科學(xué)技術(shù)與工程動(dòng)力技術(shù)壓縮空氣儲能儲氣裝置發(fā)展現狀與儲能特性分析劉金超1>2徐玉杰1陳宗衍1張新敬1陳海生1譚春青1（中國科學(xué)院工程熱物理研究所\北京100190；中國科學(xué)院大學(xué)2，北京100190）用現狀，包括儲氣裝置的分類(lèi)、不同類(lèi)型儲氣裝置的技術(shù)特點(diǎn)及應用情況，并詳細分析了儲氣裝置的儲能特性研究為儲氣裝置的設計選型提供理論。
　　中圖法分類(lèi)號TK02；標志碼A為了滿(mǎn)足能源與環(huán)境的可持續發(fā)展，世界各國紛紛大力發(fā)展可再生能源，特別是風(fēng)能和太陽(yáng)能成為開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)E―3.但風(fēng)能與太陽(yáng)能存在間歇性和不穩定的致命缺陷(defect)，上網(wǎng)過(guò)程中容易對主電網(wǎng)的運行方式、電能品質(zhì)等帶來(lái)沖擊，增加了電網(wǎng)的調控（釋義：調節、控制）壓力。這種方式被認為是比較經(jīng)濟的儲氣方式，典型結構(的估算成本最低可達2 /kW*h，通常情況下的估計成本為6~10 /kW，h.這種儲氣裝置應用較早，1978年德國Huntorf電站使用位于地下600m深處的穹頂狀鹽巖洞存儲壓縮空氣，其設計儲氣壓力為（4.8 ~6.6）MPa；美國McIntosh壓縮空氣儲能電站同樣使用廢棄的鹽巖洞進(jìn)行存儲，儲氣室位于地下450 m深處，最高儲氣壓力可達7.5MPa. 1.
　　2. 2硬巖層結構的礦井或洞穴與鹽巖洞結構相比，硬巖層結構的礦井或洞穴抗壓(Compression)強度較高，耐壓能力強和安全(security)性高是它的突出優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于巖石堅硬導致施工難度（difficulty)大和施工費用高50一52.研究（research)表明，建設全新的硬巖層結構儲氣裝置的成本約為30 KkW*h）48，而使用廢棄的硬巖層結構礦井，成本約為10然略高于鹽巖洞結構。美國Ohio州的Norton在建壓縮空氣儲能項目使用位于地下670 m深處的廢棄石灰巖礦井儲存壓縮空氣，洞穴容量為9.6氣壓力為（5.5 1.2.3地下含水層地下含水層是除鹽巖洞外另一種比較經(jīng)濟(jīng jì)的儲氣方式，甚至地質(zhì)結構特性好的地區預期建設成本科學(xué)技術(shù)與工程14卷會(huì )接近或者低于鹽巖洞方式M.并且增加附加儲存容量的成本較為低廉，在井坑足夠的條件下，增加的成本約為。11/（kWMi），比鹽巖洞方式低一個(gè)數量級，比硬巖層方式低兩個(gè)數量級以上6759.它的主要缺點(diǎn)是選址困難和墊氣層耗氣較大。雖然目前還沒(méi)有商業(yè)(business)化的含水層儲氣項目，但已經(jīng)存在些研究性項目或建設中的項目。如意大利Sesta的25MW多孔巖層壓縮空氣儲能系統和美國Iowa州白勺IMAU（Iowaassociationofmunicipalutilities）在建項目M.其中IMAU在建項目使用位于地下279m深度的多孔砂巖結構的斜背層儲存壓縮空氣，建成后將為風(fēng)電資源豐富的達拉斯地區風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)服務(wù)。
　　1.2.4廢棄的天然氣儲氣室或者石油儲氣室這種儲存方式方法是對現有的儲氣室進(jìn)行改造，改造費用需要預先評估，通常投資成本不高。但是存在一定的安全隱患，因為原有儲氣室的保護層氣體或者殘余的氣體可能會(huì )引起燃燒甚至爆炸。
　　盡管地下儲氣裝置成本優(yōu)勢（解釋:能壓倒對方的有利形勢)明顯，但面臨著(zhù)選址困難、建設工程量大、建設周期長(cháng)甚至會(huì )引起生態(tài)移民等問(wèn)題，這些限制了它的廣泛應用。
