壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置研究現(xiàn)狀與分析

羅 寧，何 青，劉文毅

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壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置研究現(xiàn)狀與分析

羅 寧，何 青，劉文毅

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作為最具前景的儲(chǔ)能技術(shù)正在快速發(fā)展，儲(chǔ)氣裝置是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要部件之一。首先綜述了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以及目前投入商用的儲(chǔ)能電站和示范電站特點(diǎn)。其次對(duì)于各種儲(chǔ)氣裝置的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括儲(chǔ)氣裝置的不同分類、以及不同類型儲(chǔ)氣裝置所具有的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并詳細(xì)分析了儲(chǔ)氣裝置的儲(chǔ)能特性。最后對(duì)于儲(chǔ)氣裝置現(xiàn)存的技術(shù)問題和相關(guān)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析整理，提出了壓縮空氣儲(chǔ)能及其儲(chǔ)氣裝置的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。

壓縮空氣儲(chǔ)能；儲(chǔ)氣裝置；儲(chǔ)能特性；評(píng)價(jià)指標(biāo)

間歇性、波動(dòng)性和非周期性是風(fēng)能、太陽能等新能源的重要特征，也是造成風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等系統(tǒng)不穩(wěn)定性的重要原因。隨著風(fēng)電和光伏行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電“棄風(fēng)”、光伏“棄光”的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。電能儲(chǔ)存技術(shù)近年來引起了相當(dāng)大的關(guān)注。如果將電能儲(chǔ)存系統(tǒng)與發(fā)電、輸電和消耗過程聯(lián)系起來，可以提高電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且可以打破可再生能源與電網(wǎng)連接的瓶頸問題[1-3]。到目前為止，世界上能夠應(yīng)用于100 MW級(jí)及以上規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能兩種方式。雖然抽水儲(chǔ)能有較高的能量存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化效率，但由于對(duì)地形、水源的要求較高，該技術(shù)的應(yīng)用存在較大的局限性。因此，壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage，CAES）被認(rèn)為是解決“棄風(fēng)”和“棄光”問題的重要技術(shù)途徑之一。

與其它技術(shù)不同，CAES具有效率高、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量大、成本相對(duì)低的優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)大型商用壓縮空氣儲(chǔ)能電站目前正在運(yùn)行，分別是建于1978年德國的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站和建于1991年的美國的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站。

圖1所示為CAES系統(tǒng)。包括：①空氣壓縮機(jī)；②透平；③電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)；④空氣存儲(chǔ)裝置；⑤蓄熱器組成。壓縮機(jī)在儲(chǔ)能過程中消耗電能來壓縮環(huán)境空氣，并儲(chǔ)存在空氣儲(chǔ)存裝置中，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的內(nèi)部能量。壓縮熱同時(shí)存儲(chǔ)。來自儲(chǔ)存裝置的壓縮空氣通過減壓閥以在能量釋放過程期間調(diào)節(jié)流動(dòng)壓力。流體最終進(jìn)入透平膨脹器以發(fā)電并實(shí)現(xiàn)壓縮空氣能量向電的轉(zhuǎn)換。

圖1 壓縮空氣蓄能系統(tǒng)圖

首先綜述了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以及目前投入商用的儲(chǔ)能電站和示范電站特點(diǎn)。對(duì)于儲(chǔ)氣裝置的技術(shù)問題和相關(guān)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析整理。研究為大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置的設(shè)計(jì)選型提供相關(guān)理論參考和研究方向指導(dǎo)。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理及技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，表1所示為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和 類型。

表2是近年來已經(jīng)投入商用的儲(chǔ)能電站和準(zhǔn)備建設(shè)的示范電站的相關(guān)參數(shù)和運(yùn)行情況綜述[7-12]。

表1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域和類型

續(xù)表

表2 CAES發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

2 儲(chǔ)氣裝置分類及技術(shù)研究

儲(chǔ)氣裝置作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，選擇合適的儲(chǔ)氣裝置關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性等各方面的因素。常見的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置分類如表3所示[13-17]。

目前工程應(yīng)用的儲(chǔ)氣裝置一般分為地下儲(chǔ)氣裝置和地上儲(chǔ)氣裝置，具體類型如表4所示[18-24]。

表3 儲(chǔ)氣裝置分類

表4 地下儲(chǔ)氣裝置和地上儲(chǔ)氣裝置具體類型

對(duì)于AA-CAES系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置的研究，有學(xué)者用模擬的方法針對(duì)具體地形進(jìn)行了研究，也有學(xué)者用理論分析的方法針對(duì)人造存儲(chǔ)容器開展了相關(guān)的工作。表5所示為近年來國內(nèi)外相關(guān)專家對(duì)于CAES儲(chǔ)氣裝置的研究和分析現(xiàn)狀綜述。

表5 儲(chǔ)氣裝置研究方向與技術(shù)現(xiàn)狀

3 CAES儲(chǔ)氣裝置評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不對(duì)能量轉(zhuǎn)移過程的復(fù)雜過程進(jìn)行深入研究，壓縮空氣被認(rèn)為是理想的氣體，通過管道和閥門的壓力損失被忽略。假設(shè)為恒溫過程，由于存儲(chǔ)空氣和環(huán)境之間的熱傳遞，在能量釋放過程中空氣存儲(chǔ)裝置中的溫度變化被忽略。減壓閥后的空氣應(yīng)該被周圍環(huán)境加熱[25-28]。

