壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及其耦合發(fā)電機(jī)組研究進(jìn)展

魏書(shū)洲，李兵發(fā)，孫晨陽(yáng)，周興，王亞龍，鄒一帆，鄧靖敏，王金星

（1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北廊坊 065201；2.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心，河北廊坊 065201；3.河北師范大學(xué)中燃工學(xué)院，石家莊 050024；4.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

綠色、低碳、清潔、高效的能源體系是世界能源發(fā)展理念和主要方向［1-2］。高比例間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)更是大勢(shì)所趨。然而，新能源的隨機(jī)性與波動(dòng)性限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。儲(chǔ)能由于其“削峰填谷”的特點(diǎn)，可以平衡新能源的隨機(jī)性與波動(dòng)性，具有很大的發(fā)展前景。2017 年10 月，國(guó)家發(fā)展改革委等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出：“儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)”［3-4］。

壓縮空氣儲(chǔ)能是一種在電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)利用電能壓縮空氣，在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)將壓縮空氣從高壓儲(chǔ)氣罐中釋放出來(lái)，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)行發(fā)電的儲(chǔ)能方式［5-6］。壓縮空氣的充放電循環(huán)只與空氣壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)械性能有關(guān)，具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［7］。除此之外，由于壓縮空氣儲(chǔ)能所用的原料是空氣，不存在燃燒和爆炸的危險(xiǎn)［8］。目前，董振斌等［9］將壓縮空氣儲(chǔ)能與燃機(jī)技術(shù)進(jìn)行了耦合應(yīng)用，研究表明，增設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能可以緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力，提高可再生能源的入網(wǎng)比例。

本文首先介紹了壓縮空氣儲(chǔ)能的工作形式以及其耦合發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用現(xiàn)狀［10］。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)“削峰填谷”的特點(diǎn)使其與新能源耦合后極大降低電網(wǎng)波動(dòng)、提高新能源利用率，對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能與可再生能源、內(nèi)燃機(jī)等能源的耦合形式進(jìn)行分析。最后，對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能在電廠中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行探討，以期為其進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能的工作形式

壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種儲(chǔ)能技術(shù)［11］。大功率燃?xì)廨啓C(jī)通常需要連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行以提高能源利用效率，約60%的功率需用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，因此壓縮空氣儲(chǔ)能可以作為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的“加力裝置”。根據(jù)壓縮過(guò)程是否絕熱可分為非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)工作原理可知，提高高壓空氣溫度有利于提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量和效率，因此根據(jù)儲(chǔ)能過(guò)程是否存在熱源或儲(chǔ)能裝置又可分為無(wú)熱源、有熱源和帶儲(chǔ)能裝置3種，見(jiàn)表1［12］。

表1 壓縮空氣儲(chǔ)能的工作形式Tab. 1 Operation forms of CAES

非絕熱壓縮技術(shù)通常采用多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻的壓縮方式獲得高壓空氣。在排氣過(guò)程中利用熱源對(duì)高壓空氣進(jìn)行加熱，以提高儲(chǔ)能效率。絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是指空氣壓縮接近絕熱過(guò)程。空氣絕熱壓縮會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱，如在理想狀態(tài)下將空氣壓縮至10 MPa 能夠產(chǎn)生650 ℃的高溫［13］。因此，絕熱壓縮空氣壓縮儲(chǔ)能通常無(wú)需外熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱就可實(shí)現(xiàn)壓縮熱的利用。

1.1 無(wú)熱源的非絕熱空氣壓縮儲(chǔ)能

無(wú)熱源非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不采用外來(lái)熱源和絕熱裝置。在進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓氣機(jī)將空氣壓縮并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣裝置中。發(fā)電時(shí)，被儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中的高壓空氣釋放驅(qū)動(dòng)透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電［14］，如圖1 所示。由于沒(méi)有外來(lái)熱源釋放能量時(shí)預(yù)熱，儲(chǔ)氣裝置溫度一般處于650 ℃以下，儲(chǔ)能效率一般不超過(guò)60%。

