10MW全回热压缩空气储能系统分析

韩益帆 安恩科 张 瑞 刘 栋

同济大学机械与能源工程学院

大规模开发和利用可再生能源是应对能源与环境危机的重要措施之一。风能、太阳能等新能源发电都具有间歇性和不稳定的特点，对电力系统的安全性与稳定性带来了巨大挑战。目前电力负荷特性具有明显的昼夜峰谷差，在建设发电系统以及输配电系统时，需按最高电力负荷对发电容量和输配电容量进行规划和建设，使发电和输配电环节的设备利用率降低，电力系统的建造成本较高。储能技术是解决这些问题的重要方法之一，在大规模储能方面，目前比较成熟的技术有：抽水蓄能、蓄电池储能和压缩空气储能。抽水蓄能电站的建设很大程度上受到地理条件的限制，蓄电池储能的工作寿命一般为2-3年，使这种方式的总成本很高。此外，在蓄电池储能的后期处理过程中会产生严重的环境污染。相对而言，压缩空气储能系统对环境的影响较小、电回转效率较高，有望成为解决上述问题的最佳方法。

德国1978年建造的Huntorf电站是世界上第一座压缩空气储能电站，其容量为290MW，主要用于电网的削峰填谷和电源备用[3]。美国1991年建造的McIntosh压缩空气储能电站，其容量为110MW，采用地下岩洞储气，设计运行压力为45bar～74bar[4]。2009年，中国科学院工程热物理研究所完成了1．5MW超临界压缩空气储能技术机组的调试和优化。2012年7月，国家电网公司设立重大科技专项，由清华大学牵头，联合中国电力科学研究院、中国科学院理化技术研究所开展大规模压缩空气储能发电系统关键技术研究，并建设了500kW非补燃式压缩空气储能示范系统。2016年，国家电网公司拟在张北建设超临界压缩空气储能电站，该系统电回转效率为50%～60%[5]。目前，中国科学院工程热物理研究所与中科院广州能源研究所、北京工业大学、西安交通大学和南方电网等正在进行10MW级超临界压缩空气储能电站的示范工作[6]。

压缩空气储能系统是在电力系统处于用电低谷时，利用电动机驱动空气压缩机，将电能转化为压缩空气能，在蓄热同时将压缩空气储存起来。当电力系统处于用电高峰时，回热压缩空气膨胀做功、发电以满足电力需求。压缩空气可储存于地下含水层，具有成本低、易于实现的优点。蓄热回热压缩空气可使压缩空气储能系统的电回转效率提高幅度超过20%。

1 全回热压缩空气储能系统

1.1 全回热压缩空气储能系统的构想

对于多级空气压缩来说，若每级空气的初始温度相同，在各级压比相同的情况下，压缩机消耗的总功最小[7]。对于两级膨胀过程来说，若每级进入膨胀机前的空气温度都相同，即，第一级膨胀出口压力与第二级膨胀入口压力相同，即，则1kg空气在膨胀机内所做的技术功为：

根据全回热压缩空气储能系统构想[1-2]，空气压缩由各级后冷却的多级压缩机完成，采用最小过冷度大于30℃的水对压缩空气热进行蓄热，水质要求与压力相同等级的锅炉水质相同。各级压缩机进口温度较低，压缩机各级的压缩比和入口处空气的温度分别相同，压缩机的耗功为最小，末级压缩出口被冷却后的压缩空气被注入地下含水层储存；空气膨胀由各级的级前加热多级膨胀机完成，蓄热水作为热源，于是压缩空气热全部回热于各级膨胀机入口的空气，膨胀机各级的膨胀比和入口处空气的温度分别相同，膨胀机做功为最大。膨胀机末级出口的空气状态接近大气参数并排放于大气中；全回热压缩空气储能系统的电回转效率大于70%。

1.2 全回热压缩空气储能系统及工作过程

根据上述构想设计的三级全回热压缩空气储能系统如图1所示。包括换能蓄热装置与回热发电装置。换能蓄热装置包括：电动机、压缩机、回热换热器、冷水箱、热水箱和地下含水层。回热发电装置包括：膨胀机、发电机、回热换热器、热水箱、冷水箱和地下含水层。

图1 三级全回热压缩空气储能系统

三级全回热压缩空气储能系统的工作过程如图2所示。1-2为第一级压缩过程，2-3为第一级压缩空气冷却过程；3-4为第二级压缩过程，4-5为第二级压缩空气冷却过程；5-6为第三级压缩过程，6-7为第三级压缩空气冷却过程。7-8为将高压空气注入地下含水层进行存储到从地下含水层取出过程。8-9为第一级压缩空气回热过程，9-10为第一级膨胀过程；10-11为第二级压缩空气回热过程，11-12为第二级膨胀过程；12-13为第三级压缩空气回热过程，13-14为第三级膨胀过程，14点的状态参数接近大气，随后排入大气。

