以壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃機(jī)技術(shù)促進(jìn)東北新能源就地消納

董振斌，蒯狄正

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024）

以壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃機(jī)技術(shù)促進(jìn)東北新能源就地消納

董振斌，蒯狄正

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024）

針對(duì)東北地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重、供熱與調(diào)峰困難的狀況，首先比較了幾種主流解決棄風(fēng)問(wèn)題的技術(shù)手段的優(yōu)缺點(diǎn)，提出利用壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃機(jī)技術(shù)可以保持熱負(fù)荷連續(xù)供應(yīng)，同時(shí)可以靈活移峰填谷。介紹了壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)的耦合原理和壓縮空氣儲(chǔ)能、儲(chǔ)能發(fā)電與混合發(fā)電3種運(yùn)行模式。最后基于東北地區(qū)典型的電力和供熱曲線，通過(guò)利用壓縮空氣儲(chǔ)能耦合燃機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)量為零，并指出多能互補(bǔ)技術(shù)是解決東北新能源消納的有效手段。

壓縮空氣；儲(chǔ)能；燃機(jī)；耦合；棄風(fēng)

1 東北地區(qū)能源特點(diǎn)

東北區(qū)域是國(guó)家重要的清潔能源基地，潛在開發(fā)規(guī)模十分巨大。但作為全國(guó)唯一沒(méi)有特高壓電網(wǎng)的行政區(qū)域，東北電網(wǎng)僅通過(guò)輸送能力為300萬(wàn)kW的500 kW線路與華北電網(wǎng)相連。東北電網(wǎng)風(fēng)電資源非常豐富，但富余電量無(wú)法外送，窩電棄風(fēng)現(xiàn)象頻發(fā)［1］，已經(jīng)連續(xù)多年被棄風(fēng)問(wèn)題困擾，而且棄風(fēng)量正逐步劇增。

東北地區(qū)供熱期與大風(fēng)期長(zhǎng)期重合，雖然地方政府和電網(wǎng)公司共同采取措施促進(jìn)用電需求增長(zhǎng)，但受客觀條件限制，收效不十分明顯，供熱機(jī)組與清潔能源相互擠占有限的發(fā)電空間，調(diào)峰困難正成為東北棄風(fēng)的主要原因。特別是火電機(jī)組中供熱機(jī)組受熱電約束［2］，加劇了調(diào)峰難度［3—4］。尤其是進(jìn)入冬季以后，為保證居民供熱，熱電機(jī)組開機(jī)較多，即使所有風(fēng)電停發(fā)，2016年熱電機(jī)組冬季以最小運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上再壓出力370萬(wàn)kW，東北地區(qū)電源仍富余240萬(wàn)kW。節(jié)假日等用電低谷時(shí)段情況更為嚴(yán)峻，熱電機(jī)組長(zhǎng)期異常方式運(yùn)行，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，無(wú)法保證居民供熱質(zhì)量，保供熱惠民生壓力巨大。

因此利用東北地區(qū)大型綜合能源基地風(fēng)能、儲(chǔ)能和光伏等資源組合優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多能互補(bǔ)技術(shù)［5-6］，實(shí)施風(fēng)電清潔供暖工程，開展可再生能源就近消納試點(diǎn)，推進(jìn)風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行，提升能源系統(tǒng)的綜合效率，可緩解能源供需矛盾。

2 解決“棄風(fēng)”問(wèn)題的主要技術(shù)方法比較

目前解決東北地區(qū)“棄風(fēng)”問(wèn)題的主流技術(shù)方法包括儲(chǔ)熱、蓄熱電鍋爐、化學(xué)電池儲(chǔ)能、抽水蓄能調(diào)節(jié)和采用天然氣燃機(jī)和壓縮空氣儲(chǔ)能耦合等。表1為主要技術(shù)方法分析比較。

從表1可以看出，采用天然氣燃機(jī)與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合技術(shù)手段的作用和優(yōu)點(diǎn)非常明顯，其缺點(diǎn)是設(shè)備集成難度較大。某集團(tuán)與制造廠聯(lián)合，解決了燃機(jī)輪機(jī)與壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備集成的關(guān)鍵技術(shù)，并獲得相關(guān)國(guó)家發(fā)明專利。