　　1.3地面儲氣裝置地面儲氣裝置應用靈活，適用于無(wú)法建設地下儲氣裝置或者規模較小的壓縮空氣儲氣系統。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。根據結構形式的不同，地面儲氣裝置可以分為儲氣罐、鋼瓶組和儲氣管道三種類(lèi)型。
　　1.3.1儲氣罐儲氣罐是應用最廣泛的地面儲氣裝置，目前常用的結構有圓筒形和球形兩種。是一種典型的圓筒形儲氣罐，由筒體、球形封頭、法蘭、密封元件、底座及安全附件等組成。優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現高壓儲氣和長(cháng)時(shí)間儲氣，通常單臺儲氣罐的設計直徑小于3m，設計長(cháng)度小于20m.球形儲氣罐（）是另種常用的儲氣罐，相比于圓筒形儲氣罐，球形儲氣罐具有單個(gè)罐體存儲容量大和單位投資成本低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是承壓較低。由于單個(gè)罐體容積較大，球形儲氣罐通常在用戶(hù)現場(chǎng)進(jìn)行組裝。
　　1為罐體(Tank)，2為支撐柱，3為人孔，4為拉桿，5為爬梯，6為安全附件球形儲氣罐結構1.3.2鋼瓶組鋼瓶組由數量較多的單個(gè)鋼瓶以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式組成。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。鋼瓶是壓力(pressure)容器的一種，也稱(chēng)為氣瓶，有焊接、無(wú)縫兩種結構，常規鋼瓶的公稱(chēng)工作(gōng zuò)壓力在（8~30）MPa，公稱(chēng)容積(Capacity)為（0.4~80）L，在CNG運輸和儲氣領(lǐng)域應用較多。市場(chǎng)上常用的鋼瓶組分為立式和臥式兩種，通過(guò)專(zhuān)用鋼瓶支架固定。個(gè)完整的鋼瓶組結構包括鋼瓶、鋼瓶支架、閥門(mén)、儀表和管路等部件。是種臥式鋼瓶組，采用并聯(lián)方式連接，連接管路為高壓不銹鋼材質(zhì)。鋼瓶組的主要優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，可以根據用戶(hù)(user)需要進(jìn)行布置。不好的地方是進(jìn)行大容量存儲時(shí)的數量較多，帶來(lái)操作控制復雜和可靠性降低的問(wèn)題。
　　鋼瓶組形式1為筒體，2為球封頭，3為安全閥接口，4為人孔法蘭，5為氣體進(jìn)口(import)，6為人口螺栓，7為底座，8為銘牌，9為排污管，10為氣體出口，11為壓力表接口圓筒形儲氣罐結構3管道管道儲氣是使用若干根大口徑、高強度的結構鋼管按照一定間距布置來(lái)儲存氣體是一種類(lèi)35期劉金超，等：壓縮空氣儲能儲氣裝置發(fā)展現狀與儲能特性分析儲氣管道形式Fig.似于氣瓶組結構的管道布置，管道首尾端通過(guò)(tōng guò)變徑和彎頭與外部接口連接。這種儲氣方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠高壓、大容量?jì)Υ?，布置靈活、施工方便，采用通用規格的鋼管則經(jīng)濟性更好，若進(jìn)行埋地放置，則可以節省大量的地上空間。缺點(diǎn)是目前在儲能領(lǐng)域的應用較少。管道儲氣方式的應用較早，20世紀60年代，美國建設了一條長(cháng)度約5.28km的儲氣管道，儲氣壓力6.26MPa，管道材料(Material)為X60系列釩鋼管。由于當時(shí)結構鋼管技術(shù)較為落后，使儲氣管道的應用受到了技術(shù)限制，盡管如此，人們還是對這種儲氣方式投入了較多的科研精力fo‘65’74|78.79設計了一種直徑6 
　　M、總長(cháng)25 km的儲氣管道，能夠滿(mǎn)足8GW*h的壓縮空氣儲能電站使用。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。80設計了一種承壓大于
