壓縮空氣儲能空氣膨脹發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)

覃小文 魏小龍 袁曉旭 廖茹霞

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000；2.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

壓縮空氣儲能發(fā)電技術(shù)，是一種高密度、長壽命、高效率、布置靈活[1]的大規(guī)模物理儲能技術(shù)，國際上已有多個補(bǔ)燃型壓縮空氣儲能電站項目投運(yùn)，其中50 MW以上規(guī)模有兩個；國內(nèi)已研發(fā)出非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能技術(shù)，并有兩個中試研究裝置的運(yùn)行經(jīng)驗。

本文主要對空氣膨脹發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析。

1 壓縮空氣儲能基本原理

在用電低谷期間，利用電網(wǎng)的剩余電能驅(qū)動電動機(jī)，帶動壓縮機(jī)，壓縮空氣并儲存在洞穴或者其他封閉的容器內(nèi)，在高峰負(fù)荷時發(fā)電。氣體釋能時，推動膨脹機(jī)做功發(fā)電[2]。

按照熱源分類，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類[3]。圖1所示為這兩種壓縮空氣儲能的基本原理示意圖，它們的工作原理雖然各有差異，但都包含電動機(jī)、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)和換熱器。

目前，用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣膨脹發(fā)電機(jī)組，根據(jù)功率等級的不同，機(jī)組結(jié)構(gòu)型式也略有區(qū)別。隨著壓縮空氣儲能系統(tǒng)技術(shù)的成熟，對大功率空氣膨脹發(fā)電機(jī)組的需求越來越迫切，不同功率等級對應(yīng)的膨脹發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)見表1。

2 壓縮空氣儲能的優(yōu)缺點(diǎn)

壓縮空氣儲能的優(yōu)點(diǎn)為：不受地理條件限制；無資源約束，工作介質(zhì)為空氣；環(huán)境友好；可冷-熱-電三聯(lián)供，綜合效率高。

壓縮空氣儲能的缺點(diǎn)為：儲能密度低；需要巨大的儲氣室，選用地下洞穴儲氣，選址困難。

(a)補(bǔ)燃式

(b)非補(bǔ)燃式

目前國內(nèi)的空氣膨脹發(fā)電機(jī)組電站基本都建在江蘇金壇、安徽蕪湖、貴州畢節(jié)等地下鹽穴資源豐富的地區(qū)，或者存在大量棄風(fēng)電及棄光電能源浪費(fèi)較大的西北地區(qū)。采用地下鹽穴儲氣的方式具有幾大優(yōu)勢：技術(shù)成熟、儲氣容量大、系統(tǒng)造價低、抗交變能力強(qiáng)、防滲性好(具有自修復(fù)功能)、不占地(對生態(tài)環(huán)境友好)?？紤]到建設(shè)、安裝周期短的要求，在滿足機(jī)組運(yùn)行可靠、檢修方便的前提下，結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)盡可能小，并能整體發(fā)貨，減少現(xiàn)場工作人員的安裝量。

表1 不同功率等級對應(yīng)的膨脹發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)

3 空氣膨脹發(fā)電機(jī)組對膨脹機(jī)的特殊要求

由于壓縮空氣儲能利用和收集峰谷棄電(或化石燃料等)作為能源，需要快速啟動和快速升負(fù)荷的特點(diǎn)，膨脹發(fā)電機(jī)應(yīng)能做到如下幾點(diǎn)：

(1)快速啟動：啟動時間分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)(極熱態(tài))，都要求在極短時間內(nèi)完成(一般不超過20 min)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)火電機(jī)組或光熱汽輪機(jī)組啟動時間要求。

(2)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)：要求機(jī)組在30%～100%的寬負(fù)荷范圍內(nèi)都能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)頻繁啟停：在壽命周期內(nèi)，每天都能啟停。

(4)高效率、穩(wěn)定性好：循環(huán)效率是衡量系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化效率的重要指標(biāo)，要求空氣膨脹發(fā)電機(jī)組效率高、穩(wěn)定性好[4]。

4 空氣膨脹發(fā)電機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)

針對空氣膨脹發(fā)電系統(tǒng)及建造安裝對空氣膨脹機(jī)的特殊要求，本文從熱力系統(tǒng)、本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等方面進(jìn)行分析。

