压缩空气储能系统设计及其热力学分析

邓广义，郭祚刚, ，陈光明

（1中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2浙江大学制冷与低温研究所，浙江 杭州 310027）

作为清洁与可再生资源，风能资源的开发与利用正受到越来越多的关注。据全球风能协会公布的数据[1]，2010年世界范围内风电的累计装机容量为194.69 GW，美国总装机容量为40.18 GW，中国总装机容量为42.29 GW，中国风电装机容量位居全球第一位。中国在2011年继续保持风电装机容量高增长趋势，至 2011年底国内风电装机总量已增至62.93 GW[2]。伴随着风电快速发展，风电并网难题逐步显现。2011年中国弃风数据统计显示[3]，蒙东地区的弃风率已经高达22.99%，吉林省的风电弃风率也高达20.49%，弃风现象已成为制约风电产业进一步发展的瓶颈问题。

电力储存技术可借由储能介质在电网负荷低谷期对过剩电力或劣质电力进行储存，进而在电网负荷高峰期将储存的能量以优质电力进行输出。常见的电力储存技术主要包括电池储能[4]、超级电容器储能[5-6]、飞轮储能[7]、超导电磁储能[8]、抽水蓄能以及压缩空气储能技术[9-11]。抽水蓄能与压缩空气储能（CAES）具备电力大规模储存的能力，两者之中，压缩空气储能技术具有适合水资源匮乏区域使用的特性。世界上第一座压缩空气储能电站于1978年在德国Huntorf投入商业运营，机组输出功率为290 MW，电站的能量转换效率为43%[12]。美国于1991年在Alabama州投运了世界第二座压缩空气电站，机组输出功率为110 MW，电站在德国Huntorf电厂设计经验基础上采用了烟气回热技术，储能电站效率提升至 54%[13]。中国科学院工程热物理所设计的 1.5 MW 级超临界压缩空气储能系统于2013年7月完成168 h运行试验，成为国内第一座超临界压缩空气储能示范电站[14]。在压缩空气储能技术的研究方面，国内外学者也开展了相应的研究工作。刘文毅等[15]在 CAES电站性能计算以及效益评价等方面都做了较多的研究工作。陈海生及徐玉杰等[16-18]进行了风光互补的压缩空气储能与发电系统特性分析并申请了超临界空气储能系统专利。杨科等[19]对绝热压缩空气储能系统进行了设计与理论计算。Beaudin等[20-21]指出可再生电力直接并入电网会影响电网的稳定性，研发压缩空气储能技术对改善新能源电力品质具有重要意义。

本文依托开口系统的稳定流动能量方程以及绝热方程等热力学分析手段展开了压缩空气储能系统的特性分析研究。结合多级压缩-级间冷却技术降低储能阶段系统能耗，通过释能环节回热技术的优化利用，以回热器替代高压燃烧器，大幅降低储能系统的整体热耗。

1 研究及分析方法

本文结合开口系统的能量守恒方程进行压缩空气储能系统的设计及热力学分析研究。在能量储存阶段，结合多级压缩-级间冷却技术进行了储能阶段的设计，同时采用等压缩比的多级压缩设计方案来降低储能能耗。释能系统主要由两级透平构成，低压透平机组以GE 9171E燃机参数为参考。文中涉及的理论方程以及术语定义如下。

开口系统的稳定流动能量方程

理想工质绝热过程做功方程

储能系统热耗定义

式中，Q为消耗天然气热量，kJ；E为发出电能，kW·h。

式中，η为储能系统能量转化效率；Wout为释能阶段透平机组输出的总功，kJ；Win为储能阶段压缩机组消耗总功，kJ；Qin为通过燃烧室由天然气提供的热量，kJ。

2 结果与讨论

2.1 压缩空气储能系统

设计的压缩空气储能系统如图 1所示，空气压缩过程由三级压气机完成，配备了级间冷却器与级后冷却器。压气机入口空气工质参数为0.1 MPa/298.15 K，冷却器将压缩后的高温空气降温至298.15 K，再进行多级压缩，三级压气机总设计功率为56.58 MW。储气空间简化为等温充气模型（298.15 K），储气容积为41000 m3，可在100 kg/s的充气流量下储能12 h（储气溶洞内空气压力由0.1 MPa上升至8.64 MPa）。压缩空气做功流量设计值为200 kg/s，配备了两级透平，第一级透平入口参数为4.0 MPa/773.15 K，第二级透平入口参数为1.24 MPa/ 1402.15 K，两级透平总输出功率为154.76 MW。