　　8. 3MPa的儲氣管道，用于小規模(guī mó)CAES電站使用。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。目前，隨著(zhù)大口徑管線(xiàn)鋼技術(shù)的快速發(fā)展，鋼管材料的屈服強度得到較大提升，管材壁厚和單位用鋼量最大化減少，工程建設成本不斷降低，這種類(lèi)型的材料引起了人們的廣泛(extensive)關(guān)注。目前我國在長(cháng)輸管道末端和城市輸氣管網(wǎng)中使用X系列管線(xiàn)鋼儲存壓縮天然氣，它具有強度高、韌性高和單位成本低等優(yōu)點(diǎn)60，
　　1. 2CAES儲氣裝置儲能特性分析對于所示的CAES系統(system)，其釋能階段的工作流程是：壓縮空氣從儲氣裝置中釋放，經(jīng)減壓閥降壓后進(jìn)入燃燒室燃燒吸熱，然后進(jìn)入膨脹機做功。
　　在這個(gè)過(guò)程中，儲氣裝置內部壓力從初始時(shí)刻的儲氣壓力逐漸降低至終了時(shí)刻的膨脹機進(jìn)口額定壓力，當儲氣壓力低于膨脹機進(jìn)口額定壓力時(shí)，儲氣裝置停止輸出氣體，此時(shí)釋能過(guò)程結束。因此，實(shí)際參與膨脹機做功的壓縮空氣(Basin air)只是儲氣裝置中壓縮空氣的一部分，即釋能階段初始時(shí)刻的壓縮空氣內能與終了時(shí)刻的壓縮空氣內能的差值最終參與到能量轉換過(guò)程。
　　為方便計算，不對釋能階段復雜的熱力過(guò)程作深入研究，視壓縮氣體為理想氣體，忽略管道、閥門(mén)處的氣量損失（loss)，不考慮儲氣裝置降壓膨脹過(guò)程中的溫度變化（由于釋能過(guò)程中，壓縮空氣與儲氣裝置本體及環(huán)境存在較強的熱交換，因此忽略?xún)庋b置內部溫度變化，視為等溫膨脹過(guò)程）、減壓閥前后的溫度變化（減壓閥工作過(guò)程為等焓節流過(guò)程，其相對溫度降變化較?。┮约皽p壓閥后壓縮空氣燃燒吸熱的壓力變化。儲氣裝置的性能指標包括儲氣裝置容積(Capacity)、儲氣量和儲能密度，本文重點(diǎn)研究在不同儲氣溫度和儲氣壓力條件下上述性能指標的變化規律。2.1儲氣裝置容積根據理想氣體狀態(tài)方程，釋能階段儲氣裝置初始時(shí)刻和終了時(shí)刻的狀態(tài)參數關(guān)系為表示壓力、溫度和質(zhì)量，單位分別為MP
　　A、K和kg；下標s0、si分別表示釋能初始時(shí)刻和終了時(shí)刻，與Tri相等。
　　式（3）中：Am為經(jīng)過(guò)減壓閥降壓后最終參加膨脹機做功的壓縮空氣質(zhì)量，單位kg.根據膨脹機額定工況下的質(zhì)量流量和釋能工作時(shí)間，可以給出Am的計算公式式（4）中：m為膨脹機額定工況下的壓縮空氣質(zhì)量流量，單位kg/s；t為膨脹機釋能工作時(shí)間，單位s. 2.2儲氣量?jì)饬恐竷庋b置在標準狀況下的實(shí)際儲氣體積，單位N*m3.根據質(zhì)量守恒定律，可以將儲氣裝置中的壓縮空氣總量折算成標準狀況下的儲氣量。
　　式（6）中：Ps0為p0、Ts.條件下的密度，由理想氣體狀態(tài)方程計算得出。
　　2.3儲能密度（單位:g/cm3或kg/m3)儲能密度是衡量?jì)庋b置儲能能力的重要指標，儲能密度按照式（7）計算
　　式（7）中：y為儲能密度（kJ/m3）；E為儲氣裝置中經(jīng)過(guò)減壓閥降壓后的壓縮空氣(Basin air)可用能（kJ）；壓力/MPa儲氣量隨儲氣壓力和儲氣溫度（temperature)的變化為儲能密度隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯?/span>
　?、僭趦鉁囟龋╰emperature)一定的條件下，儲能密度隨儲氣壓力的升高而增大。
　?、谠趦鈮毫σ欢ǖ臈l件下，儲能密度隨儲氣溫度的升高而減小。
　?、垭S著(zhù)儲氣壓力(pressure)的增大，儲氣溫度對儲能密度的影響程度逐漸增大，對比儲氣溫度293K和353K兩條曲線(xiàn)（Curve），儲氣壓力10MPa時(shí)的儲能密度相差約336kJ/m3，而儲氣壓力40MPa時(shí)的儲能密度相差約10958kJ/m3.