图2 三级全回热压缩空气储能系统的工作过程

2 级数对全回热压缩空气储能系统的影响

全回热压缩空气储能系统的电回转效率定义为：膨胀机输出总功率与压缩机消耗总功率之比，即：

对全回热压缩空气储能系统做以下假设：

（1）空气为理想气体；

（2）系统处于稳定工作状态；

（3）忽略回热换热器的散热损失[8]。

（4）忽略系统中各设备之间的管道压力损失。

空气采用一级压缩时，压缩机出口空气温度727．8℃，该系统在现实中无法实现。因此，基于以上假设，根据质量和能量守恒定律，运用As-pen Plus对系统的二级、三级、四级等全回热压缩空气储能系统的工作过程进行了模拟，其运行参数如表1所示。

表1全回热压缩空气储能系统运行参数

10MW全回热压缩空气储能系统的压缩机消耗功率与级数的关系如图3所示。由图3可见，压缩机消耗功率随级数的增大而增加。全回热压缩空气储能系统的电回转效率与级数的关系如图4所示。随着系统级数的增加，电回转效率随之降低。其原因是随着级数的增加，压缩过程接近于等温压缩，压缩功减小，但通过空气压缩热的全回热，膨胀机入口的空气温度不断减小，循环效率减小，膨胀功减小，当膨胀功的减小大于压缩功的减小时，导致产生10MW的膨胀功，压缩机耗功增加，其电回转效率减小。

图3 压缩空气储能系统级数与压缩机消耗功率的关系

图4 压缩空气储能系统级数与电回转效率的关系

3 全回热压缩空气储能系统的㶲分析

㶲是一个状态参数，J·kg-1，由下式计算：

对于理想气体：

根据熵的热力学方程式：

单位质量工质压缩过程的㶲损失如下：

单位质量工质膨胀过程的㶲损失如下：

㶲损失率定义为：㶲损失与压缩机消耗总功率之比。

㶲损失系数定义为：系统内各部分的㶲损失与系统总㶲损失的比值，即：

图5是全回热压缩空气储能系统的级数与压缩机、膨胀机、回热换热器、地下含水层等的㶲损失之间的关系。可以看出，随着级数的增加，压缩机、膨胀机、回热换热器、地下含水层等的㶲损失有增大的趋势，这是由于系统的电回转效率随着级数增加不断减小的缘故。

表2是全回热压缩空气储能系统的级数与压缩机、膨胀机、回热换热器、地下含水层的㶲损失系数等之间的关系。可以看出，随着级数的增加，压缩机的㶲损失系数不断减小,回热换热器的㶲损失系数不断增大，膨胀机的㶲损失系数先增大后减小，地下含水层的㶲损失系数基本不变。这是因为系统级数越多，压缩机的耗功相对减小，压缩机的㶲损失系数不断减小；回热换热器的传热温差基本相同，级数增多，最高温度减小，㶲损失系数不断增大；压缩机㶲损失系数减小和回热换热器㶲损失系数增大的共同作用，使膨胀机的㶲损失系数先增大后减小；压缩空气注入地下含水层的温度和压力损失不随级数变化，其㶲损失系数基本不变。

图5 压缩空气储能系统级数与各部分㶲（做功能力）损失的关系

表2不同级数所对应系统内各部分的㶲损失系数

全回热压缩空气储能系统的级数与㶲损失率的关系如表3所示。随着级数增大，其㶲损失率不断增大。，即图4和表3的数值一致，说明该㶲分析方法和计算正确。

表3不同级数的㶲损失率

综上所述，随着全回热压缩储能系统级数的增加，电回转效率不断减小。二级全回热压缩储能系统的电回转效率为75．3%，压缩机出口空气温度312．8℃，该系统难于实现。三级全回热压缩储能系统的电回转效率为72．6%，压缩机出口空气温度199．1℃，四级全回热压缩储能系统的电回转效率为70．2%，压缩机出口空气温度150．4℃。三级全回热压缩储能系统在现实中是可以实现的[1，2]，其电回转效率最高，是压缩空气储能技术的最好选择方案之一。

4 结论

（1）对于2～4级全回热压缩空气储能系统的电回转效率为70．2%～75．3%，随着系统级数的增加，全回热压缩空气储能系统的电回转效率有降低的趋势；

（2）对于2～4级的全回热压缩空气储能系统，压缩机的㶲损失系数为30．9%～35．3%、膨胀机的㶲损失系数为23．3%～24．5%、回热换热器㶲损失系数为37．4%～41．5%、地下含水层㶲损失系数为3．9%～4．0%。