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壓縮空氣儲能技術(shù)原理


  儲能科學(xué)與技術(shù)壓縮空氣儲能技術(shù)原理陳海生\劉金超U,郭歡U,徐玉杰\譚春青1(1中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100190;2中國科學(xué)院大學(xué),北京100190)展現狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要講解,包括工作(gōng zuò)原理、工作過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展現狀、應用領(lǐng)域等。
  儲能通過(guò)一定介質(zhì)存儲能量(主要是電能),在需要時(shí)將所存能量釋放,以提高能量系統的效率、安全性和經(jīng)濟性?xún)δ苁悄壳爸萍s可再生能源大規模利用的最主要瓶頸(bottleneck)之一,也是提高常規電力系統效率、安全性和經(jīng)濟性以及分布式能源系統和智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),因此成為了當前電力和能源領(lǐng)域的研發(fā)和投資熱點(diǎn)。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件,空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后,要更換濾芯,在多灰塵地區,則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機,檢查壓縮機所有部件,排除壓縮機所有故障。
  壓縮空氣儲能(compressedairenergystorage,CAES)和抽水蓄能被公認為是比較適合大容量和長(cháng)時(shí)間電能存儲的儲能系統。壓縮空氣儲能系統通過(guò)壓縮空氣儲存多余的電能,在需要時(shí),將高壓空氣釋放通過(guò)膨脹機做功發(fā)電。自從1949年StalLaval提出利用地下洞穴實(shí)現壓縮空氣儲能以來(lái),第一作者(translation)及通訊聯(lián)系人:陳海生(1977―),男,研究(research)員,主要研究方向為新型大規模電力(electricity)儲能系統與材料、微型燃氣輪機、微小尺度流動(dòng)與傳熱等,E-mail:國內(guó nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐工作,并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業(yè)運行。另外曰本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設過(guò)程中。我國對壓縮空氣儲能系統的研發(fā)雖然起步較晚,但已得到相關(guān)科研院所、電力企業(yè)和政府部門(mén)的高度重視,是目前大規模儲能技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)。
  本文將對壓縮空氣儲能的技術(shù)原理(yuán lǐ)和發(fā)展現狀做簡(jiǎn)要講解。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行,如果保養好的可以延后,保養差的則需要提前。 
  1技術(shù)(technology)原理(yuán lǐ)壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術(shù)提出的一種能量存儲系統。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。為燃氣輪機的工作原理圖,空氣經(jīng)壓氣機壓縮后,在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫,然后高溫高壓燃氣進(jìn)入透平膨脹做功。燃氣輪機的壓氣機需消耗約2/3的透平輸出功,因此燃氣輪機的凈輸出功遠小于透平的輸出功。壓縮空陳海生等:壓縮空氣儲能技術(shù)原理燃氣輪機系統原理圖氣儲能系統的壓縮機和透平不同時(shí)工作(和),在儲能時(shí),壓縮空氣儲能系統耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中;在釋能時(shí),高壓空氣從儲氣室釋放,進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后,驅動(dòng)透平發(fā)電。由于儲能、釋能分時(shí)工作,在釋能過(guò)程中,并沒(méi)有壓縮機消耗透平的輸出功,因此,相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統,壓縮空氣儲能系統可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力。壓縮空氣儲能具有適用于大型(Large scale)系統(100MW級以上)、儲能周期不受限制(limit)、系統成本低、壽命(lifetime)長(cháng)等優(yōu)點(diǎn);但存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴(lài)等問(wèn)題。
  壓縮空氣儲能的工作(gōng zuò)過(guò)程同燃氣輪機類(lèi)似,如所示。假定壓縮和膨脹過(guò)程均為單級過(guò)程,則壓縮空氣儲能系統的工作過(guò)程主要包括如下4個(gè)。
