韓益帆 安恩科 張 瑞 劉 棟

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

大規(guī)模開發(fā)和利用可再生能源是應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境危機(jī)的重要措施之一。風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電都具有間歇性和不穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前電力負(fù)荷特性具有明顯的晝夜峰谷差，在建設(shè)發(fā)電系統(tǒng)以及輸配電系統(tǒng)時(shí)，需按最高電力負(fù)荷對(duì)發(fā)電容量和輸配電容量進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)，使發(fā)電和輸配電環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率降低，電力系統(tǒng)的建造成本較高。儲(chǔ)能技術(shù)是解決這些問題的重要方法之一，在大規(guī)模儲(chǔ)能方面，目前比較成熟的技術(shù)有：抽水蓄能、蓄電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。抽水蓄能電站的建設(shè)很大程度上受到地理?xiàng)l件的限制，蓄電池儲(chǔ)能的工作壽命一般為2-3年，使這種方式的總成本很高。此外，在蓄電池儲(chǔ)能的后期處理過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。相對(duì)而言，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響較小、電回轉(zhuǎn)效率較高，有望成為解決上述問題的最佳方法。

德國(guó)1978年建造的Huntorf電站是世界上第一座壓縮空氣儲(chǔ)能電站，其容量為290MW，主要用于電網(wǎng)的削峰填谷和電源備用[3]。美國(guó)1991年建造的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站，其容量為110MW，采用地下巖洞儲(chǔ)氣，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為45bar～74bar[4]。2009年，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所完成了1．5MW超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)機(jī)組的調(diào)試和優(yōu)化。2012年7月，國(guó)家電網(wǎng)公司設(shè)立重大科技專項(xiàng)，由清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國(guó)電力科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所開展大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，并建設(shè)了500kW非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。2016年，國(guó)家電網(wǎng)公司擬在張北建設(shè)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能電站，該系統(tǒng)電回轉(zhuǎn)效率為50%～60%[5]。目前，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所與中科院廣州能源研究所、北京工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)和南方電網(wǎng)等正在進(jìn)行10MW級(jí)超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能電站的示范工作[6]。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是在電力系統(tǒng)處于用電低谷時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣能，在蓄熱同時(shí)將壓縮空氣儲(chǔ)存起來。當(dāng)電力系統(tǒng)處于用電高峰時(shí)，回?zé)釅嚎s空氣膨脹做功、發(fā)電以滿足電力需求。壓縮空氣可儲(chǔ)存于地下含水層，具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。蓄熱回?zé)釅嚎s空氣可使壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率提高幅度超過20%。

1 全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)想

對(duì)于多級(jí)空氣壓縮來說，若每級(jí)空氣的初始溫度相同，在各級(jí)壓比相同的情況下，壓縮機(jī)消耗的總功最小[7]。對(duì)于兩級(jí)膨脹過程來說，若每級(jí)進(jìn)入膨脹機(jī)前的空氣溫度都相同，即，第一級(jí)膨脹出口壓力與第二級(jí)膨脹入口壓力相同，即，則1kg空氣在膨脹機(jī)內(nèi)所做的技術(shù)功為：

根據(jù)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)想[1-2]，空氣壓縮由各級(jí)后冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)完成，采用最小過冷度大于30℃的水對(duì)壓縮空氣熱進(jìn)行蓄熱，水質(zhì)要求與壓力相同等級(jí)的鍋爐水質(zhì)相同。各級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度較低，壓縮機(jī)各級(jí)的壓縮比和入口處空氣的溫度分別相同，壓縮機(jī)的耗功為最小，末級(jí)壓縮出口被冷卻后的壓縮空氣被注入地下含水層儲(chǔ)存；空氣膨脹由各級(jí)的級(jí)前加熱多級(jí)膨脹機(jī)完成，蓄熱水作為熱源，于是壓縮空氣熱全部回?zé)嵊诟骷?jí)膨脹機(jī)入口的空氣，膨脹機(jī)各級(jí)的膨脹比和入口處空氣的溫度分別相同，膨脹機(jī)做功為最大。膨脹機(jī)末級(jí)出口的空氣狀態(tài)接近大氣參數(shù)并排放于大氣中；全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率大于70%。

1.2 全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及工作過程

根據(jù)上述構(gòu)想設(shè)計(jì)的三級(jí)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1所示。包括換能蓄熱裝置與回?zé)岚l(fā)電裝置。換能蓄熱裝置包括：電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、回?zé)釗Q熱器、冷水箱、熱水箱和地下含水層?；?zé)岚l(fā)電裝置包括：膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、回?zé)釗Q熱器、熱水箱、冷水箱和地下含水層。

圖1 三級(jí)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

三級(jí)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程如圖2所示。1-2為第一級(jí)壓縮過程，2-3為第一級(jí)壓縮空氣冷卻過程；3-4為第二級(jí)壓縮過程，4-5為第二級(jí)壓縮空氣冷卻過程；5-6為第三級(jí)壓縮過程，6-7為第三級(jí)壓縮空氣冷卻過程。7-8為將高壓空氣注入地下含水層進(jìn)行存儲(chǔ)到從地下含水層取出過程。8-9為第一級(jí)壓縮空氣回?zé)徇^程，9-10為第一級(jí)膨脹過程；10-11為第二級(jí)壓縮空氣回?zé)徇^程，11-12為第二級(jí)膨脹過程；12-13為第三級(jí)壓縮空氣回?zé)徇^程，13-14為第三級(jí)膨脹過程，14點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)接近大氣，隨后排入大氣。

