壓縮空氣儲能技術及工程發(fā)展概述

摘 要：針對壓縮空氣儲能技術的飛速發(fā)展和不斷更新，該文詳細介紹壓縮空氣儲能技術的發(fā)展歷程和各階段的工程實例，給出各個路線的工藝系統(tǒng)，指明技術特點。蓄熱式壓縮空氣儲能技術具備大容量長時儲能的屬性，是我國大力發(fā)展的主流技術，目前正朝著300 MW容量等級方向發(fā)展，在建和擬建多個商業(yè)工程。隨著關鍵組件制造能力的提升、設備和工質(zhì)投資的減少，壓縮空氣儲能必將朝著更大容量和更高參數(shù)的方向發(fā)展，并且會與更多系統(tǒng)耦合，具備更多的應用場景。

關鍵詞：壓縮空氣儲能；大容量；壓縮機；空氣透平；電轉(zhuǎn)化效率；綜合能源效率

中圖分類號：TK02 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0181-04

Abstract： Aiming at the rapid development and continuous updating of compressed air energy storage technology， this paper introduces in detail the development history of compressed air energy storage technology and engineering examples in each stage， gives the process system of each route， and points out the technical characteristics. The regenerative compressed air energy storage technology has the property of large capacity and long-term energy storage， which is the mainstream technology in our country. At present， it is developing in the direction of 300 MW capacity grade， and many commercial projects are under construction and planned. With the improvement of the manufacturing capacity of key components and the reduction of investment in equipment and refrigerants， compressed air energy storage will develop in the direction of larger capacity and higher parameters， and will be coupled with more systems and have more application scenarios.

Keywords： compressed air energy storage; large capacity; compressor; air turbine; electric conversion efficiency; comprehensive energy efficiency

在全球氣候變暖的大背景下，我國提出了“雙碳”戰(zhàn)略：力爭在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”、在2060年前實現(xiàn)“碳中和”。減少化石能源消耗是減少碳排放的重要手段，為此我國大力發(fā)展可再生能源技術[1]。其中，風電和太陽能光伏發(fā)電發(fā)展最為迅猛，年增量和總裝機容量均居世界第一。截至2023年底，我國的風電、太陽能光伏發(fā)電裝機容量均突破3億kW；火電占比降至52%，徹底扭轉(zhuǎn)了“一煤獨大”的能源格局。預計到2030年，我國的“風光”可再生能源裝機容量將突破16億kW，占比超半壁江山。然而，可再生能源生產(chǎn)的“綠電”具有極大的隨機性和不穩(wěn)定性，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重的沖擊[2]。

儲能是解決上述問題的關鍵技術手段，近年來發(fā)展態(tài)勢極為迅猛。在眾多的儲能技術中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術具備大容量長時儲能的特征和潛力，可規(guī)?；{新能源電力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。其中，抽水蓄能是儲能領域的中堅力量，其裝機量占儲能裝機總量的95%以上。然而，抽水蓄能需建立高低位2個水庫，投資大且選址受限，不能滿足目前儲能市場的需求[3]。壓縮空氣儲能具有儲能容量大、釋能時間長、啟動速度快、運行效率高等諸多優(yōu)點，是除抽水蓄能外唯一能滿足大容量長時儲能的儲能技術，可豐富儲能系統(tǒng)的構成，緩解儲能裝機的不足[4]。

最初的壓縮空氣儲能采用補燃技術，透平做功環(huán)節(jié)需消耗天然氣，產(chǎn)生污染物及二氧化碳[5]。隨著碳減排理念的深入，非補燃式壓縮空氣儲能技術飛速發(fā)展，我國建立了多個非補燃式壓縮空氣儲能示范工程，其中江蘇金壇60 MW級壓縮空氣儲能電站是目前世界最大的非補燃式壓縮空氣儲能商運工程，創(chuàng)造了很多的業(yè)界奇跡。目前，非補燃式壓縮空氣儲能正朝著更大的容量方向發(fā)展，在建及擬建多個300 MW級工程。大容量壓縮空氣儲能在工藝流程、控制策略、調(diào)節(jié)方案和系統(tǒng)效率方面與現(xiàn)有規(guī)模的儲能電站相差很多。因此，需要一篇綜述文章歸納總結(jié)各階段壓縮空氣儲能的技術特點和壓縮空氣儲能工程的發(fā)展歷程，為壓縮空氣的后續(xù)發(fā)展指明方向。

