楚 攀，賈 斌，王 蕊，樊澤國(guó)

（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）

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)風(fēng)能資源豐富的地區(qū)之一，具備大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的自然條件，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約3億千瓦，約占全國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量的30%以上，居全國(guó)首位。全區(qū)年平均風(fēng)速3.2 m/s，年平均風(fēng)能功率密度 100～200W/m2，年平均可利用小時(shí)數(shù)4000～7800 h，年最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)小于100 h。截止2012年底，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部電網(wǎng)總裝機(jī)容量4500萬(wàn)千瓦，其中風(fēng)電裝機(jī)容量980萬(wàn)千瓦，光伏裝機(jī)容量31萬(wàn)千瓦，在建的抽水蓄能電站120萬(wàn)千瓦。2011年蒙西風(fēng)電上網(wǎng)電量為128億千瓦時(shí)，2012年蒙西風(fēng)電上網(wǎng)電網(wǎng)為174億千瓦時(shí)（占總上網(wǎng)電量的 17.3%）?！笆濉逼陂g計(jì)劃建設(shè)總?cè)萘?億千瓦，其中風(fēng)電3300萬(wàn)千瓦，屆時(shí)風(fēng)電的裝機(jī)容量占比將達(dá)到30%以上[1]。

由于風(fēng)電具有與常規(guī)電源完全不同的特性，且風(fēng)資源豐富的地區(qū)通常都位于電網(wǎng)的末端，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，電網(wǎng)對(duì)接納風(fēng)電和消除風(fēng)電不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)影響方法單一，風(fēng)電快速、大規(guī)模的發(fā)展使得電網(wǎng)消納風(fēng)電的困難更加凸顯，嚴(yán)重阻礙了風(fēng)電的健康快速發(fā)展，也使得風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)遇到了前所未有的發(fā)展瓶頸。一方面內(nèi)蒙古自治區(qū)本身電網(wǎng)容量小，無(wú)法滿足包括風(fēng)電機(jī)組在內(nèi)的發(fā)電設(shè)備對(duì)上網(wǎng)負(fù)荷的需求；另一方面，在內(nèi)蒙古漫長(zhǎng)的供暖季（每年10月15日至次年4月15日），為了保證居民供熱，火電機(jī)組“以熱定電”，整個(gè)內(nèi)蒙古電網(wǎng)可用的調(diào)峰余量更加有限，會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象，尤其是在風(fēng)電出力較大的后半夜（0：00—6：00），棄風(fēng)的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到50%～80%。大規(guī)模的風(fēng)電棄風(fēng)造成風(fēng)電這種綠色的可再生能源的大量浪費(fèi)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012年全國(guó)棄風(fēng)電量約200億千瓦時(shí)，僅內(nèi)蒙古棄風(fēng)電量就達(dá)26億千瓦時(shí)。

隨著風(fēng)電在“十二五”期間的持續(xù)發(fā)展，風(fēng)電的并網(wǎng)安全問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)峻。既要滿足風(fēng)電的上網(wǎng)需求，同時(shí)又要保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，成為電力工作者面對(duì)的一個(gè)難題。電網(wǎng)的調(diào)峰能力在某種程度上決定了風(fēng)電的上網(wǎng)負(fù)荷。目前，我國(guó)主要采用火電來(lái)平衡風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)。但大規(guī)模頻繁采用并不可行。原因在于頻繁增減火電廠出力，將破壞燃煤電廠發(fā)電系統(tǒng)，降低發(fā)電效率，縮短設(shè)備使用壽命。特別是“十二五”期間風(fēng)電快速發(fā)展，僅僅采用火電平衡風(fēng)電的方式已經(jīng)難以滿足風(fēng)電的發(fā)展需求。

內(nèi)蒙古地區(qū)為了應(yīng)對(duì)大量的風(fēng)電并網(wǎng)，在呼和浩特市建造了一座抽水蓄能電站，但目前運(yùn)營(yíng)情況并不理想。在內(nèi)蒙古風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，適合建造抽水蓄能電站的地點(diǎn)很少，大部分地區(qū)的降水量小于蒸發(fā)量。因此，大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能成為內(nèi)蒙古儲(chǔ)能系統(tǒng)頗具競(jìng)爭(zhēng)力的風(fēng)電/儲(chǔ)能解決方案[2-3]。

