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国内外 压缩空气储能应用现状探究-博莱特空压机

[点击量: ][来源:博莱特]

2016-06-20

  前言

  近年来,我国部 分地区多次发生了严重阴霾天气,如何利 用清洁能源减少环境污染是我国经济发展长期需要面对的重要问题。新能源 的规模应用以及间歇性可再生能源的大规模入网、传统电 力峰谷差值的增长,各种能 源应用问题也随之出现,而储能 技术的应用将为解决这些问题提供非常有效的途径。目前电 力储能技术较多,压缩空 气储能由于优势明显,未来无 疑将成为除抽水蓄能之外最具发展潜力的大规模储能。

  大规模 储能技术的选择

  电力储 能按照技术分类,可分为机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电磁储能(超级电容器等)和电化学储能(铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等)等(见图1)。

电力储能系统

  在各种储能技术中,抽水蓄 能在规模上最大,达到上GW,技术也最成熟;压缩空气储能次之,单机规模可以达到100MW级别;化学储能规模较小,单机规模一般在MW级别或更小,并且规 模越大控制问题越突出。目前为止,已经大 规模投入商业应用的大规模储能技术(比如100MW级以上)只有抽水蓄能、压缩空气储能两种。下面对 适合大规模储能的抽水蓄能、压缩空 气储能的性能特点分别展开详细描述。

  1.抽水蓄能

  抽水蓄 能需要高低两个水库,并安装 能双向运转的电动水泵机组,如图2。它利用 电能与水的势能转变,将风能、太阳能 等可再生资源产生的不可控的电能转变为电网可以接纳的稳定电能或者起削峰平谷的目的。

  抽水蓄 能是在电力系统中技术最成熟、应用最 广泛的一种储能技术。截至2011年,我国抽 水蓄能总装机容量超过1800万kW,规划2015年达到3000万kW。抽水蓄 能可以建造为不同容量,能量释 放时间可从几小时到几天,是目前唯一达到GW级的储能技术,同时转化效率较高,综合效率可达70%~85%。其缺点 在于需要建设高低两个水库,受到特 殊的场地要求选址非常困难,而且厂 址一般都远离大规模风电场和太阳能发电场,建设周期也较长,还会带 来一定的生态和移民问题。

  2.压缩空气储能

  压缩空 气储能是另一种可以实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统,是指将低谷、风电、太阳能 等不易储藏的电力用于压缩空气,将压缩 后的高压空气密封在储气设施中,在需要 时释放压缩空气推动透平发电的储能方式。

  目前,地下储 气站采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油 气井和新建储气井等多种模式,其中最 理想的是水封恒压储气站,能保持输出恒压气体。地上储 气站采用高压的储气罐模式。

  压缩空 气储能是一种基于燃气轮机的储能技术,技术非常成熟,已经实 现大规模商业化应用。压缩空 气储能具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点,具体如下:

  (1)规模上 仅次于抽水蓄能,适合建造大型电站。压缩空 气储能系统可以持续工作数小时乃至数天,工作时间长;

  (2)建造成 本和运行成本比较低,低于钠 硫电池或液流电池,也低于抽水蓄能电站,具有很好的经济性。随着绝 热材料的应用仅使用少量或不使用天然气或石油等燃料加热压缩空气,燃料成 本占比逐步下降;

  (3)场地限制少。虽然将 压缩空气储存在合适的地下矿井或溶岩下的洞穴中是最经济的方式,但是现 代压缩空气储存的解决方法是可以用地面储气罐取代溶洞;

  (4)寿命长,通过维护可以达到40~50年,接近抽水蓄能的50年。并且其效率可以达到60%左右,接近抽水蓄能电站;

  (5)安全性和可靠性高。压缩空 气储能使用的原料是空气,不会燃烧,没有爆炸的危险,不产生 任何有毒有害气体。万一发 生储气罐漏气的事故,罐内压力会骤然降低,空气既 不会爆炸也不会燃烧。

  总之,在我国 广泛不具备建设抽水蓄能电站自然条件的一些地区,尤其远 离消费中心的大型风电场和太阳能发电场,迫切需 要研究开发另外一种能够大规模长时间使用的储能技术。由于压 缩空气储能优势明显,可以弥 补抽水蓄能的先天不足,将是有 效解决我国大规模储能问题的重要选择。

