燃氣輪機蓄能系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

王君宇

摘 要： 燃氣輪機的蓄能裝置的主要作用是調(diào)峰以及提高機組的能源利用率，將燃氣輪機燃燒產(chǎn)生的余熱或者峰谷時的剩余產(chǎn)能，用于壓縮空氣，并且將壓縮空氣的能量存儲起來。在用電高峰期間，將儲存的能量釋放，實現(xiàn)能源的填谷削峰。

關(guān)鍵詞： 燃氣輪機；蓄能

一、引言

燃氣輪機于上世紀三十年代被成功制造，POWER JETS RES & DEV LTD于1948年6月7日申請了公開號為GB635851A的專利申請。燃氣輪機的發(fā)展代表著一個國家重大裝備制造業(yè)的總體水平，是國家科技實力的重要標(biāo)志之一，對保護國防與能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

二、蓄能系統(tǒng)分類

采用蓄能裝置是提高燃氣輪機燃燒效率的一個重要手段，蓄能形式可分為四類：機械蓄能（如壓縮空氣蓄能、飛輪蓄能等）、化學(xué)蓄能（燃料電池蓄能等）、電磁蓄能（如超導(dǎo)電磁蓄能等）和相變蓄能（如蓄冷蓄能等）。在燃氣輪機領(lǐng)域中，以下幾種蓄能手段較為常見：

2.1 壓縮空氣蓄能

由于燃氣輪機裝置中約2/3的功率用于驅(qū)動壓氣機，壓縮空氣蓄能發(fā)電正好利用這一特點：利用電力系統(tǒng)負荷低谷時的剩余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，即將不可儲存的電能轉(zhuǎn)化成可儲存的壓縮空氣的氣壓勢能并貯存于貯氣室中。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足時，將來自于儲氣室的壓縮空氣通入燃燒室中與油或天然氣混合燃燒，由于壓縮空氣來自儲氣室，燃氣透平不必消耗功率帶動壓氣機，其產(chǎn)生的功率幾乎全部用于發(fā)電，進而可以達到減少排放和進行電力調(diào)峰的目的。

2.2 燃料電池蓄能

燃料電池是一種新型發(fā)電技術(shù)，不儲存燃料和氧化劑，其種類繁多，目前世界上較流行的是質(zhì)子交換膜電池，其核心是三合一電級，它由兩塊涂有催化劑的電極和夾在中間的質(zhì)子交換膜壓合而成。質(zhì)子交換膜既有質(zhì)子交換的功能，又有隔離燃料氣體和氧化劑的作用。當(dāng)作為燃料的氫氣被通入“氫”電極時，在催化劑的作用下，氫分子分解成電子和質(zhì)子。質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達“氧”電極，在催化劑的作用下與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水。電子通過外電路產(chǎn)生電流，對外供電。由于氫氣的制造、儲存技術(shù)己相當(dāng)成熟，燃料電池的轉(zhuǎn)化效率又相當(dāng)高，故燃料電池可作為一種有效的蓄能手段。

2.3 超導(dǎo)電磁蓄能

超導(dǎo)電磁蓄能是將超導(dǎo)體材料制成超導(dǎo)螺旋管，通過功率調(diào)節(jié)器，將低谷電轉(zhuǎn)化成直流電，以磁場形式儲存于超導(dǎo)螺旋管中。當(dāng)系統(tǒng)負荷超過可發(fā)電量時，通過功率調(diào)節(jié)器的逆向輸送將儲存于超導(dǎo)螺旋管中的磁場能轉(zhuǎn)換成交流電以補充電網(wǎng)電力。

2.4 蓄冷蓄能

蓄冷是用電側(cè)的主要蓄能手段。蓄冷空調(diào)是在用戶的中央空調(diào)系統(tǒng)上增加一套蓄冷裝置，利用夜間電網(wǎng)低谷時段的低價電能制冰或制冷水，即將冷量儲存起來；在白天將儲存的冷量放出，從而達到少用或不用高峰時段的高價電量的目的。由于燃氣輪機的出力隨進口空氣溫度的升高而降低，故可通過冰蓄冷裝置降低進口空氣溫度，提高燃氣輪機的出力以提高效率。其單位投資低于通常情況下新裝燃氣輪機的單位投資。

2.5 飛輪蓄能

飛輪蓄能是機械蓄能的一種蓄能方式，是將電能轉(zhuǎn)化成可儲存的動能或勢能。當(dāng)電網(wǎng)電量富裕時，飛輪蓄能系統(tǒng)通過電動機拖動飛輪加速以動能的形式儲存電能；當(dāng)電網(wǎng)需要電量時，飛輪減速并拖動發(fā)電機發(fā)電以放出電能。

