鄧廣義，郭祚剛, ，陳光明

（1中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)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(lái)越多的關(guān)注。據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)[1]，2010年世界范圍內(nèi)風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)容量為194.69 GW，美國(guó)總裝機(jī)容量為40.18 GW，中國(guó)總裝機(jī)容量為42.29 GW，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量位居全球第一位。中國(guó)在2011年繼續(xù)保持風(fēng)電裝機(jī)容量高增長(zhǎng)趨勢(shì)，至 2011年底國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)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(guó)棄風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(wèn)題。

電力儲(chǔ)存技術(shù)可借由儲(chǔ)能介質(zhì)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期對(duì)過(guò)剩電力或劣質(zhì)電力進(jìn)行儲(chǔ)存，進(jìn)而在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期將儲(chǔ)存的能量以優(yōu)質(zhì)電力進(jìn)行輸出。常見的電力儲(chǔ)存技術(shù)主要包括電池儲(chǔ)能[4]、超級(jí)電容器儲(chǔ)能[5-6]、飛輪儲(chǔ)能[7]、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能[8]、抽水蓄能以及壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)[9-11]。抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）具備電力大規(guī)模儲(chǔ)存的能力，兩者之中，壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能電站于1978年在德國(guó)Huntorf投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，機(jī)組輸出功率為290 MW，電站的能量轉(zhuǎn)換效率為43%[12]。美國(guó)于1991年在Alabama州投運(yùn)了世界第二座壓縮空氣電站，機(jī)組輸出功率為110 MW，電站在德國(guó)Huntorf電廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用了煙氣回?zé)峒夹g(shù)，儲(chǔ)能電站效率提升至 54%[13]。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所設(shè)計(jì)的 1.5 MW 級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)于2013年7月完成168 h運(yùn)行試驗(yàn)，成為國(guó)內(nèi)第一座超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范電站[14]。在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究方面，國(guó)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(jì)算以及效益評(píng)價(jià)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(bǔ)的壓縮空氣儲(chǔ)能與發(fā)電系統(tǒng)特性分析并申請(qǐng)了超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)專利。楊科等[19]對(duì)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與理論計(jì)算。Beaudin等[20-21]指出可再生電力直接并入電網(wǎng)會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，研發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)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(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)的特性分析研究。結(jié)合多級(jí)壓縮-級(jí)間冷卻技術(shù)降低儲(chǔ)能階段系統(tǒng)能耗，通過(guò)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?chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及熱力學(xué)分析研究。在能量?jī)?chǔ)存階段，結(jié)合多級(jí)壓縮-級(jí)間冷卻技術(shù)進(jìn)行了儲(chǔ)能階段的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用等壓縮比的多級(jí)壓縮設(shè)計(jì)方案來(lái)降低儲(chǔ)能能耗。釋能系統(tǒng)主要由兩級(jí)透平構(gòu)成，低壓透平機(jī)組以GE 9171E燃機(jī)參數(shù)為參考。文中涉及的理論方程以及術(shù)語(yǔ)定義如下。

開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

理想工質(zhì)絕熱過(guò)程做功方程

儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率；Wout為釋能階段透平機(jī)組輸出的總功，kJ；Win為儲(chǔ)能階段壓縮機(jī)組消耗總功，kJ；Qin為通過(guò)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(chǔ)能系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖 1所示，空氣壓縮過(guò)程由三級(jí)壓氣機(jī)完成，配備了級(jí)間冷卻器與級(jí)后冷卻器。壓氣機(jī)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(jí)壓縮，三級(jí)壓氣機(jī)總設(shè)計(jì)功率為56.58 MW。儲(chǔ)氣空間簡(jiǎn)化為等溫充氣模型（298.15 K），儲(chǔ)氣容積為41000 m3，可在100 kg/s的充氣流量下儲(chǔ)能12 h（儲(chǔ)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(jì)值為200 kg/s，配備了兩級(jí)透平，第一級(jí)透平入口參數(shù)為4.0 MPa/773.15 K，第二級(jí)透平入口參數(shù)為1.24 MPa/ 1402.15 K，兩級(jí)透平總輸出功率為154.76 MW。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of CAES system

2.2 儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能階段由單級(jí)增壓比為 4.481的三級(jí)壓氣機(jī)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(chǔ)氣空間。表1列出了儲(chǔ)能階段壓縮機(jī)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(jī)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(jī)CP2完成第二級(jí)壓縮。在絕熱效率0.85的設(shè)計(jì)狀態(tài)下，儲(chǔ)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(chǔ)能階段的壓氣機(jī)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(guò)程及熱耗特性分析

熱耗是衡量壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一，通過(guò)熱耗數(shù)據(jù)可以直觀獲得機(jī)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(chǔ)能系統(tǒng)所需外部供熱量。圖2為本文設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的釋能過(guò)程熱力學(xué)過(guò)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(jī)GE 9171E（相對(duì)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(shí)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(guò)程曲線Fig.2 Thermodynamic curve for energy releasing stage with heat recovery

表2 熱力學(xué)過(guò)程曲線相應(yīng)部位的溫度值Table 2 Temperature values in thermodynamic curve

在此套儲(chǔ)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(chǔ)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(jí)透平在相對(duì)內(nèi)效率為 0.82時(shí)，可對(duì)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(jì)方案下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱耗可降低至 3783.96 kJ/(kW·h)，低于美國(guó) Dresser-Rand公司推廣的商業(yè)化 Smart CAES儲(chǔ)能系統(tǒng)熱耗[熱耗為4114.50 kJ/(kW·h)][22]。在綜合考慮多級(jí)壓縮-級(jí)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(jì)的儲(chǔ)能功率為56.58 MW、釋能功率為154.76 MW的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)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(duì)具備電能規(guī)?；瘍?chǔ)存能力的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，同時(shí)結(jié)合多級(jí)壓縮-級(jí)間冷卻以及回?zé)峒夹g(shù)設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能功率為 56.58 MW，釋能功率為154.76 MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，在能量?jī)?chǔ)存階段依托三級(jí)壓氣機(jī)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(dòng)透平做功時(shí)，以第二級(jí)透平812.41 K高溫?zé)煔鈱?duì)做功氣源進(jìn)行加熱時(shí)，可無(wú)需高壓燃燒器補(bǔ)充額外熱量。綜合儲(chǔ)能及釋能環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)初次儲(chǔ)能時(shí)可在56.58 MW功率下連續(xù)儲(chǔ)能12 h，在154.76 MW功率下連續(xù)釋放電力3h（儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)56.11%。

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