　?、軆δ苊芏茸畲笾党霈F在儲氣溫度293
　　K、儲氣壓力40MPa時(shí)，而最小值出現在儲氣溫度353
　　K、儲氣壓力(pressure)10MPa時(shí)。
　　儲能密度隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化從以上分析可以看出，儲氣壓力和儲氣溫度對儲氣裝置性能指標都具有較大影響，相比之下，儲氣壓力影響更大。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。對于系統參數定的CAES系統，提高儲氣壓力并降低儲氣溫度，能夠顯著(zhù)減小儲氣氣溫度對儲氣量的影響逐漸減小，以?xún)鈮毫?0MPa為例，儲氣溫度293K時(shí)比353K時(shí)約增力卩6 217N，m3，而儲氣壓力40MPa時(shí)，儲氣溫度293K時(shí)的為儲氣量隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線(xiàn)（Curve）?？梢钥闯觯?/span>
　?、賰饬客瑫r(shí)隨儲氣壓力和儲氣溫度的升高而減小。
　?、趦鈮毫?pressure)對儲氣量的影響較大，以?xún)鉁囟?93K為例，儲氣壓力10MPa時(shí)約是40MPa時(shí)的2.6倍。
　?、垭S著(zhù)儲氣壓力的升高，儲儲氣裝置(Apparatus)容積隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化2.4儲氣裝置性能計算根據2.1節~2.3節的分析結果，通過(guò)計算分析儲氣裝置的性能指標在不同工況下的變化規律。CAES系統的技術(shù)參數如表1所示。
　　表1技術(shù)(technology)參數為儲氣裝置(Apparatus)容積(Capacity)隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯?/span>
　?、賰庋b置容積受儲氣壓力的影響較大。在儲氣溫度一定的條件下，隨著(zhù)儲氣壓力的增加儲氣裝置容積逐漸減小。
　?、谠趦鈮毫Γ?0 ~20）MPa范圍內，儲氣裝置容積減小的速度相對較快，20MPa之后減小的速度變緩；以?xún)鉁囟?93K為例，儲氣壓力20MPa時(shí)的儲氣裝置容積比減小約53m3.
　?、墼趦鈮毫?pressure)一定的條件下，儲氣裝置容積隨儲氣溫度的升高而增大，但影響程度沒(méi)有儲氣壓力大。
　?、茈S著(zhù)儲氣壓力的增加，儲氣溫度對儲氣裝置容積的影響逐漸減??；以?xún)鈮毫?0MPa為例，儲氣溫度353K時(shí)的儲氣裝置容積比293K時(shí)約增加92m3，而當儲氣壓力達到40MPa時(shí)，儲氣溫度353K時(shí)的儲氣裝置容積比293K時(shí)約1委5期劉金超，等：壓縮空氣(Basin air)儲能儲氣裝置發(fā)展現狀與儲能特性分析裝置的容積和增大儲能密度，從而可以解決儲氣裝置占地面積大、單位存儲能量低的問(wèn)題。但是，儲氣壓力的選擇要合理，并不是越高越好。由于膨脹機進(jìn)氣壓力受到透平設備的設計、加工等因素影響較大，通常不會(huì )很高，若儲氣壓力和膨脹機進(jìn)氣壓力之間的壓差過(guò)大，會(huì )對CAES系統的總體性能產(chǎn)生較大影響。研究表明，兩者的壓差越大，釋能過(guò)程中損失的壓力能越多，系統的熱效率和火用效率越低43.因此，在進(jìn)行儲氣裝置的設計計算時(shí)，不僅需要綜合考慮儲氣壓力和儲氣溫度的影響，還要考慮儲氣壓力與膨脹機進(jìn)氣壓力之間的壓差對系統效率的影響。
　　3結論本文綜述了CAES儲氣裝置的發(fā)展及應用現狀，并深入研究（research)了儲氣裝置的儲能特性，得出如下結論：（1）依據(yī jù)存放位置的不同，儲氣裝置可以分為地下儲氣裝置和地面儲氣裝置。地下儲氣裝置具有存儲容量大和儲氣成本低的突出優(yōu)點(diǎn)，但對地質(zhì)條件的過(guò)度依賴(lài)限制了它的廣泛應用。地面儲氣裝置能夠擺脫地質(zhì)條件的限制，具有寬闊的應用前景；氣裝置容積(Capacity)、儲氣量和儲能密度，對這三個(gè)指標的主要影響(influence)因素為儲氣壓力和儲氣溫度；儲氣裝置設計選型時(shí)，需要綜合考慮儲氣壓力、儲氣溫度對于儲能特性的影響以及儲氣壓力與膨脹(inflate)機進(jìn)氣壓力的壓差對系統效率的影響。提高儲氣壓力，可以提升儲氣裝置性能，但儲氣壓力與膨脹機進(jìn)氣壓力的壓差過(guò)大，會(huì )顯著(zhù)降低CAES系統性能。因此，合理選擇儲氣壓力非常重要。