù)據(jù)，高溫方案相對中溫方案效率提高約3%，但由于高溫方案需增設(shè)導(dǎo)熱油或者熔鹽系統(tǒng)，且需考慮熔鹽或?qū)嵊偷氖状纬溲b費用，另外由于相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計溫度的提高也會造成投資成本增加。按照年發(fā)電時間1 320 h 和2 個方案的供電效率測算年購電成本，每年高溫方案由于效率提升而減少的購電成本約620 萬元，則增加投資的靜態(tài)回收年限約31.5 a，在電站的運營壽命期末期才能回收投資。具體比較見表4。

表4 中溫、高溫技術(shù)路線經(jīng)濟指標(biāo)對比

由表4 可以看出，為了降低造價、節(jié)約投資成本，同時也從系統(tǒng)運行操作簡單、運維方便、安全性高等角度考慮，推薦中溫方案的技術(shù)路線。

2.2 機組關(guān)鍵參數(shù)比選

對于中溫水儲熱方案，采用水作為儲熱介質(zhì)，儲熱水溫度約為175 ℃，儲氣空間采用巖體中開鑿人工硐庫?？紤]到人工硐庫的承壓能力（最高約18 MPa）以及人工硐庫到電站的沿程壓損，方案擬在膨脹機入口壓力為15 MPa、17 MPa，壓力波動范圍2～6 MPa 之間比選產(chǎn)生。主要從購電成本，人工硐庫造價，主要設(shè)備投資等方面進行分析，具體比較方案如表5 所示。

表5 機組關(guān)鍵參數(shù)及年收益對比

根據(jù)上述比選，300 MW 中溫壓縮空氣儲能電站壓力變化范圍6 MPa 比壓力變化范圍4 MPa、2 MPa 方案所需的硐庫容積分別減小約10 萬m3、40 萬m3，對應(yīng)的人工硐庫造價分別減少約1.5 億元、6.4 億元。通過分析不同方案的購電成本、人工硐庫造價、主要設(shè)備投資等因素對年凈收益造成的影響，綜合考慮年凈收益最高，其中方案三即透平入口最高壓力17 MPa、波動范圍6 MPa 方案最優(yōu)。

3 推薦技術(shù)方案

根據(jù)以上的比選結(jié)果，本項目推薦的技術(shù)方案為：采用4 級壓縮4 級膨脹，利用水為儲熱介質(zhì)的中溫技術(shù)路線方案，膨脹機透平入口壓力為17 MPa，壓力波動范圍為6 MPa，裝機容量為300 MW。推薦技術(shù)方案的流程圖見圖1。

圖1 推薦技術(shù)方案的流程圖

本項目推薦裝機方案的主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

表6 主要技術(shù)指標(biāo)一覽表

4 結(jié)論

（1）通過中溫和高溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)的比選，發(fā)現(xiàn)高溫路線帶來的效率提升不能覆蓋增加投資成本的回收，因此推薦中溫方案的技術(shù)路線。

（2）通過最大壓力、壓力波動范圍、硐庫容積及造價等關(guān)鍵參數(shù)進行分析比選，推薦透平入口最高壓力17 MPa、波動范圍6 MPa 的技術(shù)方案。

（3）根據(jù)指標(biāo)計算，得出了膨脹機透平入口壓力為17 MPa、壓力波動范圍為6 MPa、300 MW 級中溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)的主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。