表1 解決東北地區(qū)“棄風(fēng)”問(wèn)題主要技術(shù)方法分析比較

3 壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)的耦合原理

通常在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)是由燃?xì)馔钙脚蛎涀龉?lái)帶動(dòng)的。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，首先需要外界動(dòng)力，一般是啟動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)，直到燃?xì)馔钙桨l(fā)出的機(jī)械功大于壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功時(shí)，外界啟動(dòng)機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)才能自身獨(dú)立工作。但是傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)由于串聯(lián)在同一根軸上面聯(lián)動(dòng)工作，所以其工作的靈活性受到了極大的限制。此外，壓氣機(jī)的功耗占比很大，嚴(yán)重制約了發(fā)電量。

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)壓氣機(jī)消耗自身功率問(wèn)題，提出了一種模式可切換的燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，特點(diǎn)在于可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行壓氣儲(chǔ)能模式、儲(chǔ)能發(fā)電模式與常規(guī)發(fā)電模式的自動(dòng)切換，通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能單元與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)耦合，將過(guò)剩的能量以內(nèi)能的形式儲(chǔ)存在壓縮空氣罐中，在燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，利用釋放壓縮空氣代替壓氣機(jī)工作，增加機(jī)械功輸出。整個(gè)系統(tǒng)以壓縮空氣作為“緩沖”，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的調(diào)節(jié)作用，為提升能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供保障，有望成為今后分布式能源系統(tǒng)工程建設(shè)的范例，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)原理圖

壓氣儲(chǔ)能模式下，壓氣機(jī)在工作狀況時(shí)，燃?xì)馔钙脚c電機(jī)處于斷開狀態(tài)，此時(shí)同步電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)模式。同步電機(jī)利用富裕風(fēng)電或電網(wǎng)低谷電帶動(dòng)壓氣機(jī)做功，產(chǎn)生高壓氣體，同時(shí)空氣壓縮過(guò)程釋放出大量熱能可用于連續(xù)供熱。

儲(chǔ)能發(fā)電模式下，在燃?xì)馔钙降倪M(jìn)口空氣為其儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣，壓氣機(jī)不工作，燃?xì)廨啓C(jī)與電機(jī)處于連接狀態(tài)，此時(shí)同步電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式。燃?xì)馔钙綆?dòng)同步電機(jī)做功發(fā)電，并將所發(fā)電并至電網(wǎng),由于沒(méi)有帶動(dòng)壓氣機(jī)工作,此時(shí)燃機(jī)發(fā)電功率將倍增。

混合發(fā)電模式下，壓氣機(jī)處的可調(diào)節(jié)離合器處于聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，燃?xì)馔钙教幍牟豢烧{(diào)節(jié)離合器亦處于聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)同步電機(jī)作發(fā)電機(jī)用。壓氣機(jī)、同步電機(jī)、燃?xì)馔钙酵S連接，燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)同步電機(jī)和壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體進(jìn)入燃燒室進(jìn)行混合燃燒。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)的耦合具有以下優(yōu)點(diǎn)：①壓氣機(jī)與同步電機(jī)、燃?xì)馔钙脚c同步電機(jī)之間分別使用離合器連接，提高了系統(tǒng)變化的靈活性；②離合器的設(shè)置使得本系統(tǒng)可以切換多種模式，可滿足不同工況下的模式切換要求，比傳統(tǒng)燃機(jī)機(jī)組具有更廣的使用范圍；③使用同步電機(jī)代替原有的發(fā)電機(jī)，既可作電動(dòng)機(jī)用，亦可做發(fā)電功能；④在外部提供高壓氣源的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)僅帶動(dòng)同步電機(jī)做功，可以節(jié)省壓氣機(jī)的做功，約節(jié)省2/3的能量。

4 壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)耦合的控制效果

圖2是冬季電力負(fù)荷、供熱負(fù)荷、棄風(fēng)功率和改造后的棄風(fēng)功率一天的運(yùn)行曲線特性對(duì)比示意圖。由于目前的以熱定電模式，導(dǎo)致棄風(fēng)功率運(yùn)行曲線基本跟隨供電負(fù)荷運(yùn)行曲線變化，當(dāng)電力負(fù)荷最高時(shí)，棄風(fēng)量也達(dá)到最大。而采用燃機(jī)輪機(jī)與壓縮空氣耦合技術(shù)后，通過(guò)靈活調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行模式，同時(shí)改變目前的以熱定電模式，可以做到100%利用風(fēng)電可再生資源進(jìn)行供暖和供電，因此棄風(fēng)量為零。