圖1 非絕熱無(wú)熱源的壓縮空氣儲(chǔ)能Fig.1 Diabatic CAES without heat source

1.2 有熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能

德國(guó)Huntorf 電站壓縮空氣儲(chǔ)能原理如圖2 所示。德國(guó)Huntorf 電站是世界上最大容量的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。機(jī)組的壓縮機(jī)功率為60 MW，釋能輸出功率為290 MW。機(jī)組可連續(xù)充氣8 h，連續(xù)發(fā)電2 h。在儲(chǔ)能過(guò)程中空氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻獲得低溫高壓（約10 MPa）空氣，并儲(chǔ)存在地下容積達(dá)3.1×105m3的廢棄礦洞中。在釋能過(guò)程中，低溫高壓空氣通過(guò)燃燒室的2 次補(bǔ)燃，獲得高溫氣體。該電站在1979 年至1991 年間共啟動(dòng)并網(wǎng)5 000 多次，平均啟動(dòng)可靠性97.6%，實(shí)際運(yùn)行效率約為42%。

圖2 燃料燃燒非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（不帶回?zé)幔〧ig.2 Diabatic CAES for fuel combustion（without heat recovery system）

美國(guó)McIntosh 壓縮空氣儲(chǔ)能電站是世界上第2個(gè)（1991 年）投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。其儲(chǔ)能壓縮機(jī)組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW。儲(chǔ)氣洞穴在地下450 m，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲(chǔ)氣壓力為7.5 MPa，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)41 h壓縮空氣和26 h 發(fā)電，機(jī)組從啟動(dòng)到滿(mǎn)負(fù)荷約9 min。該電站在德國(guó)Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上增加一個(gè)余熱轉(zhuǎn)換器，余熱轉(zhuǎn)換器收集空氣壓縮熱和燃?xì)廨啓C(jī)排氣廢熱來(lái)預(yù)熱進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮空氣，從而可以提高系統(tǒng)的熱效率［15］。由于增加了回?zé)峤Y(jié)構(gòu)，實(shí)際運(yùn)行效率約為54%，McIntosh 電站的單位發(fā)電燃料消耗較Huntorf電站節(jié)省了約25%［16］，原理如圖3所示。

圖3 燃燒燃料的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（帶回?zé)幔〧ig.3 Diabatic CAES for fuel combustion（with heat recovery system）

1.3 有儲(chǔ)熱的空氣絕熱壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)

與非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能相比較，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能綜合儲(chǔ)能效率最高可達(dá)70%［17］，這是因?yàn)榻^熱壓縮系統(tǒng)充分利用可壓縮過(guò)程中的壓縮熱。帶儲(chǔ)熱的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理如圖4所示。

圖4 帶儲(chǔ)熱裝置的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能裝置Fig.4 Adiabatic CAES with heatstorage devices

由于空氣壓縮過(guò)程采用絕熱壓縮，壓氣機(jī)出口溫度達(dá)650 ℃。換熱、儲(chǔ)熱裝置將壓縮熱存儲(chǔ)起來(lái)，在其后釋能過(guò)程中釋放出來(lái)，用以加熱壓縮空氣。帶熱源的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然省去了燃燒室，但增加了儲(chǔ)熱裝置，因此系統(tǒng)增加了對(duì)壓氣機(jī)耐熱材料要求，同時(shí)帶來(lái)管道和閥門(mén)數(shù)量增加。此外，高壓空氣的溫度較高，導(dǎo)致儲(chǔ)氣裝置體積過(guò)大。

2 壓縮空氣儲(chǔ)能與多種能源的耦合

壓縮空氣儲(chǔ)能本身是一種能量?jī)?chǔ)存技術(shù)，其儲(chǔ)存能量的來(lái)源有多種形式，同時(shí)釋放的能源也有多種用途。本文將分別從壓縮空氣儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及可再生能源系統(tǒng)等多能源耦合形式進(jìn)行論述。

