陶永成，王澤鵬，郭兆君

( 中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

我國對(duì)清潔能源的需求日益增長(zhǎng)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)作為一項(xiàng)有效的能源存儲(chǔ)解決方案，逐漸受到廣泛關(guān)注[1]。然而，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)氣裝置容積和能量轉(zhuǎn)換效率方面存在一定的挑戰(zhàn)。本文提出一種創(chuàng)新性的定壓膨脹發(fā)電系統(tǒng)，旨在大幅減小儲(chǔ)氣裝置的容積，同時(shí)提高發(fā)電效率。

本系統(tǒng)保持儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部壓力不變，通過定壓膨脹方式實(shí)現(xiàn)發(fā)電，從而消除常規(guī)系統(tǒng)中需要預(yù)留墊底氣量的弊端。這一設(shè)計(jì)將顯著減少儲(chǔ)氣裝置的體積，簡(jiǎn)化系統(tǒng)并提高系統(tǒng)安全性。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行模擬和性能評(píng)估，分析其電—電轉(zhuǎn)換效率和對(duì)儲(chǔ)氣系統(tǒng)造價(jià)的影響。

1 常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)簡(jiǎn)介

國內(nèi)目前在建的壓縮空氣儲(chǔ)能電站大都以非補(bǔ)燃、蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為主，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖

常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要包括以下2 個(gè)階段[2]：

1)壓縮及儲(chǔ)熱階段。電能首先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)運(yùn)作，使空氣逐步壓縮。在此過程中，空氣的壓力和溫度相應(yīng)升高。隨后，高溫高壓空氣進(jìn)入儲(chǔ)熱系統(tǒng)，與熱媒介進(jìn)行熱交換。儲(chǔ)熱過程中，大部分壓縮空氣的熱能被傳遞給熱媒介儲(chǔ)存，同時(shí)壓縮空氣溫度降低，冷卻后的壓縮空氣被儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中。

2)釋熱及膨脹階段。低溫高壓空氣首先經(jīng)過熱交換器，與儲(chǔ)存的熱媒介進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱能釋放。經(jīng)過熱交換，熱媒介降溫，壓縮空氣則重新獲得部分熱能，溫度上升。隨后，高溫高壓空氣進(jìn)入膨脹機(jī)，通過氣體膨脹過程釋放能量，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。膨脹過程中，高壓空氣的壓力能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。同時(shí)，高壓空氣膨脹后壓力和溫度不斷降低，最終壓力降至不可利用后排入大氣。

1.2 常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在的問題

雖然常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目得到應(yīng)用[3-4]，但仍存在一些問題，具體如下：

1)膨脹機(jī)入口壓力持續(xù)變化：在釋能過程中，膨脹機(jī)入口的壓力會(huì)持續(xù)下降，這將導(dǎo)致膨脹機(jī)的效率降低。由于進(jìn)氣壓力下降，膨脹機(jī)可能偏離設(shè)計(jì)的高效區(qū)間運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率[5]。此外，過大的壓力波動(dòng)還會(huì)對(duì)膨脹機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，增大其疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

2)初期需消耗電力和時(shí)間建立墊底氣壓：在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，需要消耗電力和時(shí)間建立墊底氣壓，這會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

3)儲(chǔ)氣裝置容積過大：儲(chǔ)氣裝置容積過大會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣儲(chǔ)能電站的造價(jià)較高，同時(shí)增加了選址的難度。以某300 MW/1 800 MWh 壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)8 h，釋能時(shí)長(zhǎng)6 h，采用地下人工硐室儲(chǔ)氣時(shí)，儲(chǔ)氣裝置容積需達(dá)到18.57 萬m3。根據(jù)國內(nèi)已完成可行性研究設(shè)計(jì)和已經(jīng)進(jìn)入施工階段的項(xiàng)目資料，地下人工硐室造價(jià)約2 000 ～3 500 元/m3，按3 000 元/m3計(jì)算，儲(chǔ)氣系統(tǒng)造價(jià)將達(dá)到5.57 億元。

4)停運(yùn)時(shí)儲(chǔ)氣裝置仍維持較高壓力：在壓縮空氣儲(chǔ)能電站停運(yùn)期間，儲(chǔ)氣裝置需保持高壓狀態(tài)，增加了泄漏和爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，高壓狀態(tài)還可能導(dǎo)致儲(chǔ)氣裝置的設(shè)備承受較大的壓力沖擊，從而降低其使用壽命。