  C1)壓縮過(guò)程1一2空氣經(jīng)壓縮機壓縮到一定的高壓,并存于儲氣室;理想狀態(tài)(status)下空氣壓縮過(guò)程為絕熱壓縮過(guò)程1一2,實(shí)際過(guò)程由于不可逆損失為1一(2)加熱過(guò)程2―3高壓空氣經(jīng)儲氣室釋放,同燃料燃燒加熱后變?yōu)楦邷馗邏旱目諝?;一般情況下,該過(guò)程為等壓吸熱過(guò)程。
  膨脹過(guò)程3―4,實(shí)際過(guò)程由于不可逆損失為3―4'.(4)冷卻過(guò)程4一1空氣(Basin air)膨脹后排入大氣,然后下次壓縮時(shí)經(jīng)大氣吸入;這個(gè)過(guò)程為等壓冷卻過(guò)程。
  壓縮空氣儲能系統(system)同燃氣輪機(Turbine)系統的工作過(guò)程(guò chéng)的主要區別在于:
 ?、偃細廨啓C系統上述4個(gè)過(guò)程連續進(jìn)行,即(a)中4個(gè)過(guò)程完成一個(gè)回路,而壓縮空氣儲能系統中壓縮過(guò)程1一2同加熱和膨脹(inflate)過(guò)程(2―3―4)不連續進(jìn)行,中間為空氣存儲過(guò)程;
 ?、谌細廨啓C系統不存在空氣存儲過(guò)程,壓縮空氣在儲氣室中的存儲過(guò)程在圖中沒(méi)有示出,一般情況下壓縮存儲過(guò)程中溫度會(huì )有所少量降低,但容積保持不變,在熱力學(xué)上是一個(gè)定容冷卻過(guò)程。
  壓縮(compression)空氣儲能系統工作原理儲能科學(xué)與技術(shù)壓縮空氣儲能系統實(shí)際工作時(shí),常采用多級壓縮和級間/級后冷卻、多級膨脹和級間/級后加熱的方式,其工作過(guò)程如(b)所示(b)中,過(guò)程2'―1'和過(guò)程4'一3'分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹過(guò)程級間加熱過(guò)程。
  2關(guān)鍵技術(shù)壓縮空氣(Basin air)儲能系統一般包括6個(gè)主要部件:
 ?、賶嚎s機(compressor),一般為多級壓縮機帶中間冷卻裝置(Apparatus);
 ?、谂蛎洐C,一般為多級透平膨脹機帶級間再熱設備;
 ?、廴紵壹皳Q熱器,用于燃料燃燒和回收余熱等;
 ?、軆庋b置,地下或者地上洞穴或壓力容器;
 ?、蓦妱?dòng)機/發(fā)電機,通過(guò)離合器分別和壓縮機(compressor)以及膨脹機聯(lián)接;
 ?、蘅刂葡到y和輔助(Aid)設備,包括控制系統、燃料罐、機械(machinery)傳動(dòng)系統、管路和配件等。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。
  壓縮空氣儲能系統的關(guān)鍵技術(shù)包括高效壓縮機(compressor)技術(shù)、膨脹機(透平)技術(shù)、燃燒室技術(shù)、儲氣技術(shù)和系統集成與控制技術(shù)等。壓縮機和膨脹機是壓縮空氣儲能系統的核心部件,其性能(property)對整個(gè)系統的性能具有決定性影響。盡管壓縮空氣儲能系統與燃氣輪機類(lèi)似,但壓縮空氣儲能系統的空氣壓力(pressure)比燃氣輪機高得多。因此,大型壓縮空氣儲能電站的壓縮機常采用軸流與離心壓縮機組成多級壓縮、級間和級后冷卻的結構形式;膨脹機常采用多級膨脹加中間再熱的結構形式。相對于常規燃氣輪機,壓縮空氣儲能系統的高壓燃燒室的壓力較大。因此,燃燒過(guò)程中如果溫度較高,可能產(chǎn)生較多的污染物,因而高壓燃燒室的溫度一般控制在500 *C以下。壓縮空氣儲能系統要求的壓縮空氣容量大,通常儲氣于地下鹽礦、硬石巖洞或者多孔巖洞,對于微小型壓縮空氣儲能系統,可采用地上高壓儲氣容器以擺脫對儲氣洞穴的依賴(lài)等。
  3發(fā)展現狀目前,世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運行。第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf電站(),目前仍在運行中。機組的壓縮機功率60MW,釋能輸出功率為290MW,系統將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中,礦洞總容積(Capacity)達3.1x105m3,壓縮空氣的壓力最高可(1bar=105Pa)。機組可連續充氣8h,連續發(fā)電2h.第二座是于1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站()。其地下儲氣洞穴在地下450m,總容積為5.6x105m3,壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa.該儲能電站壓縮機組功率為50MW,發(fā)電功率為110MW,可以實(shí)現連續41h空氣壓縮和26h發(fā)電。該電站由Alabama州電力的能源控制中心進(jìn)行遠距離自動(dòng)控制。
  2700MW的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站,該電站由9臺300MW機組組成。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。壓縮空氣存儲于地下670m的地下巖鹽層洞穴內,儲氣洞穴容積為9.57x106m3.日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目(xiàng mù),位于北海道空知郡,輸出(Output)功率為4MW,是日本開(kāi)發(fā)400MW機組的工業(yè)試驗用中間機組。它利用廢棄的煤礦坑(約在地下450m處)作為儲氣洞穴,最大壓力(pressure)為8MPa.瑞士ABB(現已并入阿爾斯通)正在開(kāi)發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能發(fā)電系統。目前除德國、美國、日本、瑞士外,俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開(kāi)發(fā)壓縮空氣儲能電站。