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)耦合

張新敬等［18］提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，其工作原理如圖5 所示。利用低谷的盈余電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)獲得高壓空氣并儲(chǔ)存在地下洞穴或地上高壓容器中。在用電高峰時(shí)利用儲(chǔ)存的壓縮空氣與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合做功進(jìn)行發(fā)電補(bǔ)充電網(wǎng)用電，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。如圖5a 所示，當(dāng)存儲(chǔ)的空氣壓力較低（1～2 MPa）時(shí)，壓縮空氣直接噴入燃燒室或者同燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣混合后噴入到燃燒室。如圖5b 所示，如果存儲(chǔ)的空氣壓力較高（5～10 MPa），為了實(shí)現(xiàn)其能量的梯級(jí)利用，在壓縮空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室之前，先與燃?xì)廨啓C(jī)廢氣換熱，進(jìn)一步提高其溫度。然后，進(jìn)入高壓渦輪膨脹做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。最后再同燃?xì)廨啓C(jī)壓縮空氣混合一起進(jìn)入燃燒室。Nakhamkin M 等［19］對(duì)GE 7FA 燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的壓縮空氣儲(chǔ)能-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，在壓縮空氣流量為52.62，26.31 kg/s（混合13.61 kg/s 的水蒸氣）時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電熱消耗率分別下降約59.0%和36.5%。

對(duì)于圖5b 的系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)功率為100 MW，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)依靠吸收燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱可以恢復(fù)70%以上的能量，如果耗電峰谷電價(jià)的比大于2.0，該系統(tǒng)將具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 低壓空氣與高壓空氣儲(chǔ)能裝置原理Fig.5 Energy storage principles with low-pressure air and high-pressure air

2.2 壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合

壓縮空氣儲(chǔ)能還可應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)及以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力來(lái)源的分布式能源系統(tǒng)中［20］。由于單獨(dú)的壓縮空氣儲(chǔ)能汽車(chē)的能量密度較低、續(xù)航里程有限，有關(guān)學(xué)者提出了壓縮空氣儲(chǔ)能-內(nèi)燃機(jī)耦合的汽車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)［21］。在額定工況下，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以從內(nèi)燃機(jī)排氣和冷卻水中吸收26%和20%的能量，從而降低內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗率。Ibrahim H等［22］對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能-柴油機(jī)耦合進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)，混合系統(tǒng)的油耗相比于單獨(dú)柴油機(jī)供電可節(jié)約27%。

如圖6 所示，該系統(tǒng)中高壓儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣經(jīng)過(guò)降壓閥調(diào)整壓力進(jìn)入尾氣換熱器與汽車(chē)尾氣進(jìn)行換熱（內(nèi)燃機(jī)余熱），形成具有溫度和壓力合適的氣體，通過(guò)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生軸功。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與原有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作為汽車(chē)提供混合動(dòng)力，該系統(tǒng)的工作原理與圖6 類(lèi)似，但主要用于分布式供能和小型電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)。

圖6 壓縮空氣-內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)Fig.6 Compressed air-internal combustion engine hybrid power system

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能-可再生能源系統(tǒng)耦合

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將間歇式風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源“拼接”并穩(wěn)定地輸出，為可再生能源大規(guī)模利用提供有效的解決方案［15］。圖7展示了壓縮空氣儲(chǔ)能-風(fēng)能耦合系統(tǒng)的示意。Lerch 等［23］對(duì)壓縮空氣-可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用壓縮空氣儲(chǔ)能-風(fēng)能耦合的系統(tǒng)可將風(fēng)電在電網(wǎng)中供電的比例提高至80%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)40%的上限。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有以下2種耦合方案［24］。

圖7 壓縮空氣儲(chǔ)能-風(fēng)能耦合系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic structure of CAES-wind energy system

（1）電力銷(xiāo)售側(cè)耦合。該方案可以根據(jù)電能的消耗需求來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)/釋能，存儲(chǔ)低谷低價(jià)電在高峰高價(jià)時(shí)段出售，從而產(chǎn)生優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）風(fēng)電廠側(cè)耦合。該方案可以根據(jù)風(fēng)電廠的發(fā)電功率調(diào)節(jié)儲(chǔ)/釋能，并根據(jù)風(fēng)電廠的容量因子調(diào)整輸電線路的載荷，而不必根據(jù)最大發(fā)電功率配置輸電線路從而大幅提高輸電線路的有效載荷。

但方案（2）根據(jù)發(fā)電功率調(diào)節(jié)儲(chǔ)/釋能，而不是根據(jù)電力市場(chǎng)的需求調(diào)節(jié)，因此比方案（1）的經(jīng)濟(jì)性差。