1 蒙西地區(qū)風(fēng)電出力特性分析

1.1 風(fēng)電出力相關(guān)性分析

風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)發(fā)電廠有很大的不同，首先風(fēng)電場(chǎng)的出力受風(fēng)的影響是隨機(jī)波動(dòng)的，在絕大多數(shù)情況下低于其裝機(jī)容量；其次，一個(gè)地區(qū)可能存在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，即一個(gè)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的分布是分散的；第三，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)往往由數(shù)十臺(tái)、上百臺(tái)甚至數(shù)百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量很小，分布范圍很廣，即風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的分布也是分散的。由于風(fēng)電場(chǎng)出力隨機(jī)性、風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組分布的分散性，有必要研究?jī)?nèi)蒙古不同風(fēng)電場(chǎng)之間的相關(guān)性。圖1給出了內(nèi)蒙古各盟市風(fēng)能區(qū)月平均出力水平。由圖1可以看出，內(nèi)蒙古各盟市風(fēng)電月平均出力變化規(guī)律基本相同。1月份風(fēng)電出力較低，2～5月份開(kāi)始增加，進(jìn)入夏季后風(fēng)電出力開(kāi)始降低，6～9月份處于較低水平。10月份開(kāi)始增加，12月各盟市的風(fēng)電平均出力在裝機(jī)容量的50%以上。但巴彥淖爾地區(qū)的風(fēng)電月平均出力變化稍有不同，該地區(qū)從10月份至次年3月份，風(fēng)電出力都維持在較高的水平（50%以上），這段時(shí)間與內(nèi)蒙古地區(qū)的供暖季相重合。

圖1 內(nèi)蒙古各盟市2010年風(fēng)電月平均出力[4]Fig.1 The monthly average load of wind power in Inner Mongolia at 2010[4]

1.2 風(fēng)頻及風(fēng)電功率輸出特性

表1給出了內(nèi)蒙古各盟市風(fēng)電綜合出力大于總裝機(jī)容量的90%和小于10%的情況在各月的概率分布?？梢钥闯?，各個(gè)盟市的風(fēng)電大出力和小出力分布規(guī)律較為類似，風(fēng)電的大出力時(shí)間都主要集中在3～5月份以及10～12月份，累計(jì)概率超過(guò)了73%；而風(fēng)電的小出力時(shí)間主要集中在1～2月份以及5～9月份，累計(jì)概率超過(guò)60%。稍有不同的是巴彥淖爾地區(qū)，該地區(qū)在1～2月份的時(shí)候風(fēng)電處于大出力狀態(tài)的概率仍較高。可見(jiàn)巴彥淖爾地區(qū)在1、2、10、11、12月這5個(gè)月中，都處于大出力時(shí)間。而這段時(shí)間恰好是內(nèi)蒙古的供暖季。在供暖季里，為了保證居民供熱而火電機(jī)組的調(diào)峰容量減小，但此時(shí)風(fēng)電出力反而處于一年中較大的時(shí)段。風(fēng)電的出力變化情況與內(nèi)蒙古電網(wǎng)的調(diào)峰能力形成了“反周期”關(guān)系。

表1 各盟市風(fēng)電大出力和小出力在全年的概率分布Table 1 The probability distribution of big and small load of wind power at Inner Mongolia in the whole year

1.3 典型日風(fēng)電出力與負(fù)荷變化相關(guān)性分析

在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)電出力和負(fù)荷的日變化特性更具有指導(dǎo)意義，等效負(fù)荷曲線對(duì)其它電源的運(yùn)行調(diào)度有一定的參考價(jià)值。由以上分析可知，1、5、8、12月內(nèi)蒙古風(fēng)電出力的變化趨勢(shì)較為明顯，因此選取了三個(gè)月份中的某個(gè)典型日的風(fēng)電和負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖2所示為幾個(gè)典型日的負(fù)荷與風(fēng)電場(chǎng)出力關(guān)系曲線，其中圖2(a)和(c)為小出力月份的典型日曲線，圖2(b)為大出力月份的典型日曲線。

由圖2可知，在凌晨負(fù)荷需求通常較小，而風(fēng)電出力在 0：00—6：00往往較大；在白天負(fù)荷需求較大時(shí)，三個(gè)典型日里的風(fēng)電出力卻較小；16：00—23：00負(fù)荷需求較高，此時(shí)風(fēng)電出力水平也相對(duì)較高；因此可考慮將后半夜（0：00—6：00）富裕的電力以某種形式儲(chǔ)存起來(lái)，在白天用電高峰時(shí)刻釋放出來(lái)，滿足調(diào)峰需求。

