某压缩空气储能项目技术路线比选

汪枫

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）作为一种寿命长、效率高、布置灵活的大规模物理储能技术，是最具有发展潜力的新型储能方式之一［1］。国外已经投产商运的压缩空气储能电厂有Huntorf 和McIntosh 电厂，均为补燃式压缩空气储能电厂［2-3］。我国主要推行非补燃的压缩空气储能技术，虽起步较晚，但工程应用方面已经走在世界前列。清华大学会同相关单位，在安徽芜湖建成TICC-500 试验装置；并提出了光热复合技术，在青海西宁建成了100 kW 试验装置；在此基础上，江苏金坛60 MW 压缩空气储能示范项目于2022年5 月正式投入运行，转换效率约60%［4］。中国科学院工程热物理研究所提供研发技术，在河北廊坊建成投产1.5 MW 压缩空气储能系统；并在贵州毕节和山东肥城分别建成投产10 MW压缩空气储能系统；河北张家口100 MW 压缩空气储能项目于2021 年底带电试运行，转换效率约70%［5］。此外，国内数个300 MW 级的压缩空气储能项目已开展可行性研究，包括湖北应城、山东泰安、甘肃金昌、辽宁朝阳、福建永春等项目。本论文通过300 MW 级不同压缩空气储能系统技术路线的比选，得到了推荐的技术方案，以及推荐方案的技术经济指标。

1 概述

1.1 项目概况

本项目位于福建省永春县某镇，本期拟建设1 套300 MW/1800 MWh 非补燃压缩空气储能电站，并预留有扩建条件。本工程的设计充气放电时间为9 h 和6 h，压缩空气存在地下人工硐库内，硐库腔容积约为20.1 万m3；并配套采用热媒水作为传热和储热介质的储热系统。根据福建省电力系统2030 年前调峰需求及调峰机组装机规模初步预测，本工程储能过程设备年利用小时数约为1 990 h，发电年利用小时约为1 320 h。

1.2 工程气象条件

根据压缩空气储能电站工作特点，收集项目所在地2018—2021 年逐月平均白天和夜间气温、气压、湿度数据见表1，其中白天取值时段为07∶00～20∶00，其余为夜间时段。

表1 逐月平均白天和夜间气温、气压、湿度数据

2 技术路线及装机方案比选

2.1 技术路线比选

按照储热温度划分，非补燃的压缩空气储能系统可分为中温和高温系统。一般而言，中温压缩空气储能系统压缩机的排气温度在195～200 ℃左右，通常用高压水作为储热介质；而高温压缩空气储能系统压缩机的排气温度在335～340 ℃左右，通常用熔盐或导热油+水作为储热介质。对于300 MW 级压缩空气储能系统，2 种技术路线的技术指标对比见表2。其中中温、高温技术路线的优劣势对比见表3。

表2 中温、高温技术路线参数对比

表3 中温、高温技术路线优劣势对比

根据对比数据，高温方案相对中温方案效率提高约3%，但由于高温方案需增设导热油或者熔盐系统，且需考虑熔盐或导热油的首次充装费用，另外由于相关系统和设备设计温度的提高也会造成投资成本增加。按照年发电时间1 320 h 和2 个方案的供电效率测算年购电成本，每年高温方案由于效率提升而减少的购电成本约620 万元，则增加投资的静态回收年限约31.5 a，在电站的运营寿命期末期才能回收投资。具体比较见表4。

表4 中温、高温技术路线经济指标对比

由表4 可以看出，为了降低造价、节约投资成本，同时也从系统运行操作简单、运维方便、安全性高等角度考虑，推荐中温方案的技术路线。

2.2 机组关键参数比选

对于中温水储热方案，采用水作为储热介质，储热水温度约为175 ℃，储气空间采用岩体中开凿人工硐库。考虑到人工硐库的承压能力（最高约18 MPa）以及人工硐库到电站的沿程压损，方案拟在膨胀机入口压力为15 MPa、17 MPa，压力波动范围2～6 MPa 之间比选产生。主要从购电成本，人工硐库造价，主要设备投资等方面进行分析，具体比较方案如表5 所示。

表5 机组关键参数及年收益对比

根据上述比选，300 MW 中温压缩空气储能电站压力变化范围6 MPa 比压力变化范围4 MPa、2 MPa 方案所需的硐库容积分别减小约10 万m3、40 万m3，对应的人工硐库造价分别减少约1.5 亿元、6.4 亿元。通过分析不同方案的购电成本、人工硐库造价、主要设备投资等因素对年净收益造成的影响，综合考虑年净收益最高，其中方案三即透平入口最高压力17 MPa、波动范围6 MPa 方案最优。

3 推荐技术方案

根据以上的比选结果，本项目推荐的技术方案为：采用4 级压缩4 级膨胀，利用水为储热介质的中温技术路线方案，膨胀机透平入口压力为17 MPa，压力波动范围为6 MPa，装机容量为300 MW。推荐技术方案的流程图见图1。

图1 推荐技术方案的流程图

本项目推荐装机方案的主要技术指标见表6。

表6 主要技术指标一览表

4 结论

（1）通过中温和高温压缩空气储能系统的比选，发现高温路线带来的效率提升不能覆盖增加投资成本的回收，因此推荐中温方案的技术路线。

（2）通过最大压力、压力波动范围、硐库容积及造价等关键参数进行分析比选，推荐透平入口最高压力17 MPa、波动范围6 MPa 的技术方案。

（3）根据指标计算，得出了膨胀机透平入口压力为17 MPa、压力波动范围为6 MPa、300 MW 级中温压缩空气储能系统的主要经济技术指标。