假設(shè)空氣為理想氣體，理想氣體狀態(tài)方程：

式中，為空氣壓力，Pa；為空氣體積，m3；為空氣質(zhì)量，kg；為溫度，K。

3.1 儲(chǔ)氣質(zhì)量

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)儲(chǔ)氣的總質(zhì)量為：

式中，ac為儲(chǔ)氣裝置壓力，Pa；ac為儲(chǔ)氣裝置體積，m3；為儲(chǔ)氣裝置溫度，K。

3.2 儲(chǔ)氣體積

儲(chǔ)氣裝置所能存儲(chǔ)氣體體積應(yīng)當(dāng)與存儲(chǔ)能量和壓縮機(jī)升壓比有關(guān)，具體關(guān)系為：

式中，為氣體存儲(chǔ)?，W；0是大氣壓力，Pa；為壓縮機(jī)的升壓比。

儲(chǔ)氣裝置中高壓空氣儲(chǔ)存的?主要是壓力?。有效能在大氣溫度下為：

3.3 儲(chǔ)氣裝置質(zhì)量

儲(chǔ)氣裝置質(zhì)量應(yīng)當(dāng)與所選材料和所存儲(chǔ)氣體能量有關(guān)。具體關(guān)系為：

式中，為儲(chǔ)氣裝置材料密度，kg/m3；為儲(chǔ)氣裝置材料的最大應(yīng)力，Pa。

3.4 儲(chǔ)氣裝置體積

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，釋能階段儲(chǔ)氣裝置狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為：

式中，Vc表示儲(chǔ)氣裝置體積，單位m3；s0表示釋能初始時(shí)刻氣體壓力；s1表示釋能終了時(shí)刻氣體壓力；s0表示釋能初始時(shí)刻氣體溫度，K；s1表示釋能終了時(shí)刻氣體溫度，K。

由此可得儲(chǔ)氣裝置體積為：

3.5 儲(chǔ)能密度

儲(chǔ)能密度是衡量?jī)?chǔ)氣裝置儲(chǔ)能能力的重要指標(biāo)，儲(chǔ)能密度為：

4 CAES儲(chǔ)氣裝置熱力學(xué)分析

空氣經(jīng)過多級(jí)壓縮和多級(jí)換熱的過程以后，進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置，如果把儲(chǔ)氣裝置看作控制容積，根據(jù)質(zhì)量守恒方程得到：

式中，ac是儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體總質(zhì)量，kg；c是進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置的質(zhì)量流量，kg/h；e是流出儲(chǔ)氣裝置的質(zhì)量流量，kg/h。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：

式中，是空氣的內(nèi)能，J；ac是環(huán)境與儲(chǔ)氣裝置外壁面的傳熱系數(shù)，ac是儲(chǔ)氣裝置外表面面積，m3；0是環(huán)境溫度，K；c是儲(chǔ)氣裝置進(jìn)口空氣的比焓，J；e是儲(chǔ)氣裝置出口空氣的比焓，J。

為了簡(jiǎn)化上述方程，引入理想氣體狀態(tài)方程：

我們可以得到簡(jiǎn)化后儲(chǔ)氣裝置內(nèi)溫度和壓力隨時(shí)間的變化，決定了空氣在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)狀態(tài)：

式中，c是空氣的定壓熱容，kJ/(kg·K)；c是空氣定容比熱，kJ/(kg·K)；ac是儲(chǔ)氣裝置內(nèi)空氣的溫度，K；ac是儲(chǔ)氣裝置內(nèi)空氣的壓力，Pa；in是進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置空氣的溫度，K；ac是儲(chǔ)氣裝置的體積，m3；R=287 kJ/(kg·K)，是氣體常數(shù)。

一般地，儲(chǔ)氣裝置外表面與環(huán)境的傳熱系數(shù)ac不是定值，而是與儲(chǔ)氣裝置特性有關(guān)。

式中，0是環(huán)境壓力，0是傳熱系數(shù)，當(dāng)ac=0時(shí)質(zhì)量流量為0；表示壓力和對(duì)傳熱系數(shù)的影響，表示質(zhì)量流量對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

（1）對(duì)于地面儲(chǔ)氣裝置和人造儲(chǔ)氣裝置的研究還屬于理論階段，缺少實(shí)質(zhì)性的分析和研究，尤其對(duì)于各種不同工況下的儲(chǔ)氣裝置的研究；

（2）儲(chǔ)氣裝置的研究主要集中在利用理論分析與數(shù)值模擬方法對(duì)系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)敏感性分析，但現(xiàn)有的研究工作還不夠完善，仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究還很欠缺；

（3）對(duì)儲(chǔ)氣裝置的熱力學(xué)參數(shù)隨系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)模型的研究還很少，所以對(duì)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行進(jìn)一步的研究很有必要。