圖2 風(fēng)電出力和電網(wǎng)負(fù)荷需求隨時(shí)間的變化Fig.2 The variation of wind power load and network load versus time

1.4 風(fēng)電出力變化統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，對(duì)于“裝機(jī)容量大于150 MW的風(fēng)電場(chǎng)，其10 min的功率變化率不得超過(guò)100 MW”。各盟市風(fēng)電出力10 min變化的概率分布如圖 3所示。在大多數(shù)情況下，各盟市風(fēng)電出力10 min的變化量與該地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量的比值都在±5%之間，概率值基本都在70%左右。這意味著裝機(jī)容量不超過(guò)2000 MW時(shí)，該地區(qū)風(fēng)電正常發(fā)電時(shí)，70%的時(shí)間都能入網(wǎng)，浪費(fèi)30%。當(dāng)該地區(qū)的裝機(jī)容量超過(guò)2000 MW時(shí)，風(fēng)電入網(wǎng)概率將降低，小于70%，更多的風(fēng)電出力將被浪費(fèi)。

圖3 各盟市風(fēng)電出力10 min變化的概率分布Fig.3 The probability distribution of the variation of wind power load in 10 min

以上計(jì)算考慮的是極端情況，假設(shè)所有風(fēng)機(jī)同時(shí)感受相同的風(fēng)速變化，而實(shí)際上風(fēng)電場(chǎng)是布置在一個(gè)大面積區(qū)域，對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率變化具有平滑左右。但即使如此，隨著內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷提升，如果不加緊建設(shè)儲(chǔ)能電站，有效的吸收風(fēng)電波動(dòng)功率以平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，風(fēng)電出力每 10 min的變化對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊將產(chǎn)生越來(lái)越嚴(yán)重的影響。

綜上所述，內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)電特點(diǎn)，從微觀上講（24 h），風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷需求呈現(xiàn)出一定的“反相關(guān)”關(guān)系，即風(fēng)電出力較大時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷小，而風(fēng)電出力較小時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷大。從宏觀上看（12個(gè)月），風(fēng)電出力與蒙西電網(wǎng)的調(diào)峰能力呈現(xiàn)“反周期”的關(guān)系，即風(fēng)電出力較大的月份，恰好是內(nèi)蒙古的供暖季，為了保證供熱，使得整體火電機(jī)組的調(diào)峰能力降低，電網(wǎng)調(diào)峰容量減小，接納風(fēng)電的能力變差，而在風(fēng)電出力較小的月份（春、夏），風(fēng)電出力水平較低，電網(wǎng)調(diào)峰容量大，接納風(fēng)電的能力變強(qiáng)。

在“反相關(guān)”和“反周期”特性的雙重作用下，內(nèi)蒙古各盟市的風(fēng)電，尤其是巴彥淖爾地區(qū)，在風(fēng)電出力水平高的供暖季的后半夜，將出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)大面積棄風(fēng)現(xiàn)象，造成了風(fēng)電這種清潔能源的巨大浪費(fèi)。為了從根本上解決風(fēng)電與電網(wǎng)調(diào)峰能力、電網(wǎng)負(fù)荷需求之間的“反相關(guān)”及“反周期”矛盾，加緊建設(shè)適當(dāng)容量的儲(chǔ)能電站成為內(nèi)蒙古風(fēng)電富集地區(qū)的迫切需求。

2 CAES電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電出力與用電負(fù)荷之間的“反相關(guān)”與“反周期”特性，使內(nèi)蒙古的棄風(fēng)限電情況十分嚴(yán)重。2012年，內(nèi)蒙古全年風(fēng)電限電比例達(dá)到24%左右，在供暖季更為突出，部分地區(qū)達(dá)到40%～50%。CAES電站的設(shè)計(jì)不僅要發(fā)揮其調(diào)峰調(diào)頻的特長(zhǎng)，也要適當(dāng)創(chuàng)新。基于CAES電站的特點(diǎn)，依據(jù)CAES電站的技術(shù)原理[5]，盡可能多地消納風(fēng)電（尤其是后半夜的棄風(fēng)風(fēng)電）[6]。據(jù)此，針對(duì)蒙西地區(qū)某典型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了完整的小型CAES示范電站，其原則性系統(tǒng)圖如圖4所示。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是主輔機(jī)設(shè)備以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主。

圖4 CAES電站系統(tǒng)圖Fig.4 The system diagram of compressed air energy storage power plant

2.1 壓縮模塊

壓縮機(jī)為四列四級(jí)臥式對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)出口壓縮空氣參數(shù)為：50 ℃/4 MPa，2.45 kg/s。