耦合太陽(yáng)能的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖8 所示，利用太陽(yáng)集熱裝置將透平進(jìn)口溫度提升至500℃以上，從而大大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行效率，同時(shí)也提供了一種利用可再生能源太陽(yáng)能的思路。

圖8 外部熱源耦合額壓縮空氣儲(chǔ)能Fig.8 CAES coupled with external heat sources

3 壓縮空氣儲(chǔ)能在電廠中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能

絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能在電廠中發(fā)揮了重要作用，其工作原理如圖9 所示。例如，德國(guó)的萊恩公司建設(shè)設(shè)計(jì)容量為90 WM×4 h，大大地提高了換熱效率。清華大學(xué)利用非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了帶載發(fā)電，成為世界上首套實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電循環(huán)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)［25］。

圖9 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.9 Adiabatic CAES system

因?yàn)榻^熱壓縮空氣儲(chǔ)能不需要化石燃料的燃燒，因此不僅有利于減少CO2的排放，還有利于可再生能源與電網(wǎng)的整合［26-31］。然而絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能需要熱回收裝置，增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本［32］。

3.2 蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能

蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能在與電廠的耦合原理如圖10 所示。目前的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)大多與可再生能源耦合，可利用儲(chǔ)熱裝置存儲(chǔ)太陽(yáng)能，利用壓縮空氣儲(chǔ)存風(fēng)電，提高可再生能源的利用率及壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率。

圖10 蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能Fig.10 CAES with heat storage system

3.3 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能原理如圖11 所示。等溫壓縮空氣系統(tǒng)用一定的控溫方法，實(shí)現(xiàn)等溫壓縮過(guò)程。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能過(guò)程無(wú)燃燒室和儲(chǔ)熱裝置［33］，其效率可高達(dá)80%。但部分空氣溶解于水會(huì)導(dǎo)致部分能量損失。

圖11 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能Fig.11 Isothermal CAES

3.4 液態(tài)空氣儲(chǔ)能

液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能原理如圖12 所示。其典型代表為英國(guó)倫敦深冷壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程，設(shè)計(jì)容量為600 kW×7 h，設(shè)計(jì)效率為70%。但由于低溫系統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題，該工程實(shí)際發(fā)電量?jī)H為350 kW，加之小型低溫系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損失較大，系統(tǒng)實(shí)際效率僅約為8%［34］。

圖12 液態(tài)空氣儲(chǔ)能Fig.12 Liquid air energy storage

3.5 超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能

圖13 展示了以中科院工程熱物理所在廊坊完成1.5 MW（壓縮0.3 MW×15 h，發(fā)電1.5 MW×1.5 h）超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能示范裝置原理示意圖，它以超臨界壓縮空氣為介質(zhì)，在系統(tǒng)不使用化石燃料的情況下，依然可以獲得較高的循環(huán)效率，循環(huán)效率可以達(dá)到67.41%［35］。

圖13 超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能Fig.13 Supercritical CAES

因此，系統(tǒng)擺脫了對(duì)化石燃料的依賴(lài)，減少了過(guò)程中CO2的排放。系統(tǒng)的蓄冷容量為10 GJ，裝置容積為60 m3，溫度低至-196 ℃，裝置承壓達(dá)到0.7 MPa，由此帶來(lái)造價(jià)較高，且制造難度大等困難［36］。

壓縮空氣儲(chǔ)能的分類(lèi)、規(guī)模、優(yōu)點(diǎn)及不足見(jiàn)表2，據(jù)此可知壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

表2 壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)比較Tab.2 Comparison of different CAES and power generation technologies

4 結(jié)論

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在高比例間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的背景下具有前瞻性的戰(zhàn)略意義。有儲(chǔ)熱的空氣絕熱壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅綜合儲(chǔ)能效率高達(dá)70%，而且無(wú)需熱源供熱。相比有熱源的非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、有儲(chǔ)熱的空氣絕熱壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)，該技術(shù)路線無(wú)需燃燒燃料供熱，因此更加容易實(shí)現(xiàn)CO2減排。

在“雙碳”目標(biāo)和可再生能源使用比例逐步提高的背景下，帶有儲(chǔ)熱的絕熱空氣壓縮儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源耦合系統(tǒng)更具發(fā)展前景。期望本研究能夠?yàn)閴嚎s空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用提供借鑒價(jià)值。