  我國對壓縮空氣儲能系統的研究開(kāi)發(fā)開(kāi)始比較晚,但隨著(zhù)電力儲能需求的快速增加,相關(guān)研究逐漸被一些大學(xué)和科研機構所重視。中國科學(xué)院工程熱物理研究所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經(jīng)濟性能、商業(yè)(business)應用等進(jìn)行了研究,但大多集中在理論和小型實(shí)驗層面,目前還沒(méi)有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站。中國科學(xué)院工程熱物理研究所正在開(kāi)展1.5MW先進(jìn)(advanced)壓縮空氣儲能示范陳海生等:壓縮空氣儲能技術(shù)原理儲能科學(xué)與技術(shù)4應用領(lǐng)域CAES最初的主要目的是用于電網(wǎng)調峰和調頻,如德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的建設就是用來(lái)調峰調頻,隨著(zhù)CAES技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展(Develop)和微型CAES(1050MW)的出現,CAES應用越來(lái)越廣泛(extensive),在可再生能源、分布式能源、汽車(chē)、UPS電源等方面得到了應用。
  陳海生等:壓縮空氣儲能技術(shù)原理(1)調峰大規模CAES最重要的應用就是電網(wǎng)調峰和調頻,用于調峰的CAES電站可分為兩類(lèi),在電網(wǎng)中獨立的CAES電站和與電站匹配的CAES系統。
 ?。?)調頻CAES另一個(gè)很重要的應用就是電網(wǎng)調頻,CAES電站可以像其它燃氣輪機電站、抽水蓄能電站、火電站一樣起到調頻作用。由于其用的是低谷電能,可做電網(wǎng)第一調頻廠(chǎng)運行。當其與其它儲能技術(shù)如超級電容、飛輪儲能結合時(shí),調頻速度更快。
 ?。?)可再生能源通過(guò)CAES可以將間斷的可再生能源儲存起來(lái),在用電高峰期釋放,起到促進(jìn)可再生能源大規模(guī mó)利用和提供高峰電量的作用等。
  主要包括(bāo kuò)與風(fēng)電結合的CAES,與太陽(yáng)能/光伏(Photovoltaic)結合的CAES,以及與生物質(zhì)結合的CAES等。
 ?。?)分布式能源系統(system)大電網(wǎng)與分布式能源系統相結合是未來(lái)高效、低碳、高安全性能源系統的發(fā)展趨勢儲能系統作為負荷平衡裝置和備用電源等是解決分布式能源系統波動(dòng)大、故障(fault)率高等缺點(diǎn)的主要途徑。由于CAES由于其與制冷/制熱/冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統很容易結合的優(yōu)點(diǎn),在分布式能源系統中將有很好的應用。
  等方面有廣泛的應用前景。
  5發(fā)展趨勢壓縮(compression)空氣儲能在容量、功率(指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少)等級、放電時(shí)間、成本等方面都與抽水蓄能技術(shù)相近,特別在要求大規模(如數百兆瓦)儲能而又沒(méi)有條件(tiáo jiàn)實(shí)施抽水蓄能的情況下,壓縮空氣儲能將有廣闊的應用前景(front view)。2010年,美國著(zhù)名的咨詢(xún)PikeResearch發(fā)布了他們對壓縮空氣儲能的2010―2020年的預測。由于壓縮空氣儲能在大規模儲能技術(shù)的3個(gè)主要參數:容量或額定功率(數百兆瓦),放電時(shí)間(數或數十小時(shí))以及能源成本(數百美元/千瓦時(shí))方面表現優(yōu)秀,PikeResearch估計,壓縮空氣儲能系統市場(chǎng)將從2010年的453MW增加到2020年的近7GW.同時(shí),我們也必須(have to)看到常規壓縮空氣儲能存在對大型(Large scale)儲氣室、化石燃料(fuel)的依賴(lài)等問(wèn)題,必須在地形條件和供氣保障的情況下才可能得到大規模應用。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統(AA-CAES),除去了燃燒室,具有效率高、無(wú)污染的特點(diǎn),并可以方便地和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統結合,是壓縮空氣儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。液態(tài)空氣儲能系統(LAES)和超臨界空氣儲能系統(SCAES)將空氣在液態(tài)下存儲,大幅減小儲氣室的體積,從而擺脫對大型地下儲氣室的限制,也是壓縮空氣儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。小型壓縮空氣儲能系統結構簡(jiǎn)單,功能靈活(flexible)。它利用高壓容器代替儲氣洞穴,能夠擺脫傳統壓縮空氣儲能系統對地形的依賴(lài),可以用于備用電源、汽車(chē)動(dòng)力和分布式供能系統等,具有廣泛的應用前景。壓縮空氣儲能與可再生能源的耦合系統可以解決可再生能源的間斷性和不穩定性問(wèn)題,是提高風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源大規模利用的迫切需要,將是壓縮空氣儲能技術(shù)的近期主要發(fā)展方向。


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