壓縮機(jī)型號(hào)為4M32-159/39-BX，轉(zhuǎn)速375 rpm，軸功率 1291 kW，電機(jī)功率 1450 kW，電壓等級(jí)10 kV。四級(jí)氣缸直徑1050、620、400、270 mm，四級(jí)氣體冷卻器直徑720、520、520、420 mm，冷卻器長(zhǎng)度3156、4052、4125、3916 mm，冷卻管長(zhǎng)度1980、3052、2330、3275 mm。整個(gè)壓縮機(jī)模塊包含電動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、稀油站、氣體冷卻器等設(shè)備。壓縮機(jī)采用空冷型電機(jī)，壓縮機(jī)冷卻水用量約為80 t/h。

空氣通過(guò)自然吸風(fēng)口進(jìn)入壓縮機(jī)模塊，進(jìn)入壓縮機(jī)之前，需經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除塵，經(jīng)過(guò)往復(fù)式壓縮機(jī)四級(jí)壓縮，每級(jí)壓縮之后設(shè)置級(jí)間冷卻器，冷卻器采用水冷。經(jīng)過(guò)末級(jí)冷卻后，空氣溫度降低至50 ℃，壓力為4.0 MPa，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。高壓空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣罐后，壓力由4.0 MPa迅速降低為0.1 MPa，空氣經(jīng)歷絕熱膨脹過(guò)程，溫度會(huì)有一定程度的降低，空氣中的水蒸氣將凝結(jié)。

儲(chǔ)氣罐的充氣模式分為兩種：一種為首次充氣，使其壓力從0.1 MPa升為4.0 MPa，耗時(shí)5.187 h；一種為運(yùn)行充氣，使其壓力從2.0 MPa升為4.0 MPa，耗時(shí)2.598 h，最大可發(fā)電時(shí)長(zhǎng)1.452 h，實(shí)際發(fā)電時(shí)長(zhǎng)1 h，在壓縮過(guò)程中的空氣流量為2.45 kg/s，發(fā)電過(guò)程的空氣流量為5.4 kg/s。

2.2 儲(chǔ)氣模塊

儲(chǔ)氣模塊采用球罐式壓力容器，球罐容積1000 m3，材料07MnCrMoVR，重量241 t，設(shè)計(jì)壓力5 MPa，設(shè)計(jì)溫度100 ℃。

溫度為 50 ℃的高壓空氣在壓縮機(jī)的作用下逐漸注入體積為1000 m3的金屬球罐。充氣之前，金屬球罐內(nèi)的氣體狀態(tài)為 0.1 MPa，20 ℃（常溫），充氣過(guò)程中，金屬球罐內(nèi)的壓力從0.1 MPa逐漸升高到4.0 MPa，溫度從20 ℃上升到50 ℃。為了保證儲(chǔ)氣罐在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定，儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)溫度暫定為100 ℃，儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)壓力暫定為5 MPa。

2.3 空氣加熱模塊

2.3.1 余熱回收模塊

為了節(jié)省空間，提升換熱效率，本項(xiàng)目中選擇緊湊式板式換熱器作為空氣透平余熱回收的換熱器。熱側(cè)煙氣進(jìn)/出口溫度為220 ℃/90.8 ℃，冷側(cè)空氣進(jìn)/出口溫度為50 ℃/180 ℃；熱側(cè)流動(dòng)阻力損失為11.99 kPa，冷側(cè)流動(dòng)阻力為1.72 kPa；換熱面積為225.9 m2；換熱器總重5135 kg。

為了提升機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，降低機(jī)組發(fā)電熱耗，空氣在進(jìn)入空氣膨脹機(jī)之前將經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的逐步升溫過(guò)程?；?zé)徇^(guò)程為第一階段?？諝鈴膬?chǔ)氣罐釋放之后，經(jīng)過(guò)減壓閥，將壓力降低至2.1 MPa左右之后，進(jìn)入回?zé)崞鳌Ｔ诨責(zé)崞髦?，吸收熱?cè)由空氣膨脹機(jī)排放的高溫尾氣的熱量，溫度從 50 ℃上升至180 ℃，而熱側(cè)的高溫?zé)煔獾臏囟葟?20 ℃降低至90.8 ℃。熱側(cè)流體的流動(dòng)阻力為11.99 kPa，冷側(cè)流體的阻力為1.72 kPa。熱側(cè)煙氣在經(jīng)過(guò)回?zé)崞髦螅瑢⑦M(jìn)入天然氣預(yù)熱器對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)一步提升機(jī)組的熱效率，減少能量損失，做到能量的梯級(jí)利用。