1 補燃式壓縮空氣儲能技術及工程

補燃式壓縮空氣儲能釋能環(huán)節(jié)的工作過程與燃氣輪機相似：壓縮環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高壓空氣進入到燃燒室供天然氣燃燒，生成的高溫煙氣進入透平做功。工藝流程如圖1所示。

1978年商投的德國Huntorf電站是最早的補燃式壓縮空氣儲能電站，至今仍在運行。其壓縮機兩級串聯(lián)布置，注氣時功耗60 MW，時長為8 h。壓縮空氣儲存在地下600 m深處的天然洞室內(nèi)，最高存儲壓力為10 MPa。其廠址及機組照片如圖2所示。

美國的McIntosh補燃式壓縮空氣儲能電站于1991年投入商運。壓縮機組功耗50 MW；儲氣洞穴位于地下450 m深處，額定壓力為7.5 MPa；燃氣透平發(fā)電功率為110 MW。其廠址及機組照片如圖3所示。

2 傳統(tǒng)非補燃式壓縮空氣儲能技術及工程

補燃式壓縮空氣儲能具有系統(tǒng)簡單、功率較大的優(yōu)點。谷電時壓縮機運行儲能，峰電時燃氣透平并網(wǎng)發(fā)電，利用峰谷電價差為企業(yè)帶來了豐厚的利潤。但是補燃式壓縮空氣儲能釋能時需消耗天然氣，產(chǎn)生污染物和二氧化碳，故不是當今壓縮空氣儲能技術的首選方案。以我國為主導的非補燃式壓縮空氣儲能技術是目前壓縮空氣儲能的發(fā)展方向和潮流，主要技術包括蓄熱式壓縮空氣儲能技術、等溫壓縮空氣儲能技術、液態(tài)空氣儲能技術等。

蓄熱式壓縮空氣儲能是技術最為成熟、最具大容量長時發(fā)展?jié)撡|(zhì)的壓縮空氣儲能技術，是目前壓縮空氣儲能領域的主流技術，其技術路線如圖4所示。與傳統(tǒng)的補燃式壓縮空氣儲能技術相比，蓄熱式壓縮空氣儲能技術增加了儲換熱環(huán)節(jié)和相應系統(tǒng)。儲能時，壓縮機產(chǎn)生的壓縮熱由壓縮側(cè)的換熱器回收。換熱工質(zhì)根據(jù)壓縮參數(shù)的高低可為導熱油、熔鹽、高壓水或熔鹽加高壓水。儲能環(huán)節(jié)產(chǎn)生的壓縮熱隨工質(zhì)儲存于高溫儲罐中，壓縮空氣儲存于儲氣室內(nèi)，實現(xiàn)了壓縮熱能和壓力勢能的解耦存儲。釋能時，儲氣室內(nèi)的壓縮空氣進入透平前先經(jīng)過透平側(cè)換熱器加熱，該熱量取自壓縮過程儲存的壓縮熱，進而實現(xiàn)壓縮熱能和壓力勢能的耦合發(fā)電。

我國的蓄熱式壓縮空氣儲能技術處于世界領先水平，蓄熱式壓縮空氣儲能工程的容量經(jīng)歷了由小到大的發(fā)展歷程。2014年清華大學等單位在安徽蕪湖建成了世界首臺500 kW蓄熱式壓縮空氣儲能示范工程，通過高效回熱技術儲存壓縮熱并用其提高透平入口溫度以提高效率（可達40%），實現(xiàn)了全過程燃料的零消耗以及污染物和二氧化碳的零排放。系統(tǒng)參數(shù)見表1。

中科院工程熱物理所于2013年在河北廊坊建成了1.5 MW級非補燃式壓縮空氣儲能示范工程。該項目順利完成了168 h運行試驗，各項指標均達到或超過預期水平。中鹽江蘇金壇60 MW級非補燃式壓縮空氣儲能電站于2021年9月30日成功并網(wǎng)，是目前世界最大的非補燃式壓縮空氣儲能電站，被譽為當時儲能技術“前沿的前沿”。其工藝系統(tǒng)如圖5所示。