图1 压缩空气储能系统流程示意图Fig.1 Schematic diagram of CAES system

2.2 储能阶段工质参数及耗功特性分析

如图1所示的压缩空气储能系统，储能阶段由单级增压比为 4.481的三级压气机构成，空气工质由入口的0.1 MPa压缩至9.0 MPa，再经后置冷却器降温至9.0 MPa/298.15 K后注入容积为41000 m3的地下储气空间。表1列出了储能阶段压缩机组耗功以及压缩空气的温度与压力参数。空气工质进入压气机CP1后，在绝热效率为0.85的条件下由状态0.1 MPa/298.15K压缩至状态0.448 MPa/485.81 K，经CP1后冷却器等压冷却至0.448 MPa/298.15 K，再次进入压气机CP2完成第二级压缩。在绝热效率0.85的设计状态下，储能阶段总耗功量为565.79 kJ/kg，消耗的总电功率为56.58 MW。

表1 储能阶段的压气机耗功及压缩空气参数Table 1 Power consumption and air parameter for energy storage stage

2.3 释能阶段热力学过程及热耗特性分析

热耗是衡量压缩空气储能技术经济性的重要指标之一，通过热耗数据可以直观获得机组每输出1 kW·h电能需要消耗天然气的热量。合理布置回热器及回热参数可有效回收透平烟气内的余热，从而降低整套压缩空气储能系统所需外部供热量。图2为本文设计储能系统的释能过程热力学过程曲线，表2为工质的相应温度值。透平EP1入口工质参数为4.0 MPa/773.15 K，透平EP2参考燃机GE 9171E（相对内效率为0.82）选取入口工质参数为1.24 MPa/1402.15 K，透平EP2的实际排气温度为812.41 K。

图2 带回热的压缩空气膨胀做功热力过程曲线Fig.2 Thermodynamic curve for energy releasing stage with heat recovery

表2 热力学过程曲线相应部位的温度值Table 2 Temperature values in thermodynamic curve

在此套储能系统的配置参数下，透平EP2的排气温度812.41 K较透平EP1入口温度773.15 K高出39.26 K，因而将透平EP1入口工质由气源温度T1加热至T2所需热量可完全由透平EP2尾气余热提供。

表3提供了储能系统功率输出及热耗特性数据。工质在透平EP1内可逆绝热做功能力为220.98 kJ/kg，在透平EP2内可逆绝热做功能力为722.80 kJ/kg，两级透平在相对内效率为 0.82时，可对外输出功率154.76 MW。透平EP1工质由回热器供热，透平EP2工质由低压燃烧器再热，在此套设计方案下压缩空气储能系统的热耗可降低至 3783.96 kJ/(kW·h)，低于美国 Dresser-Rand公司推广的商业化 Smart CAES储能系统热耗[热耗为4114.50 kJ/(kW·h)][22]。在综合考虑多级压缩-级间冷却以及依托回热器替代透平高压燃烧器的技术方案下，设计的储能功率为56.58 MW、释能功率为154.76 MW的压缩空气储能系统可以实现56.11%的能量转换效率。

表3 释能阶段透平功率输出及热耗特性数据Table 3 Output and heat rate for energy releasing stage

3 结 论

本文对具备电能规模化储存能力的压缩空气储能系统进行了热力学分析，同时结合多级压缩-级间冷却以及回热技术设计了储能功率为 56.58 MW，释能功率为154.76 MW的储能系统。研究结果表明，在能量储存阶段依托三级压气机可在耗功56.58 MW条件下，获取流量为100 kg/s、压力为9.0 MPa的压缩空气气流。在释放压缩空气推动透平做功时，以第二级透平812.41 K高温烟气对做功气源进行加热时，可无需高压燃烧器补充额外热量。综合储能及释能环节的优化设计，压缩空气储能系统初次储能时可在56.58 MW功率下连续储能12 h，在154.76 MW功率下连续释放电力3h（储气溶洞内压缩空气压力降为4.13 MPa），系统的热耗为3783.96 kJ/(kW·h)，整套压缩空气储能系统的能量转换效率也高达56.11%。

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