2.3.2 電蓄熱模塊

在蓄熱階段（0：00—6：00），電蓄熱器將風(fēng)電場(chǎng)的部分棄電轉(zhuǎn)化成高溫?zé)崮軆?chǔ)存起來(lái)。蓄熱時(shí)間6 h，蓄熱功率310 kW，電壓10 kV，蓄熱介質(zhì)溫度高達(dá)750 ℃。電蓄熱模塊總重約46 t，其中內(nèi)置式換熱重約12 t。

經(jīng)過(guò)回?zé)崞鞯目諝?，溫度?0 ℃上升為180 ℃，然后進(jìn)入電蓄熱器內(nèi)部的換熱器。在電蓄熱器內(nèi)部，熱風(fēng)在變頻離心風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，在電蓄熱器的內(nèi)置換熱器中循環(huán)放熱，將空氣從180 ℃加熱至400 ℃。電蓄熱內(nèi)部溫度高達(dá)750 ℃，經(jīng)過(guò)保溫處理后，24 h的熱量損失小于 3%。在儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，電蓄熱器的高溫段熱量將在1 h內(nèi)完全釋放，幾乎沒(méi)有熱損失，熱效率在98%以上。

2.3.3 補(bǔ)燃模塊

補(bǔ)燃模塊是本項(xiàng)目中的核心部件，負(fù)責(zé)加熱即將進(jìn)入空氣膨脹機(jī)的熱空氣，將熱空氣從 180 ℃（或400 ℃）加熱至600 ℃。其主要原理是一部分壓縮空氣在燃燒室中與天然氣混合燃燒，生成的高溫燃?xì)庠诨旌鲜抑信c剩余壓縮空氣混合，達(dá)到目標(biāo)溫度。補(bǔ)燃模塊主要由三部分組成，分別為燃料供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒摻混系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。燃料為液化天然氣（LNG），儲(chǔ)存于低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，使用時(shí)用低溫泵從低溫儲(chǔ)罐內(nèi)抽取，加壓加溫后進(jìn)入燃燒器。

低溫儲(chǔ)罐一般采用雙層金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐一般采用低溫不銹鋼材料，如0Cr18Ni9；外罐多采用普通低合金鋼，如 16MnR等。內(nèi)外罐之間的支撐宜采用在低溫下既有較高強(qiáng)度又有較低導(dǎo)熱系數(shù)的低溫玻璃鋼結(jié)構(gòu)。內(nèi)外罐之間可以采用堆積絕熱或高真空多層絕熱方式，維持中空部分的真空度是至關(guān)重要的。首先，抽真空時(shí)要確保腔內(nèi)材料充分放氣，并確保多層材料層間真空度達(dá)到規(guī)定要求；其次可在腔內(nèi)放置吸附劑，或采用添加吸附劑的層間隔熱材料，如填炭紙等，以吸附腔內(nèi)材料可能釋放出的少量氣體。

壓縮空氣在經(jīng)歷了回?zé)犭娦顭徇^(guò)程之后，溫度上升至 400 ℃，隨后將進(jìn)入燃燒器進(jìn)行最后的補(bǔ)燃，將溫度提升至600 ℃后進(jìn)入空氣膨脹機(jī)做功。補(bǔ)燃過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，要對(duì)溫度進(jìn)行精確的控制?；?LNG壓縮空氣加熱及控溫系統(tǒng)的總體方案包括 LNG燃料供給系統(tǒng)、燃燒摻混系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)詳情見(jiàn)圖5。

2.4 膨脹模塊

膨脹機(jī)模塊為殼裝結(jié)構(gòu)，由透平、發(fā)電機(jī)、齒輪箱和油站（兼底座）組成。模塊采用單層布置。

透平為軸向水平進(jìn)氣，垂直向上排氣，由于屬于新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，暫無(wú)成熟的產(chǎn)品型號(hào)。透平進(jìn)口參數(shù)為 600 ℃/2.0 MPa，5.4 kg/s；出口參數(shù)為220 ℃/0.102 MPa，5.4 kg/s。透平的軸功率為2150 kW，轉(zhuǎn)速16800 r/min。