2 基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣裝置容積過大主要由墊底氣量導(dǎo)致，目的是減小壓力波動(dòng)、提高發(fā)電效率。為消除墊底氣量影響，釋能過程中持續(xù)補(bǔ)充與發(fā)電耗氣量等體積的液態(tài)水，以保持儲(chǔ)氣裝置壓力穩(wěn)定。在此條件下，膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力和流量恒定，儲(chǔ)氣裝置容積僅需考慮發(fā)電所需氣量，無需預(yù)留墊底氣量，從而顯著縮小容積，降低建造成本。

儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用1.6 MPa 熱水作為熱媒介質(zhì)，為確保熱媒介質(zhì)不汽化，儲(chǔ)熱系統(tǒng)溫度范圍設(shè)定為50 ～ 180 ℃?；诙▔汗獾膲嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程圖

2.2 基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方法

2.2.1 儲(chǔ)能過程運(yùn)行方法

系統(tǒng)開始儲(chǔ)能時(shí)，一段、二段壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，來自大氣的空氣被一段壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，來自儲(chǔ)冷罐的儲(chǔ)冷介質(zhì)進(jìn)入一級(jí)空氣冷卻器與空氣換熱，升溫后進(jìn)入儲(chǔ)熱罐中儲(chǔ)存。低溫高壓空氣不斷被壓入儲(chǔ)氣裝置內(nèi)，水經(jīng)管道被擠壓至常壓儲(chǔ)水裝置，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)氣開始后系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

當(dāng)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的水全部被壓入常壓儲(chǔ)水裝置后，關(guān)閉儲(chǔ)氣裝置與常壓儲(chǔ)水裝置相連管道的進(jìn)水關(guān)斷閥和排水關(guān)斷閥，持續(xù)儲(chǔ)存壓縮空氣。

當(dāng)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的壓力達(dá)到二段壓縮機(jī)排氣壓力后，按相同步驟依次啟動(dòng)三段/四段壓縮機(jī)和相應(yīng)的出口關(guān)斷閥，直至儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的空氣壓力達(dá)到最高設(shè)計(jì)壓力，關(guān)閉四段壓縮機(jī)出口和儲(chǔ)氣裝置之間的進(jìn)氣關(guān)斷閥，完成儲(chǔ)能過程，此時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 儲(chǔ)氣完成后系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

2.2.2 釋能過程運(yùn)行方法

系統(tǒng)開始釋能時(shí)，開啟儲(chǔ)氣裝置和膨脹機(jī)之間的出氣關(guān)斷閥，同時(shí)開啟定壓泵，將常壓儲(chǔ)水裝置內(nèi)的水不斷壓入儲(chǔ)氣裝置中，以維持儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓力不變。高壓氣體經(jīng)一級(jí)空氣加熱器升溫后進(jìn)入一級(jí)膨脹機(jī)做功發(fā)電；一級(jí)膨脹機(jī)的排氣經(jīng)過膨脹做功過程后壓力和溫度均降低，再順次進(jìn)入二級(jí)空氣加熱器、二級(jí)膨脹機(jī)和三級(jí)空氣加熱器、三級(jí)膨脹機(jī)，三級(jí)膨脹機(jī)出口的低溫、低壓空氣做功能力無法利用，克服排氣筒的阻力后直接排入大氣。釋能開始一段時(shí)間后的系統(tǒng)狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 釋能開始一段時(shí)間后系統(tǒng)狀態(tài)示意圖

當(dāng)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體全部釋放完畢后，關(guān)閉定壓泵，開啟儲(chǔ)氣裝置和常壓出水裝置之間的進(jìn)水關(guān)斷閥和排水關(guān)斷閥，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的壓力降至正常壓力，系統(tǒng)恢復(fù)到初始的待儲(chǔ)狀態(tài)。

同樣以某300 MW/1 800 MWh 壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例，由于墊底氣量的取消，儲(chǔ)氣裝置容積為7.9 萬m3，與常規(guī)方案相比不足1/2。按照地下人工硐室的單位造價(jià)3 000 元/m3計(jì)算，儲(chǔ)氣系統(tǒng)造價(jià)僅為2.37 億元。雖然常壓儲(chǔ)水裝置的容積與儲(chǔ)氣裝置的容積基本相同，但其造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地下人工硐室。根據(jù)國內(nèi)火電靈活性改造中大容量常壓蓄熱水罐的制造經(jīng)驗(yàn)，常壓儲(chǔ)水裝置的單位造價(jià)可按800 元/m3估算，儲(chǔ)氣系統(tǒng)總造價(jià)為2.77 億元，約為常規(guī)方案造價(jià)的49.63%。