圖2 三級(jí)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程

2 級(jí)數(shù)對(duì)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響

全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率定義為：膨脹機(jī)輸出總功率與壓縮機(jī)消耗總功率之比，即：

對(duì)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)做以下假設(shè)：

（1）空氣為理想氣體；

（2）系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；

（3）忽略回?zé)釗Q熱器的散熱損失[8]。

（4）忽略系統(tǒng)中各設(shè)備之間的管道壓力損失。

空氣采用一級(jí)壓縮時(shí)，壓縮機(jī)出口空氣溫度727．8℃，該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)。因此，基于以上假設(shè)，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律，運(yùn)用As-pen Plus對(duì)系統(tǒng)的二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)等全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行了模擬，其運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

10MW全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)消耗功率與級(jí)數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，壓縮機(jī)消耗功率隨級(jí)數(shù)的增大而增加。全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率與級(jí)數(shù)的關(guān)系如圖4所示。隨著系統(tǒng)級(jí)數(shù)的增加，電回轉(zhuǎn)效率隨之降低。其原因是隨著級(jí)數(shù)的增加，壓縮過程接近于等溫壓縮，壓縮功減小，但通過空氣壓縮熱的全回?zé)幔蛎洐C(jī)入口的空氣溫度不斷減小，循環(huán)效率減小，膨脹功減小，當(dāng)膨脹功的減小大于壓縮功的減小時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)生10MW的膨脹功，壓縮機(jī)耗功增加，其電回轉(zhuǎn)效率減小。

圖3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)數(shù)與壓縮機(jī)消耗功率的關(guān)系

圖4 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)數(shù)與電回轉(zhuǎn)效率的關(guān)系

3 全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的?分析

?是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，J·kg-1，由下式計(jì)算：

對(duì)于理想氣體：

根據(jù)熵的熱力學(xué)方程式：

單位質(zhì)量工質(zhì)壓縮過程的?損失如下：

單位質(zhì)量工質(zhì)膨脹過程的?損失如下：

?損失率定義為：?損失與壓縮機(jī)消耗總功率之比。

?損失系數(shù)定義為：系統(tǒng)內(nèi)各部分的?損失與系統(tǒng)總?損失的比值，即：

圖5是全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的級(jí)數(shù)與壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、回?zé)釗Q熱器、地下含水層等的?損失之間的關(guān)系?？梢钥闯觯S著級(jí)數(shù)的增加，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、回?zé)釗Q熱器、地下含水層等的?損失有增大的趨勢(shì)，這是由于系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率隨著級(jí)數(shù)增加不斷減小的緣故。

表2是全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的級(jí)數(shù)與壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、回?zé)釗Q熱器、地下含水層的?損失系數(shù)等之間的關(guān)系。可以看出，隨著級(jí)數(shù)的增加，壓縮機(jī)的?損失系數(shù)不斷減小,回?zé)釗Q熱器的?損失系數(shù)不斷增大，膨脹機(jī)的?損失系數(shù)先增大后減小，地下含水層的?損失系數(shù)基本不變。這是因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)數(shù)越多，壓縮機(jī)的耗功相對(duì)減小，壓縮機(jī)的?損失系數(shù)不斷減??；回?zé)釗Q熱器的傳熱溫差基本相同，級(jí)數(shù)增多，最高溫度減小，?損失系數(shù)不斷增大；壓縮機(jī)?損失系數(shù)減小和回?zé)釗Q熱器?損失系數(shù)增大的共同作用，使膨脹機(jī)的?損失系數(shù)先增大后減小；壓縮空氣注入地下含水層的溫度和壓力損失不隨級(jí)數(shù)變化，其?損失系數(shù)基本不變。

圖5 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)數(shù)與各部分?（做功能力）損失的關(guān)系

表2不同級(jí)數(shù)所對(duì)應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)各部分的?損失系數(shù)

全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的級(jí)數(shù)與?損失率的關(guān)系如表3所示。隨著級(jí)數(shù)增大，其?損失率不斷增大。，即圖4和表3的數(shù)值一致，說明該?分析方法和計(jì)算正確。

表3不同級(jí)數(shù)的?損失率

綜上所述，隨著全回?zé)釅嚎s儲(chǔ)能系統(tǒng)級(jí)數(shù)的增加，電回轉(zhuǎn)效率不斷減小。二級(jí)全回?zé)釅嚎s儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率為75．3%，壓縮機(jī)出口空氣溫度312．8℃，該系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)。三級(jí)全回?zé)釅嚎s儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率為72．6%，壓縮機(jī)出口空氣溫度199．1℃，四級(jí)全回?zé)釅嚎s儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率為70．2%，壓縮機(jī)出口空氣溫度150．4℃。三級(jí)全回?zé)釅嚎s儲(chǔ)能系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中是可以實(shí)現(xiàn)的[1，2]，其電回轉(zhuǎn)效率最高，是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的最好選擇方案之一。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于2～4級(jí)全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率為70．2%～75．3%，隨著系統(tǒng)級(jí)數(shù)的增加，全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電回轉(zhuǎn)效率有降低的趨勢(shì)；

（2）對(duì)于2～4級(jí)的全回?zé)釅嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，壓縮機(jī)的?損失系數(shù)為30．9%～35．3%、膨脹機(jī)的?損失系數(shù)為23．3%～24．5%、回?zé)釗Q熱器?損失系數(shù)為37．4%～41．5%、地下含水層?損失系數(shù)為3．9%～4．0%。