以压缩空气储能耦合燃机技术促进东北新能源就地消纳

董振斌，蒯狄正

（国网江苏省电力公司，南京 210024）

以压缩空气储能耦合燃机技术促进东北新能源就地消纳

董振斌，蒯狄正

（国网江苏省电力公司，南京 210024）

针对东北地区弃风严重、供热与调峰困难的状况，首先比较了几种主流解决弃风问题的技术手段的优缺点，提出利用压缩空气储能耦合燃机技术可以保持热负荷连续供应，同时可以灵活移峰填谷。介绍了压缩空气储能与燃机的耦合原理和压缩空气储能、储能发电与混合发电3种运行模式。最后基于东北地区典型的电力和供热曲线，通过利用压缩空气储能耦合燃机技术，可以实现弃风量为零，并指出多能互补技术是解决东北新能源消纳的有效手段。

压缩空气；储能；燃机；耦合；弃风

1 东北地区能源特点

东北区域是国家重要的清洁能源基地，潜在开发规模十分巨大。但作为全国唯一没有特高压电网的行政区域，东北电网仅通过输送能力为300万kW的500 kW线路与华北电网相连。东北电网风电资源非常丰富，但富余电量无法外送，窝电弃风现象频发［1］，已经连续多年被弃风问题困扰，而且弃风量正逐步剧增。

东北地区供热期与大风期长期重合，虽然地方政府和电网公司共同采取措施促进用电需求增长，但受客观条件限制，收效不十分明显，供热机组与清洁能源相互挤占有限的发电空间，调峰困难正成为东北弃风的主要原因。特别是火电机组中供热机组受热电约束［2］，加剧了调峰难度［3—4］。尤其是进入冬季以后，为保证居民供热，热电机组开机较多，即使所有风电停发，2016年热电机组冬季以最小运行方式的基础上再压出力370万kW，东北地区电源仍富余240万kW。节假日等用电低谷时段情况更为严峻，热电机组长期异常方式运行，严重威胁电网安全运行，无法保证居民供热质量，保供热惠民生压力巨大。

因此利用东北地区大型综合能源基地风能、储能和光伏等资源组合优势，通过多能互补技术［5-6］，实施风电清洁供暖工程，开展可再生能源就近消纳试点，推进风光储多能互补系统建设运行，提升能源系统的综合效率，可缓解能源供需矛盾。

2 解决“弃风”问题的主要技术方法比较

目前解决东北地区“弃风”问题的主流技术方法包括储热、蓄热电锅炉、化学电池储能、抽水蓄能调节和采用天然气燃机和压缩空气储能耦合等。表1为主要技术方法分析比较。

从表1可以看出，采用天然气燃机与压缩空气储能耦合技术手段的作用和优点非常明显，其缺点是设备集成难度较大。某集团与制造厂联合，解决了燃机轮机与压缩空气储能设备集成的关键技术，并获得相关国家发明专利。

表1 解决东北地区“弃风”问题主要技术方法分析比较

3 压缩空气储能与燃机的耦合原理

通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的。在燃气轮机启动的时候，首先需要外界动力，一般是启动机带动压气机，直到燃气透平发出的机械功大于压气机消耗的机械功时，外界启动机脱扣，燃气轮机才能自身独立工作。但是传统的燃气轮机由于串联在同一根轴上面联动工作，所以其工作的灵活性受到了极大的限制。此外，压气机的功耗占比很大，严重制约了发电量。

针对燃气轮机工作时压气机消耗自身功率问题，提出了一种模式可切换的燃机发电系统，特点在于可以根据不同的工况进行压气储能模式、储能发电模式与常规发电模式的自动切换，通过压缩空气储能单元与燃气轮机循环耦合，将过剩的能量以内能的形式储存在压缩空气罐中，在燃气轮机工作时，利用释放压缩空气代替压气机工作，增加机械功输出。整个系统以压缩空气作为“缓冲”，实现“削峰填谷”的调节作用，为提升能源系统的稳定性和可靠性提供保障，有望成为今后分布式能源系统工程建设的范例，系统原理如图1所示。

图1 燃气轮机与压缩空气储能耦合系统原理图

压气储能模式下，压气机在工作状况时，燃气透平与电机处于断开状态，此时同步电机处于电动机模式。同步电机利用富裕风电或电网低谷电带动压气机做功，产生高压气体，同时空气压缩过程释放出大量热能可用于连续供热。

储能发电模式下，在燃气透平的进口空气为其储气罐中的压缩空气，压气机不工作，燃气轮机与电机处于连接状态，此时同步电机处于发电机模式。燃气透平带动同步电机做功发电，并将所发电并至电网,由于没有带动压气机工作,此时燃机发电功率将倍增。

混合发电模式下，压气机处的可调节离合器处于联动状态，燃气透平处的不可调节离合器亦处于联动状态，此时同步电机作发电机用。压气机、同步电机、燃气透平同轴连接，燃气轮机带动同步电机和压气机工作，压气机产生的高压气体进入燃烧室进行混合燃烧。