發(fā)電機(jī)銘牌功率3000 kW，實(shí)際功率2000 kW，電壓10 kV，轉(zhuǎn)速3000 r/min。

變速箱采用平行軸雙斜齒，速比：16800/3000，將透平和發(fā)電機(jī)連接在一起，變速箱高速軸的另一點(diǎn)連接盤車器，低速軸的另一端連接軸頭泵。

膨脹機(jī)進(jìn)口高溫?zé)煔鈪?shù)為 600 ℃/2 MPa，5.4 kg/s。高溫?zé)煔膺M(jìn)入透平做功，出口排氣參數(shù)為220 ℃/0.102 MPa，5.4 kg/s。膨脹機(jī)的軸功率2.15 MW，運(yùn)行時(shí)間1 h。膨脹機(jī)排放的煙氣進(jìn)入回?zé)崞?，與溫度較低的壓縮空氣換熱，進(jìn)行余熱回收利用。經(jīng)過(guò)回?zé)崞骼鋮s后的尾氣排氣參數(shù)為90.8 ℃、5.4 kg/s，再進(jìn)入LNG預(yù)熱模塊，對(duì)補(bǔ)燃燃料進(jìn)行預(yù)熱，之后溫度降為 65 ℃，最后進(jìn)入鋼制煙囪后排放。

圖5 空氣加熱裝置系統(tǒng)圖Fig.5 The system diagram of air-heating devices

為了做到能量的梯級(jí)利用，高效利用高溫尾氣的熱量，高溫尾氣先后經(jīng)過(guò)了回?zé)崞髋c燃料預(yù)熱器。膨脹機(jī)尾氣排放壓力為102 kPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮?5.7 kPa?；?zé)崞鳠醾?cè)的流動(dòng)阻力較大，為11.99 kPa，天然氣預(yù)熱器的流動(dòng)阻力控制在3 kPa以下，最終的排氣壓力為87 kPa，排氣溫度為65 ℃，稍高于當(dāng)?shù)卮髿鈮海梢皂樌欧拧?/p>

3 CAES電站系統(tǒng)性能分析

常規(guī)火電廠的發(fā)電效率是很容易通過(guò)計(jì)算得到的，用發(fā)電機(jī)出力/燃料供給鍋爐的總能量即可，但對(duì)于 CAES電站來(lái)說(shuō)，情況變得復(fù)雜了。因?yàn)樵贑AES電站中，付出的不僅有電能（用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)），還有化石燃料（對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)的空氣進(jìn)行補(bǔ)燃），而得到的僅僅是電能（膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)）。在這種情況下，試圖通過(guò)單一的指標(biāo)來(lái)衡量 CAES電站的運(yùn)行效率是比較困難的。本文將嘗試從三個(gè)方面來(lái)對(duì)CAES系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

3.1 熱耗率

在早期的CAES設(shè)計(jì)中，并未考慮余熱利用，例如德國(guó)的 Huntorf電站[7]，其熱耗率達(dá)到 5500～6000 kJ/kW·h。而在美國(guó)的McIntosh電站中[8]使用了熱回收裝置，利用膨脹機(jī)出口的高溫?zé)煔庥脕?lái)加熱儲(chǔ)氣室內(nèi)釋放的空氣，使其熱耗率降至 4200～4500 kJ/kW·h，幾乎是普通化石燃料電廠的一半（熱耗率 8000～9000 kJ/kW·h）。

針對(duì)蒙西地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行特性設(shè)計(jì)的CAES系統(tǒng)中，由于同時(shí)采用了余熱回收系統(tǒng)和獨(dú)特的電蓄熱模塊，只需要較少的化石燃料，即可將壓縮空氣加熱至600 ℃。經(jīng)計(jì)算，本工作設(shè)計(jì)的CAES電站的熱耗為2002.4 kJ/kW·h，為美國(guó)McIntosh電廠熱耗率的一半。

3.2 放-充電比

在CAES系統(tǒng)中，我們將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能/壓縮機(jī)消耗的電能稱作放-充電比，簡(jiǎn)寫為CER（the charging electricity ratio）。CER指數(shù)考慮了管道和節(jié)流損失以及壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的效率。節(jié)流損失與儲(chǔ)氣室的壓力變化相關(guān)。膨脹機(jī)的效率在其低壓膨脹部分更為重要，大約有 70%的焓降發(fā)生在這個(gè)階段。在本文設(shè)計(jì)的CAES電站系統(tǒng)中，CER的大小為 0.64。德國(guó) Huntorf電站與美國(guó) McIntosh電站的 CER值均在1.2～1.8[9]。本文中 CAES電站CER值偏小的原因主要與機(jī)組容量及運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。