  压缩空气储能概述

  1.工作原理

  压缩空 气储能是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统,工作原理非常类似。


燃气轮机结构图

  燃气轮机装置由压缩机、燃烧器(或叫燃烧室)和透平3个主要部分组成(见图3)。燃气轮 机的工作原理为:叶轮式 压缩机从外部吸收空气,压缩后送入燃烧器,同时燃料(气体或液体燃料)也喷入 燃烧室与高温压缩空气混合,在定压下进行燃烧。生成的 高温高压烟气进入透平膨胀做功,推动动 力叶片高速旋转,同时驱 动压缩机旋转增压空气,燃气轮机装置中约2/3功率用于驱动压缩机。

  压缩空 气储能一般包括5个主要部件:压缩机、燃烧室及换热器、透平、储气装置(地下或 地上洞穴或压力容器)、电动机/发电机(见图4)。其工作 原理与燃气轮机稍有不同的是:压缩机 和透平不同时工作,电动机 与发电机共用一机。在储能时,压缩空 气储能中的电动机耗用电能,驱动压 缩机压缩空气并存于储气装置中;放气发电过程中,高压空 气从储气装置释放,进入燃 气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后,驱动透 平带动发电机输出电能。由于压 缩空气来自储气装置,透平不 必消耗功率带动压缩机,透平的 出力几乎全用于发电。


压缩空气储能原理

  2.应用现状

  压缩空 气储能发电已有成熟的运行经验,最早投 运的机组已安全运行30多年。目前已 有两座大规模压缩空气储能电站投入了商业运行,分别位于德国和美国。

  第一座是1978年投入 商业运行的德国Huntorf电站。目前仍在运行中,是世界 上最大容量的压缩空气储能电站。机组的压缩机功率60MW,释能输出功率为290MW。系统将 压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中,矿洞总容积达3.1×105m³,压缩空 气的压力最高可达10MPa。机组可连续充气8h,连续发电2h。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次,平均启动可靠性97.6%。实际运行效率约为42%。

  第二座是1991年投入 商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站(见图5)。储能电 站压缩机组功率为50MW,发电功率为110MW。储气洞穴在地下450m,总容积为5.6×105m³,压缩空气储气压力为7.5MPa。可以实现连续41h空气压缩和26h发电,机组从 启动到满负荷约需9min。该电站由Alabama州电力 公司的能源控制中心进行远距离自动控制。实际运行效率约为54%。

  美国Ohio州Norton从2001年起开始建一座2700MW的大型 压缩空气储能商业电站,该电站由9台300MW机组组成。压缩空气存储于地下670m的地下岩盐层洞穴内,储气洞穴容积为9.57×106m³。

  日本于2001年投入 运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目,位于北海道空知郡,输出功率为2MW,是日本开发400MW机组的 工业试验用中间机组。它利用废弃的煤矿坑(约在地下450m处)作为储气洞穴,最大压力为8MPa。

  瑞士ABB公司(现已并 入阿尔斯通公司)正在开 发联合循环压缩空气储能发电系统。储能系统发电功率为422MW,空气压力为3.3MPa,系统充气时间为8h,储气洞穴为硬岩地质,采用水封方式。目前除德、美、日、瑞士外,俄、法、意、卢森堡、南非、以色列 和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。

  我国对 压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚,大多集 中在理论和小型实验层面,目前还 没有投入商业运行的压缩空气储能电站。中科院 工程热物理研究所正在建设1.5MW先进压 缩空气储能示范系统。

  压缩空气储能分类

  根据压 缩空气储能的绝热方式,可以分为两种:非绝热压缩空气储能、带绝热压缩空气储能。同时根 据压缩空气储能的热源不同,非绝热 压缩空气储能可以分为无热源 的非绝热压缩空气储能、燃烧燃 料的非绝热压缩空气储能,带绝热 压缩空气储能可以分为外来热 源的带绝热压缩空气储能、压缩热 源的带绝热压缩空气储能(见图6)。

  1.无热源 的非绝热压缩空气储能

  无热源 的压缩空气储能系统既不采用燃烧燃料加热,也不采 用其他外来热源和绝热装置。

  在储能时,电动机 带动压缩机压缩空气并存于储气装置中;放气发电过程中,高压空 气从储气装置释放,驱动透 平带动发电机输出电能(见图7)。


压缩空气储能

  无热源 的非绝热压缩空气储能优点是结构简单,但系统 能量密度和效率较低。因此,它仅应 用在微小型系统中,用作备用电源、空气马 达动力和车用动力等,不适应大规模储能。

  2.燃烧燃 料的非绝热压缩空气储能

  燃烧燃 料的非绝热空气压缩蓄能的特点是需要向系统提供较多额外的燃料,放气时 加热从储气装置中流出的空气。

  典型代表为德国的Huntorf压缩空 气储能电站和美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站。它们与 压缩空气储能基本原理相比,压缩过 程和膨胀过程为二级,压缩过 程包括级间以及级后冷却,膨胀过 程包括中间再热结构。