3 系統(tǒng)參數(shù)及效率

采用化工、能源行業(yè)常用的流程模擬軟件Aspen Plus V11 對(duì)某300 MW/1 800 MWh 項(xiàng)目進(jìn)行模擬。由于目前國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)最大功率為80 MW 級(jí)，為降低單臺(tái)壓縮機(jī)功率，該項(xiàng)目壓縮側(cè)采用雙線方案，即兩套等容量的壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。在整個(gè)壓縮過程中，四段壓縮機(jī)始終處于變壓比運(yùn)行工況，出口溫度隨壓比增加而升高，因此，不考慮回收其排氣余熱，采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行降溫后注入儲(chǔ)氣裝置內(nèi)。壓縮及儲(chǔ)熱系統(tǒng)參數(shù)見表1 所列。

表1 壓縮及儲(chǔ)熱系統(tǒng)參數(shù)表

膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)主要源自蒸汽輪機(jī)技術(shù)，300 MW 級(jí)膨脹機(jī)及發(fā)電機(jī)已經(jīng)非常成熟，因此，膨脹側(cè)采用單線方案，放熱及膨脹系統(tǒng)參數(shù)見表2 所列。

表2 放熱及膨脹系統(tǒng)參數(shù)表

儲(chǔ)氣裝置不設(shè)墊底氣壓，在初期儲(chǔ)氣時(shí)，僅需一段、二段壓縮機(jī)運(yùn)行，待儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部壓力提高至一定程度后，三段、四段壓縮機(jī)才陸續(xù)投入運(yùn)行，因此，整體耗電量低于常規(guī)帶墊底氣壓的壓縮空氣系統(tǒng)。綜合考慮各段壓縮機(jī)的流量、排氣壓力與儲(chǔ)氣裝置的容積，根據(jù)理想氣體狀態(tài)可以估算得到各段壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，估算結(jié)果見表3 所列。

表3 各段壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)表

按照各段壓縮機(jī)功率及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)計(jì)算，8 h壓縮過程總計(jì)耗電量為2 281 MWh。膨脹過程中，定壓泵與膨脹機(jī)均滿負(fù)荷運(yùn)行，扣除定壓泵的耗電量，則6 h 實(shí)際發(fā)電量為1 425 MWh。在不考慮廠用電的影響時(shí)，電—電轉(zhuǎn)換效率為62.48%。

4 結(jié)論

綜合考慮降低投資、運(yùn)行控制和系統(tǒng)安全等要素，基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)更適合應(yīng)用于采用地下人工硐室作為儲(chǔ)氣裝置的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文提出的基于定壓供氣的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：①儲(chǔ)氣裝置容積大幅縮減，儲(chǔ)氣系統(tǒng)造價(jià)約為常規(guī)方案的49.63%；②釋能過程中膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力維持不變，膨脹機(jī)無需設(shè)置補(bǔ)氣系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)額定負(fù)荷發(fā)電，控制系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單；③膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力始終維持高壓狀態(tài)，體積流量低，膨脹機(jī)設(shè)備尺寸和進(jìn)氣管道規(guī)格均較小，降低初始投資；④儲(chǔ)氣裝置內(nèi)部壓力始終不變，不會(huì)因?yàn)槌掷m(xù)釋放氣體帶來的壓力降低而導(dǎo)致溫度下降；⑤釋能結(jié)束后，儲(chǔ)氣裝置壓力釋放至常壓，與其相連的壓縮及膨脹系統(tǒng)無需隔離，安全性大幅提高。

需要指出的是，仍需進(jìn)一步深入研究該系統(tǒng)的以下問題：①在儲(chǔ)氣裝置設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)一步提高儲(chǔ)氣效率，降低儲(chǔ)氣裝置的容積；②優(yōu)化定壓泵的驅(qū)動(dòng)方案，以提高電—電轉(zhuǎn)換效率；③對(duì)儲(chǔ)氣裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行可靠性研究；④與設(shè)備廠家深入配合，分析定壓泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

下一步將對(duì)系統(tǒng)深入分析，為清潔能源的應(yīng)用和能源轉(zhuǎn)型提供經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)廣泛應(yīng)用。