覃小文 魏小龙 袁晓旭 廖茹霞
(1.东方电气集团东方汽轮机有限公司,四川618000;2.东方电气风电有限公司,四川618000)
压缩空气储能发电技术,是一种高密度、长寿命、高效率、布置灵活[1]的大规模物理储能技术,国际上已有多个补燃型压缩空气储能电站项目投运,其中50 MW以上规模有两个;国内已研发出非补燃压缩空气储能技术,并有两个中试研究装置的运行经验。
本文主要对空气膨胀发电机组技术特点进行研究分析。
在用电低谷期间,利用电网的剩余电能驱动电动机,带动压缩机,压缩空气并储存在洞穴或者其他封闭的容器内,在高峰负荷时发电。气体释能时,推动膨胀机做功发电[2]。
按照热源分类,压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类[3]。图1所示为这两种压缩空气储能的基本原理示意图,它们的工作原理虽然各有差异,但都包含电动机、压缩机、膨胀机、发电机和换热器。
目前,用于压缩空气储能系统的空气膨胀发电机组,根据功率等级的不同,机组结构型式也略有区别。随着压缩空气储能系统技术的成熟,对大功率空气膨胀发电机组的需求越来越迫切,不同功率等级对应的膨胀发电机组特点见表1。
压缩空气储能的优点为:不受地理条件限制;无资源约束,工作介质为空气;环境友好;可冷-热-电三联供,综合效率高。
压缩空气储能的缺点为:储能密度低;需要巨大的储气室,选用地下洞穴储气,选址困难。
(a)补燃式
(b)非补燃式
目前国内的空气膨胀发电机组电站基本都建在江苏金坛、安徽芜湖、贵州毕节等地下盐穴资源丰富的地区,或者存在大量弃风电及弃光电能源浪费较大的西北地区。采用地下盐穴储气的方式具有几大优势:技术成熟、储气容量大、系统造价低、抗交变能力强、防渗性好(具有自修复功能)、不占地(对生态环境友好)。考虑到建设、安装周期短的要求,在满足机组运行可靠、检修方便的前提下,结构尺寸应尽可能小,并能整体发货,减少现场工作人员的安装量。
表1 不同功率等级对应的膨胀发电机组特点
由于压缩空气储能利用和收集峰谷弃电(或化石燃料等)作为能源,需要快速启动和快速升负荷的特点,膨胀发电机应能做到如下几点:
(1)快速启动:启动时间分为冷态启动、温态启动、热态(极热态),都要求在极短时间内完成(一般不超过20 min),远远高于常规火电机组或光热汽轮机组启动时间要求。
(2)负荷变化适应性强:要求机组在30%~100%的宽负荷范围内都能安全、稳定运行。
(3)频繁启停:在寿命周期内,每天都能启停。
(4)高效率、稳定性好:循环效率是衡量系统电-电转化效率的重要指标,要求空气膨胀发电机组效率高、稳定性好[4]。
针对空气膨胀发电系统及建造安装对空气膨胀机的特殊要求,本文从热力系统、本体结构、运行方式等方面进行分析。
以环境空气为工作介质,利用晚上用电低谷的电驱动压缩机,压缩升温升压后的气体,经过换热器冷却,带有压力的空气储存在地下盐穴或储气罐中,换热后的高温气体可储存在导热油或水中(主要视温度确定),在用电高峰时,将带有压力和温度的气体再次经过换热器换热,达到满足参数要求后的气体进入膨胀机做功,驱动发电机发电,整个循环系统为开式循环,做功后的空气通过管道直接排向大气。
提高主气参数是提高循环效率的直接途径之一。在压力提高的同时采用再热循环,可以显著提高机组的整个循环效率,同时,合理地选取再热压力,提高分缸压力,可以让效率更高的气缸多做功,从而进一步提高循环效率。
4.2.1 5 MW等级空气膨胀发电机组
采用高低压合缸一次再热技术,叶片均设计成反动式高转速,保证各级的速比在最佳范围,提高轮周效率,膨胀机与发电机之间布置齿轮箱,发电机转速选择常规3000 rmin,见图2。
4.2.2 10 MW~100 MW等级空气膨胀发电机组
对于10 MW~100 MW等级机组主气流量显著增加,相对叶高增加,端部二次流损失显著降低,采用3000 rmin设计方案能保证高效运行,综合考虑经济性和成本,我公司10 MW及以上等级空气膨胀机采用3000 rmin(或3600 rmin)单转速设计,不采用齿轮箱结构,见图3。
图2 5 MW空气膨胀发电机组布置示意图
图3 10 MW~100 MW空气膨胀发电机组布置示意图
根据不同功率,空气膨胀机可以选择侧向排气、下排气或者轴向排气的方式,所以发电机与膨胀机的相对位置可调。
4.2.3 100 MW等级以上空气膨胀发电机组
100 MW等级以上的空气膨胀发电机组考虑采用分缸布置,见图4,主要原因有以下几点:
(1)分开布置,可以改变通流部分介质流向,平衡轴向推力。
(2)考虑到转子的自重,轴系不能做得太长,否则转子静止时将因自重过大引起弯曲变形。
(3)空气在高压缸做功完后,体积急剧膨胀,如果采用合缸,为了保证通流面积,低压末级叶片将会很长。
图4 100 MW等级以上空气膨胀发电机组布置示意图
根据储气量的大小,机组可采用滑参数或者定参数运行:
(1)机组运行消耗的气量相对于整个储气库来说(如大型地下盐穴),空气的压力随着运行的消耗基本能保持不变的情况,可以采用定参数运行,这样能在有限时间内尽可能多做功。
(2)机组运行消耗的气量相对于整个储气库来说(如小型储气罐),空气的压力随着运行时间不断降低的情况,建议采用滑参数运行,在低负荷运行的时候,适当的降低进气参数,在安全稳定运行的同时,尽可能的保证效率。
压缩空气膨胀发电作为一种新的清洁能源技术,在解决电网容量过剩,削峰填谷方面,对未来电力系统和能源网络的建设将起到重要的支撑作用[2]。空气膨胀发电机组作为压缩空气储能系统的重要组成设备,其稳定性、灵活性以及循环效率是影响电站运行和经济效益的几个重要因素。目前国内压缩空气储能技术尚处于摸索阶段,仅有一些示范的实验项目运行,还没有商业化投运的项目,亟待技术不断地创新、寻求突破,可以预测,在不久的将来,随着压缩空气储能技术的愈发成熟,机组的参数、容量都会不断地提高,这将对膨胀发电机组(尤其是膨胀机)的设计和制造水平提出更大的挑战。