  德国的Huntorf压缩空 气储能结构见图8。在储能过程中,电动机带动压缩机,空气通 过两级压缩成高压空气,同时使用冷却装置,在进入 储气装置之前被冷却,然后存于储气装置中。在释能过程中,高压空 气从储气装置释放,通过两次补燃,驱动透 平带动发电机输出电能。

  美国Alabama州的McIntosh压缩空 气储能电站系统结构见图9。它与德国的Huntorf压缩空 气储能不同之处在于它是带有余热回收装置的压缩空气储能系统,通过回 收涡轮排气中的废热预热压缩空气,从而可 以提高系统的热效率。由于具有回热结构,McIntosh电站的 单位发电燃料消耗相对于Huntorf电站节省了约25%。

  3.外来热 源的带绝热压缩空气储能

  此类压 缩空气储能是通过存储外来热源代替燃料燃烧加热。外来热 源可以是太阳能热能、电力、化工、水泥等 行业的余热废热等。目前应 用最广泛是太阳能热能,太阳能 热利用是一种最现实、最有前景、最能够 有份额的替代化石能源消耗的太阳能利用方式,通过太 阳集热器可以获得550℃以上的高温,但由于 太阳能的间歇性和不稳定性,储热装 置在太阳能热利用系统中具有先天的需求。

  在储能过程中,电动机带动压缩机,压缩成 高压空 气存于储气装置中,外来热 源热能存储在储热装置中。在释能过程中,利用存 储的外来热源热能加热压缩空气,驱动透 平带动发电机输出电能(见图10)。


  4.压缩热 源的带绝热压缩空气储能

  压缩空 气储能系统中空气的压缩过程接近绝热过程,产生大量的压缩热。如在理想状态下,压缩空气至10MPa,能够产生650℃的高温。

  在储能过程中,压缩热 源的带绝热压缩空气储能将空气压缩过程中的压缩热存储在储热装置中,高压空 气存于储气装置中。在释能过程中,利用存 储的压缩热能加热压缩空气,然后驱动涡轮做功(见图11)。

  与非绝 热压缩空气储能相比较,综合效率最高可达到70%。同时,此系统 中压缩机的出口会达到650℃的高温,增加了 对压缩机耐热材料的要求。系统虽 然去除了燃烧室,但是增加了储热装置,会带来 管道和阀门数量的增加与储气装置体积过大的问题。

  压缩空 气储能的耦合利用方式

  传统的 压缩空气储能主要通过透平直接发电。为了提 高系统工作方式的灵活性,改善系 统的效率和适应特殊用途等,逐步出 现了直接利用经过压缩空气储能压缩后的高压空气与其他热力循环系统耦合的应用方式。

  1.压缩空 气储能与可再生能源耦合系统

  风电和 太阳能发电出力的不确定性和波动性给电网的实时功率平衡和安全稳定运行带来诸多问题。压缩空 气储能可实现间歇式可再生能源稳定输出,为可再 生能源大规模利用提供有效的解决方案。

  在用电低谷,风电场 的多余电力驱动压缩机,压缩并储存压缩空气,同时太 阳能热能存储在储热装置中。

  在释能过程中,利用太 阳能热能和尾气中的热量加热压缩空气,需要时 通过燃烧进一步加热压缩空气,然后进 入透平发电上网。此系统 可以有效解决可再生能源的并网问题,进一步 提高歇式可再生能源在电网中供电的比例(见图12)。


压缩空气储能

  2.压缩空 气储能与燃气轮机耦合系统

  压缩空 气储能与燃气轮机的结构和工作原理类似,可以组 合成高效率的耦合系统,有效利 用压缩空气储能起到削峰平谷的目的(见图13)。

  为了提 高能源利用效率,在一般情况下,大功率 燃气轮机需要连续高负荷运行,而压缩 空气储能则作为燃气轮机发电的“加力装置”。在用电低谷时,多余电 力用来压缩空气并储存在地下洞穴或者地上高压容器等储气装置里;在用电高峰时,压缩空 气通过燃气轮机的废气加热之后,可以直 接喷入或者同燃气轮机压缩空气混合喷入燃烧室,以增加燃气轮机出功,其排气 仍通过余热换热器加热压缩空气储能中的空气。

  小结

  目前压 缩空气储能在我国仍然处在探索阶段,技术尚未成熟,但是系统规模大、储能成本低,尤其在我国风能、太阳能 等可再生能源与消费中心地区严重逆向分布的背景下,必将会 在未来电力系统中得到广泛的应用。

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