3.3 全廠發(fā)電效率

對(duì)于一個(gè)普通的化石燃料電廠來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)熱效率計(jì)算起來(lái)是非常容易的，用“產(chǎn)生的電能”比“投入循環(huán)的燃料熱量”即可。但是對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能電站來(lái)說(shuō)，要計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的效率就比較復(fù)雜了。一方面，部分電能被用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)；另一方面，部分化石燃料被用來(lái)加熱高壓空氣，而得到的是純粹的電能。因此只使用一種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)計(jì)算壓縮空氣儲(chǔ)能電站的熱效率是不足的。目前有以下幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中，η為全廠發(fā)電效率；ET為膨脹機(jī)對(duì)外做的功；EM為壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程做的功；EF為補(bǔ)燃燃料所攜帶的熱能。針對(duì)本工作設(shè)計(jì)的CAES電站，經(jīng)計(jì)算，η=46.7%。這種計(jì)算方法并未考慮電能與熱能在能量品質(zhì)上的差異，其實(shí)是不合理的。

式中，η為全廠發(fā)電效率；Tη為某火電廠發(fā)電效率，此處取0.4；ET代表膨脹機(jī)對(duì)外做的功；EM為壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程做的功；EF為補(bǔ)燃燃料所攜帶的熱能。針對(duì)本工作設(shè)計(jì)的CAES電站，經(jīng)計(jì)算，η=22.4%。這種計(jì)算方法認(rèn)為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電量來(lái)自火力發(fā)電廠，并不適應(yīng)于本工作中基于風(fēng)電廠而建設(shè)的CAES電站。

式中，η代表全廠發(fā)電效率；ηT代表某火電廠發(fā)電效率，此處取0.4；ET代表膨脹機(jī)對(duì)外做的功；EM為壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程做的功；EF為補(bǔ)燃燃料所攜帶的熱能。針對(duì)本工作設(shè)計(jì)的CAES電站，經(jīng)計(jì)算，η=56.1%。這種方法將CAES電站的投入和產(chǎn)出都轉(zhuǎn)化為電能，使之與其它形式儲(chǔ)能電站的發(fā)電效率具有了可比性。其中ηT不僅可以是火電廠的發(fā)電效率，也可以用其它電源的發(fā)電效率來(lái)代替，具有一定的靈活性。這種全廠發(fā)電效率的計(jì)算方式是較為合理的。

式中，η代表全廠發(fā)電效率；Tη代表某火電廠發(fā)電效率，此處取0.4；ET代表膨脹機(jī)對(duì)外做的功；EM為壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程做的功；EF為補(bǔ)燃燃料所攜帶的熱能。針對(duì)本工作設(shè)計(jì)的CAES電站，經(jīng)計(jì)算，η=49.5%。這種計(jì)算方法與式(3)計(jì)算方法的原理相同，不同之處是將補(bǔ)燃的化石燃料轉(zhuǎn)化的電能從最終發(fā)電量中減掉，而上一種計(jì)算方法將補(bǔ)燃的化石燃料轉(zhuǎn)化的電能與驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電能一起視為CAES系統(tǒng)投入的能量。

綜上所述，式(1)的算法對(duì)電能與熱能的品質(zhì)不加區(qū)分，直接計(jì)算發(fā)電效率，是不合理的。式(2)的算法將高品位的電能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，按照化石燃料發(fā)電廠的發(fā)電效率計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得到了較低的全廠發(fā)電效率，也是不合適的。式(3)、式(4)的算法將CAES系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的化石燃料通過(guò)合理的轉(zhuǎn)化比變?yōu)橐欢〝?shù)量的電能，將全廠發(fā)電效率的計(jì)算轉(zhuǎn)化為“投入/產(chǎn)出比”，使CAES電站與其它形式的儲(chǔ)能電站具有了可比性，是較為合適的全廠發(fā)電率計(jì)算方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電出力特性與蒙西電網(wǎng)用電負(fù)荷的綜合分析，得出了內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的“反相關(guān)”與“反周期”特性?；诖?，設(shè)計(jì)了2 MW級(jí)CAES示范電站，并對(duì)CAES電站系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和分析，結(jié)果如下。