（4）儲(chǔ)氣裝置相關(guān)的設(shè)計(jì)以及其充放氣過程尚需完善，現(xiàn)有的CAES電站一般均采用恒容儲(chǔ)氣裝置，通過減壓閥進(jìn)行放氣操作控制排氣壓力，節(jié)流作用的影響導(dǎo)致其能量損失較大；

（5）系統(tǒng)在穩(wěn)定循環(huán)過程中，目前對(duì)于儲(chǔ)氣裝置內(nèi)工質(zhì)的溫度、壓比及其它因素隨時(shí)間變化的相關(guān)研究較少，缺少相關(guān)的技術(shù)支持；

（6）目前的大多數(shù)的研究?jī)H從CAES及儲(chǔ)氣裝置的熱力性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)方面進(jìn)行分析，缺少系統(tǒng)和儲(chǔ)氣裝置的經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)于后期的大規(guī)模應(yīng)用來說，經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在我國的發(fā)展尚處于理論研究階段，因此對(duì)于先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析需要加大力度。

5.2 展 望

目前，國內(nèi)外對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及其儲(chǔ)氣裝置更多的還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的運(yùn)行證明，這項(xiàng)技術(shù)的概念設(shè)計(jì)和合理規(guī)模是可以接受的。但是這兩個(gè)電站所采用的儲(chǔ)氣裝置都是利用地下儲(chǔ)氣裝置。德國Huntorf電站的儲(chǔ)氣裝置為兩個(gè)地下巖鹽層的空洞，洞室容積共約31,0000 m3，儲(chǔ)氣裝置最小運(yùn)行壓力為20 bar，通常情況下，儲(chǔ)氣裝置運(yùn)行壓力在42～72 bar。美國McIntosh電站儲(chǔ)氣裝置為53,8000 m3的地下鹽洞，儲(chǔ)氣裝置通常工作壓力為45～74 bar。對(duì)于地面儲(chǔ)氣裝置的應(yīng)用和發(fā)展研究目前尚處于理論研究階段。在此基礎(chǔ)上，未來在以下方面進(jìn)行深入探討。

（1）儲(chǔ)氣裝置作為整個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)占地面積和體積最大的設(shè)備之一，如何合理的設(shè)計(jì)和布置是需要我們重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

（2）地下儲(chǔ)氣裝置和地面儲(chǔ)氣裝置存在很多的異同點(diǎn)，因此如何通過借鑒現(xiàn)有的已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的地下儲(chǔ)氣裝置來研究地面儲(chǔ)氣裝置和人造儲(chǔ)氣裝置至關(guān)重要。目前還缺少相關(guān)的實(shí)質(zhì)性的分析和研究，尤其對(duì)于各種不同工況下的儲(chǔ)氣裝置的研究。

（3）目前對(duì)于地上和人造儲(chǔ)氣裝置的研究主要集中在利用理論分析與數(shù)值模擬方法對(duì)系統(tǒng)的熱力學(xué)進(jìn)行參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并且現(xiàn)有的研究工作還不夠完善，尤其是實(shí)際的仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究還很欠缺，實(shí)驗(yàn)用的小型儲(chǔ)氣裝置如何轉(zhuǎn)化成實(shí)際可以投入商業(yè)運(yùn)行的儲(chǔ)氣裝置還需要很多的工作。

（4）目前的研究?jī)H從CAES及儲(chǔ)氣室的熱力性能角度進(jìn)行分析，未考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，一旦投入商業(yè)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性將是人們第一位需要考慮的問題。因此如何在實(shí)際情況和實(shí)際建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性分析和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系方面進(jìn)行完善，尤其實(shí)際設(shè)備選型計(jì)算各系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性和投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性，是重要的研究分析之一。

儲(chǔ)氣裝置作為整個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要部件具有重要研究意義。如何更好的分析系統(tǒng)的性能，通過基于熱力學(xué)理論分析建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到能夠真正投入商業(yè)運(yùn)行的地上儲(chǔ)氣裝置是未來研究的重要方向。

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The development status and energy storage characteristic of gas storage device of compressed air energy storage system

LUO Ning, HE Qing, LIU Wenyi

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Compressed air energy storage system, as one of the most promising energy storage technologies, is developing rapidly. Gas storage room is one of the main components of compressed air energy storage system. Firstly, the development, application and research status of compressed air energy storage system are reviewed, and the characteristics of commercial energy storage power station and demonstration power station are put forward. Secondly, the development and application of the gas storage device are analyzed in detail, including the classification of gas storage devices, the technical characteristics and application status of different types of gas storage devices, and the energy storage characteristics of the gas storage devices are analyzed in detail. Finally, the technical problems and related parameters and evaluation indexes of the gas storage device are analyzed and arranged. The development direction and research emphasis of compressed air energy storage and its storage device were put forward.

compressed air energy storage; gas storage devices; energy storage property; assessment index

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0180

TK 02

A

2095-4239（2018）03-0489-06

2017-12-23；

2018-01-18。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0903601）。

羅寧（1994—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娬驹O(shè)備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，E-mail：15210793939@163.com。