与现有技术相比，压缩空气储能与燃机的耦合具有以下优点：①压气机与同步电机、燃气透平与同步电机之间分别使用离合器连接，提高了系统变化的灵活性；②离合器的设置使得本系统可以切换多种模式，可满足不同工况下的模式切换要求，比传统燃机机组具有更广的使用范围；③使用同步电机代替原有的发电机，既可作电动机用，亦可做发电功能；④在外部提供高压气源的情况下，燃气轮机仅带动同步电机做功，可以节省压气机的做功，约节省2/3的能量。

4 压缩空气储能与燃机耦合的控制效果

图2是冬季电力负荷、供热负荷、弃风功率和改造后的弃风功率一天的运行曲线特性对比示意图。由于目前的以热定电模式，导致弃风功率运行曲线基本跟随供电负荷运行曲线变化，当电力负荷最高时，弃风量也达到最大。而采用燃机轮机与压缩空气耦合技术后，通过灵活调节燃气轮机与压缩空气储能系统的运行模式，同时改变目前的以热定电模式，可以做到100%利用风电可再生资源进行供暖和供电，因此弃风量为零。

图2 运行曲线示意图

5 建议与展望

《能源发展“十三五”规划》提出，推动能源生产供应集成优化，构建多能互补、供需协调的智慧能源系统，并将“实施多能互补集成优化工程”列为“十三五”能源发展的主要任务，风光水火储多能互补工程是“十三五”能源系统优化重点工程。多能互补是对太阳能、风能、天然气分布式能源、热泵、储能等多种能源进行优化组合配置，在系统内互补运行，取长补短，以更好地满足用户负荷需求。因此针对东北地区的能源现状和特点，在弃风弃光时段将风电、光伏等新能源存储在压缩空气中，然后通过燃气轮机将压缩空气存储的能量释放出来为用户提供电力和供热需求是一种合理有效的用能方式。后期可通过建设多能互补的供能系统，加快太阳能、风能、水电、生物质能等可再生能源的分布式开发利用，发挥各类能源的优势，达到“1+1>2”的效果，提高能源系统供能的稳定性和经济性。

［1］ 国家能源局.2015年风电产业发展情况［EB/OL］.（2016-02-02）［2016-06-12］.http://www.nea.gov.cn/2016-02/02/c_135066586.htm

［2］ 裴哲义，王新雷，董存，等.东北供热机组对新能源消纳的影响研究及热电解耦措施［J］.电网技术，2017，41（6）：90-96.

［3］ 牛东晓，李建锋，魏林君，等.跨区电网中风电消纳影响因素分析及综合评估方法研究［J］.电网技术，2016，40（4）：1 087-1 093.

［4］ 吕泉，王伟，韩水，等.基于调峰能力分析的电网弃风情况评估方法［J］.电网技术，2013（7）：1 887-1 894.

［5］ 盛四清，张立.基于风光火多能互补的电力系统经济调度［J］.2016，53（22）：66-71.

［6］ 张乐平.多能互补——促进可再生能源发展的有效途径［J］，西北水电，2015（1）：7-12.

［7］ 石成忠，张强.东北地区弃风供热可行性分析［J］.风能产业，2016（8）：9-12.

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［9］ 张川，杨雷，牛童阳，等.平抑风电出力波动储能技术比较及分析［J］.电力系统保护与控制，2015，43（7）：149-154.

［10］ 刘世林，文劲宇，孙海顺，等.风电并网中的储能技术研究进展［J］.2013，41（23）：145-153.

［11］ 王成山，武震，杨献莘，等.基于微型压缩空气储能的混合储能系统建模与实验验证［J］.电力系统自动化，2014，38（23）：22-26.

［12］ 刘畅，徐玉杰，胡珊，等.压缩空气储能电站经济性分析［J］.储能科学与技术，2015，4（2）：158-168.

［13］ 田崇翼，张承慧，李珂，等.含压缩空气储能的微网复合储能技术及其成本分析［J］.电力系统自动化，2015，39（10）：36-41.

Promote new energy consumption nearby in Northeast China with compressed air energy storage coupling gas turbine technology

DONG Zhen-bin,KUAI Di-zheng
（State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China）

According to the serious condition of abandoned wind,difficulties in heat supplying and peak modulating in Northeast China,firstly this paper compares advantages and disadvantages of several main solutions to abandoned wind technology.Secondly compressed air energy storage coupling gas turbine technology is proposed and this technology not only keeps heat load supplying continuously,but also makes the ability of peak shaving and valley filling flexible and reliable.Then the principle of compressed air energy storage coupling gas turbine is introduced,and three kinds of operating modes based on air energy storage,energy storage generation and hybrid generation are also introduced.Lastly,based on the typical electricity and heating curve in Northeast China,the proposed technology can assure that there is no abandoned wind.Meanwhile,it pointed out that multi energy complementary technology is the best way to solve new energy consumption in Northeast China.

compressed air;energy storage;gas turbine;coupling;abandoned wind

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.05.006

F407.61；TK018

C

2017-06-21