2.6 蓄熱器蓄能

蓄熱器蓄能是在外界低負荷時，將多余中壓蒸汽（4. 8 M Pa左右）導(dǎo)入蓄熱器儲存；外界需要負荷時，再將蓄熱器中的蒸汽補充給汽輪機組發(fā)電；從而保證電廠鍋熄汽輪機以最佳參數(shù)運行，起到調(diào)峰機組的作思以地下式蓄熱器為例：蓄熱器建造在地下巖體中，巖洞的深度應(yīng)位于巖層靜壓力等于最大蓄熱壓力的1. 33倍處，以保證巖洞受壓后不會產(chǎn)生裂縫。優(yōu)點：投資少，運行操作方便，可節(jié)約原機組調(diào)峰所需的助燃油和氣。缺點：地上式蓄熱器占用廠區(qū)面積，要確保壓力容器的安全地下式蓄熱器需特定的地質(zhì)條件，密封性檢驗較復(fù)雜。太陽能集熱蓄能方式便是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

2.7 熱水蓄能

熱水蓄能是將發(fā)電機組在夜間低谷時產(chǎn)生的部分熱量以高壓熱水的形式儲藏起來；在白天高負荷時利用二相流的熱水透平設(shè)備和閃蒸蒸汽透平設(shè)備將儲藏的熱水用于發(fā)電。優(yōu)點：工作介質(zhì)是水，電廠有現(xiàn)成處理設(shè)備；熱水管比蒸汽管小，便于熱源集中利用和大容量化；負荷響應(yīng)速度比火電或核電機組快；可建在負荷中心，減少輸配電設(shè)備；建設(shè)周期較短。缺點：需占用一定的場地；能量儲存密度不高；設(shè)備規(guī)模較小時，建設(shè)成本較高；對于遠離電源設(shè)備的熱水蓄熱發(fā)電，有可能成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。

2.8 抽水蓄能

抽水蓄能是最廣泛應(yīng)用的能量存儲系統(tǒng)形式，通過將水從較低的蓄水池泵送到較高的蓄水池來存儲水力勢能。所存儲能量的量與兩個蓄水池之間的高度差以及所存儲的水的體積成比例。在電力的高需求期，水通過渦輪發(fā)電機以類似于傳統(tǒng)水力發(fā)電設(shè)施的方式從較高的蓄水池落到較低的蓄水池。抽水存儲是具有高效率、大體積、長存儲期和每單位能量的投資成本相對低的成熟技術(shù)。我國已經(jīng)建立天荒坪抽水蓄能電站、十三陵抽水蓄能電站、廣州抽水蓄能電站、臺灣日月潭抽水蓄能電站站等。然而，缺少用于兩個大蓄水池以及一個或多個水壩的可利用場地是抽水蓄能的主要缺點。用于建造的長交付周期和環(huán)境問題（例如，在對蓄水池注水前將樹木和植被從土地上除去）是抽水蓄能系統(tǒng)的另外兩個主要缺點。因而其在燃氣輪機領(lǐng)域中應(yīng)用并不算太常見。

三、技術(shù)展望

根據(jù)上述時間脈絡(luò)可知，該技術(shù)起源于60年代，由于當(dāng)時技術(shù)剛剛提出，方案仍然處于論證階段，申請人都在集中討論方案的構(gòu)造以及可行性分析。隨著研究的深入，解決了氣體存儲、運行參數(shù)確定、快速響應(yīng)等關(guān)鍵問題，該技術(shù)于1978年投入生產(chǎn)。隨著該電站實際投產(chǎn)過程，暴露了一系列的技術(shù)問題，比如能源利用率低等問，因此在80-90年代，申請人的討論主要集中于提高能源利用率、擴大儲氣儲氣量，提升調(diào)峰的性能，此時的專利多數(shù)都是系統(tǒng)的改造，工藝的組合以及氣體存儲的研究。90年代末，開始出現(xiàn)了新能源以及清潔能源的應(yīng)用，不僅可以提升能源利用，還可以達到節(jié)能環(huán)保的作用，該應(yīng)用為了以后發(fā)明人的研究擴寬了道路。進入21世紀以來，太陽能、風(fēng)能、化學(xué)能相繼引入到該領(lǐng)域，蓄能技術(shù)如蓄熱器、蓄冷等傳統(tǒng)蓄能方式引入，擴展了燃氣輪機的蓄能范圍以及，蓄能的用途。隨著接近50年的發(fā)展，燃氣輪機蓄能技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，當(dāng)前的該技術(shù)發(fā)展方向主要三個：

第一、提升系統(tǒng)理論的完備性，余熱等其他相關(guān)能源的利用，提升系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)趨于復(fù)雜化。

第二、擴大儲氣容量，研究儲氣技術(shù)，擴大儲氣量，進一步提升調(diào)峰填谷的能力，以適應(yīng)當(dāng)前能源時間利用的不協(xié)調(diào)。

第三、新型蓄能方式，如燃料電池、化學(xué)電池以及超導(dǎo)磁等技術(shù)的引入，使得該系統(tǒng)小型化成為可能。如在多種交通工具如飛機、輪船等裝置都會設(shè)置燃氣輪機系統(tǒng)，通過簡化設(shè)備以及提高單位蓄能力來滿足小集成化的要求。■

參考文獻

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[2] 蓄能方式之化學(xué)蓄能. [中學(xué)生數(shù)理化]. 美國：美國加利福尼亞大學(xué)，2012.

[3] 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)蓄能調(diào)節(jié)的混和動力原理. [中國工程熱物理學(xué)會]. 北京：中國科學(xué)院工程熱物理研究所，2010.