圖2 運(yùn)行曲線示意圖

5 建議與展望

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，推動(dòng)能源生產(chǎn)供應(yīng)集成優(yōu)化，構(gòu)建多能互補(bǔ)、供需協(xié)調(diào)的智慧能源系統(tǒng)，并將“實(shí)施多能互補(bǔ)集成優(yōu)化工程”列為“十三五”能源發(fā)展的主要任務(wù)，風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)工程是“十三五”能源系統(tǒng)優(yōu)化重點(diǎn)工程。多能互補(bǔ)是對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能、天然氣分布式能源、熱泵、儲(chǔ)能等多種能源進(jìn)行優(yōu)化組合配置，在系統(tǒng)內(nèi)互補(bǔ)運(yùn)行，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以更好地滿足用戶負(fù)荷需求。因此針對(duì)東北地區(qū)的能源現(xiàn)狀和特點(diǎn)，在棄風(fēng)棄光時(shí)段將風(fēng)電、光伏等新能源存儲(chǔ)在壓縮空氣中，然后通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)將壓縮空氣存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)為用戶提供電力和供熱需求是一種合理有效的用能方式。后期可通過(guò)建設(shè)多能互補(bǔ)的供能系統(tǒng)，加快太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電、生物質(zhì)能等可再生能源的分布式開發(fā)利用，發(fā)揮各類能源的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到“1+1>2”的效果，提高能源系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 國(guó)家能源局.2015年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況［EB/OL］.（2016-02-02）［2016-06-12］.http://www.nea.gov.cn/2016-02/02/c_135066586.htm

［2］ 裴哲義，王新雷，董存，等.東北供熱機(jī)組對(duì)新能源消納的影響研究及熱電解耦措施［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（6）：90-96.

［3］ 牛東曉，李建鋒，魏林君，等.跨區(qū)電網(wǎng)中風(fēng)電消納影響因素分析及綜合評(píng)估方法研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（4）：1 087-1 093.

［4］ 呂泉，王偉，韓水，等.基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)棄風(fēng)情況評(píng)估方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013（7）：1 887-1 894.

［5］ 盛四清，張立.基于風(fēng)光火多能互補(bǔ)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度［J］.2016，53（22）：66-71.

［6］ 張樂(lè)平.多能互補(bǔ)——促進(jìn)可再生能源發(fā)展的有效途徑［J］，西北水電，2015（1）：7-12.

［7］ 石成忠，張強(qiáng).東北地區(qū)棄風(fēng)供熱可行性分析［J］.風(fēng)能產(chǎn)業(yè)，2016（8）：9-12.

［8］ 江全元，龔裕仲.儲(chǔ)能技術(shù)輔助風(fēng)電并網(wǎng)控制的應(yīng)用綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（12）：3 360-3 368.

［9］ 張川，楊雷，牛童陽(yáng)，等.平抑風(fēng)電出力波動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)比較及分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（7）：149-154.

［10］ 劉世林，文勁宇，孫海順，等.風(fēng)電并網(wǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展［J］.2013，41（23）：145-153.

［11］ 王成山，武震，楊獻(xiàn)莘，等.基于微型壓縮空氣儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（23）：22-26.

［12］ 劉暢，徐玉杰，胡珊，等.壓縮空氣儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)性分析［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2015，4（2）：158-168.

［13］ 田崇翼，張承慧，李珂，等.含壓縮空氣儲(chǔ)能的微網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)及其成本分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（10）：36-41.

Promote new energy consumption nearby in Northeast China with compressed air energy storage coupling gas turbine technology

DONG Zhen-bin,KUAI Di-zheng
（State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China）

According to the serious condition of abandoned wind,difficulties in heat supplying and peak modulating in Northeast China,firstly this paper compares advantages and disadvantages of several main solutions to abandoned wind technology.Secondly compressed air energy storage coupling gas turbine technology is proposed and this technology not only keeps heat load supplying continuously,but also makes the ability of peak shaving and valley filling flexible and reliable.Then the principle of compressed air energy storage coupling gas turbine is introduced,and three kinds of operating modes based on air energy storage,energy storage generation and hybrid generation are also introduced.Lastly,based on the typical electricity and heating curve in Northeast China,the proposed technology can assure that there is no abandoned wind.Meanwhile,it pointed out that multi energy complementary technology is the best way to solve new energy consumption in Northeast China.

compressed air;energy storage;gas turbine;coupling;abandoned wind

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.05.006

F407.61；TK018

C

2017-06-21