4.1 熱力系統(tǒng)采用的循環(huán)形式

以環(huán)境空氣為工作介質(zhì)，利用晚上用電低谷的電驅(qū)動壓縮機(jī)，壓縮升溫升壓后的氣體，經(jīng)過換熱器冷卻，帶有壓力的空氣儲存在地下鹽穴或儲氣罐中，換熱后的高溫氣體可儲存在導(dǎo)熱油或水中(主要視溫度確定)，在用電高峰時，將帶有壓力和溫度的氣體再次經(jīng)過換熱器換熱，達(dá)到滿足參數(shù)要求后的氣體進(jìn)入膨脹機(jī)做功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，整個循環(huán)系統(tǒng)為開式循環(huán)，做功后的空氣通過管道直接排向大氣。

提高主氣參數(shù)是提高循環(huán)效率的直接途徑之一。在壓力提高的同時采用再熱循環(huán)，可以顯著提高機(jī)組的整個循環(huán)效率，同時，合理地選取再熱壓力，提高分缸壓力，可以讓效率更高的氣缸多做功，從而進(jìn)一步提高循環(huán)效率。

4.2 本體結(jié)構(gòu)

4.2.1 5 MW等級空氣膨脹發(fā)電機(jī)組

采用高低壓合缸一次再熱技術(shù)，葉片均設(shè)計成反動式高轉(zhuǎn)速，保證各級的速比在最佳范圍，提高輪周效率，膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)之間布置齒輪箱，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇常規(guī)3000 rmin，見圖2。

4.2.2 10 MW～100 MW等級空氣膨脹發(fā)電機(jī)組

對于10 MW～100 MW等級機(jī)組主氣流量顯著增加，相對葉高增加，端部二次流損失顯著降低，采用3000 rmin設(shè)計方案能保證高效運(yùn)行，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和成本，我公司10 MW及以上等級空氣膨脹機(jī)采用3000 rmin(或3600 rmin)單轉(zhuǎn)速設(shè)計，不采用齒輪箱結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖2 5 MW空氣膨脹發(fā)電機(jī)組布置示意圖

圖3 10 MW～100 MW空氣膨脹發(fā)電機(jī)組布置示意圖

根據(jù)不同功率，空氣膨脹機(jī)可以選擇側(cè)向排氣、下排氣或者軸向排氣的方式，所以發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)的相對位置可調(diào)。

4.2.3 100 MW等級以上空氣膨脹發(fā)電機(jī)組

100 MW等級以上的空氣膨脹發(fā)電機(jī)組考慮采用分缸布置，見圖4，主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)分開布置，可以改變通流部分介質(zhì)流向，平衡軸向推力。

(2)考慮到轉(zhuǎn)子的自重，軸系不能做得太長，否則轉(zhuǎn)子靜止時將因自重過大引起彎曲變形。

(3)空氣在高壓缸做功完后，體積急劇膨脹，如果采用合缸，為了保證通流面積，低壓末級葉片將會很長。

圖4 100 MW等級以上空氣膨脹發(fā)電機(jī)組布置示意圖

4.3 運(yùn)行方式

根據(jù)儲氣量的大小，機(jī)組可采用滑參數(shù)或者定參數(shù)運(yùn)行：

(1)機(jī)組運(yùn)行消耗的氣量相對于整個儲氣庫來說(如大型地下鹽穴)，空氣的壓力隨著運(yùn)行的消耗基本能保持不變的情況，可以采用定參數(shù)運(yùn)行，這樣能在有限時間內(nèi)盡可能多做功。

(2)機(jī)組運(yùn)行消耗的氣量相對于整個儲氣庫來說(如小型儲氣罐)，空氣的壓力隨著運(yùn)行時間不斷降低的情況，建議采用滑參數(shù)運(yùn)行，在低負(fù)荷運(yùn)行的時候，適當(dāng)?shù)慕档瓦M(jìn)氣參數(shù)，在安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時，盡可能的保證效率。

5 結(jié)語

壓縮空氣膨脹發(fā)電作為一種新的清潔能源技術(shù)，在解決電網(wǎng)容量過剩，削峰填谷方面，對未來電力系統(tǒng)和能源網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將起到重要的支撐作用[2]?？諝馀蛎洶l(fā)電機(jī)組作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，其穩(wěn)定性、靈活性以及循環(huán)效率是影響電站運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的幾個重要因素。目前國內(nèi)壓縮空氣儲能技術(shù)尚處于摸索階段，僅有一些示范的實(shí)驗項目運(yùn)行，還沒有商業(yè)化投運(yùn)的項目，亟待技術(shù)不斷地創(chuàng)新、尋求突破，可以預(yù)測，在不久的將來，隨著壓縮空氣儲能技術(shù)的愈發(fā)成熟，機(jī)組的參數(shù)、容量都會不斷地提高，這將對膨脹發(fā)電機(jī)組(尤其是膨脹機(jī))的設(shè)計和制造水平提出更大的挑戰(zhàn)。