（1）2 MW級(jí)CAES示范電站在工程技術(shù)上是可行的。

（2）2 MW 級(jí) CAES示范電站的設(shè)計(jì)熱耗為2002.4 kJ/kW·h，此項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于目前世界上商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的兩座壓縮空氣儲(chǔ)能氣電站——德國(guó)Huntorf（熱耗 5870 kJ/kW·h）和美國(guó) McIntosh（5780 kJ/kW·h）。熱耗低的主要原因是因?yàn)槌浞掷昧艘雇項(xiàng)夛L(fēng)電所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)，由于選擇了適合的回?zé)崞骱皖A(yù)熱器，利用空氣膨脹機(jī)尾氣先后加熱了低溫壓縮空氣及低溫天然氣（補(bǔ)燃的燃料），實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用，有效降低了機(jī)組熱耗。

（3）2 MW級(jí)CAES示范電站設(shè)計(jì)的放-充電比為0.64，低于國(guó)外的正常水平（1.2～1.8）。主要原因是本項(xiàng)目的容量較小，運(yùn)行參數(shù)低，并且沒(méi)有形成一定的規(guī)模優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，儲(chǔ)氣壓力較低，金屬壓力容器中單位體積所儲(chǔ)存的能量有限。

（4）2 MW級(jí)CAES示范電站設(shè)計(jì)的發(fā)電效率為56.1%，低于國(guó)外同類型電站的 66.3%。主要原因還是受規(guī)模影響。儲(chǔ)氣量小，且儲(chǔ)氣壓力低，導(dǎo)致配套的往復(fù)式壓縮機(jī)組效率不高，壓縮時(shí)的耗功較多。儲(chǔ)氣壓力低也意味著同樣容積下儲(chǔ)存的高壓空氣量少，單位體積的壓能低，做功能力差，導(dǎo)致空氣膨脹機(jī)的輸出功較少。運(yùn)行壓力，也影響了空氣膨脹機(jī)自身的效率。種種因素綜合起來(lái)，導(dǎo)致了本工程的能量轉(zhuǎn)化效率不高。德國(guó)Huntorf的儲(chǔ)氣容積為310 000 m3，儲(chǔ)氣壓力為66 bar（1 bar=100 kPa），機(jī)組運(yùn)行壓力為48 bar，機(jī)組功率為110 MW。美國(guó)McIntosh的儲(chǔ)氣容積為560 000 m3，儲(chǔ)氣壓力為74 bar，運(yùn)行壓力為45 bar，機(jī)組功率為280 MW?？梢?jiàn)，大容量、高參數(shù)、大功率的配置，保證了整個(gè)熱力過(guò)程的高效率。

[1] 內(nèi)蒙古自治區(qū)能源開(kāi)發(fā)局.內(nèi)蒙古自治區(qū)“十二五”電力工業(yè)發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].[2013-08-19].http://www.nmgjxw.gov.cn/cms/tzghfzgh/20110228/3686.html.

[2] 內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)展和改革委員會(huì).內(nèi)蒙古自治區(qū)“十二五”能源規(guī)劃[EB/OL].[2013-08-19].http://www.nmgjxw.gov.cn/cms/tzghfzgh/20110228/3686.html.

[3] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃[EB/OL].[2013-08-19].http://wenku.baidu.com/view/b8f49863783e0912a2162ae1.html.

[4] 內(nèi)蒙古自治區(qū)能源開(kāi)發(fā)局.內(nèi)蒙古“十二五”風(fēng)電發(fā)展及接入電網(wǎng)規(guī)劃[EB/OL].[2013-08-19].http://wenku.baidu.com/view/c1efa4a4b0717fd5360cdc12.html.

[5] Chen Haisheng（陳海生），Liu Jinchao（劉金超），Guo Huan（郭歡），Xu Yujie（徐玉杰），Tan Chunqing（譚春青）.Technical principle of compressed air energy storage system [J].Energy Storage Science and Technology（儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)），2013，2（2）：146-151.

[6] Li Yongliang（李永亮），Jin Yi（金翼），Huang Yun（黃云），Ye Feng（葉峰），Wang Xiang（汪翔），Li Dacheng（李大成），Wang Caixia（王彩霞），Ding Yulong（丁玉龍）.Principles and new development of thermal storage technology（I）[J].Energy Storage Science and Technology（儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)），2013，2（1）：69-72.

[7] Weber O.Air-Storage gas turbine power station at Huntorf [J].Brown Boveri Review，1975，62：332-337.

[8] V de Biasi.110 MW McIntosh CAES plant over 90% availability and 95% reliability [J].Gas Turbine World，1998，28：26-28.

[9] Succar S，Williams R H.Compressed air energy storage：Theory，resources，and applications for wind power [R]//Princeton Environ-mental Institute Report，2008.