壓縮系統(tǒng)由3級壓縮機串聯(lián)組成，末級壓縮機出口壓力11～12 MPa。壓縮機為沈陽鼓風機廠生產(chǎn)，結(jié)構為齒輪組裝式。前兩級壓縮機采用高壓比設計，出口空氣溫度約350 ℃，壓縮熱經(jīng)導熱油回收供空氣透平入口空氣加熱用；末級壓縮機采用低壓比設計，保證壓縮機組出口壓力始終處于鹽穴工作壓力范圍之間，但由于出口溫度較低，故壓縮熱難以回收，由開式水帶走。壓縮機組工作時定頻運行，隨著儲氣室壓力的升高，首級壓縮機入口導葉負向旋轉(zhuǎn)改變壓縮機運行工況點，保證總壓比增加的同時流量不變。壓縮機組每次運行時長8 h，充分利用谷電時段；年啟停超300次。其現(xiàn)場照片如圖6（a）所示。

末級壓縮機出口的高壓空氣經(jīng)開式水冷卻后存儲于地下鹽穴，鹽穴容積22.4萬m3。壓縮機級間換熱器采用發(fā)卡式結(jié)構，可實現(xiàn)全程逆流換熱，有效降低了換熱面積，如圖6（b）所示。換熱介質(zhì)為導熱油，熱端溫度可達330 ℃，保證壓縮熱的高品位回收。但導熱油價格昂貴，大幅增加了儲換熱系統(tǒng)的初投資。面對更大容量的儲能系統(tǒng)，其儲換熱介質(zhì)的選擇應經(jīng)過系統(tǒng)對比和全面評估。

膨脹系統(tǒng)由2級空氣透平串聯(lián)組成，將高壓空氣的壓力勢能轉(zhuǎn)化為電能，每次工作5 h，基本覆蓋了用電高峰時段?？諝馔钙接蓶|方汽輪機廠生產(chǎn)，其現(xiàn)場照片如圖6（c）所示。為了提高儲氣室的儲能密度，并保證儲氣室的結(jié)構安全，儲氣室內(nèi)的空氣溫度不能太高，通常為30～40 ℃。該溫度的空氣做功能力較低，故進入透平前需加熱，正好可利用回收的壓縮熱。加熱后空氣透平入口溫度可達320 ℃，空氣的做功能力大幅提高。

3 新興的大容量長時壓縮空氣儲能技術及工程

隨著新能源電力的高速發(fā)展，以及能源戰(zhàn)略的綠色低碳理念，儲能容量會顯得越發(fā)不足，因而發(fā)展大容量長時壓縮空氣儲能技術及工程是當務之急。目前，蓄熱式壓縮空氣儲能的容量發(fā)展到了300 MW等級。我國在該領域處于技術及工程領先地位，在建和擬建多個工程。大容量壓縮空氣儲能并不是小容量的簡單疊加，眾多核心設備需重新設計，需突破許多技術壁壘。

壓縮機是壓縮空氣儲能工程的核心設備之一，為了保證谷電時段的大規(guī)模儲能，并減少壓縮機的列數(shù)，需要大容量壓縮機。如采用單列布置，將給壓縮機的制造帶來極大的困難，雖技術可行但無工程應用，故目前的300 MW等級壓縮機均采用雙列布置方案。大容量空氣透平的制造技術比較成熟，可以實現(xiàn)單列布置。隨著儲氣室壓力的降低，為了維持額定輸出，空氣透平需通過配氣機構調(diào)節(jié)進氣量，實現(xiàn)儲氣室壓力變化范圍內(nèi)的額定輸出。此外，空氣透平還應能響應電網(wǎng)的負荷需求，具有部分超發(fā)和低負荷輸出的能力。傳統(tǒng)的儲能透平（燃氣輪機）通過儲氣室出口節(jié)流閥調(diào)節(jié)進氣量：隨著儲氣室壓力的降低，節(jié)流閥逐漸開大維持透平額定入口壓力和額定進氣量。但是該調(diào)節(jié)方式始終存在節(jié)流損失，效率較低。為了減少節(jié)流損失，滑壓運行方式應運而生。透平入口無節(jié)流閥，無節(jié)流損失，進氣量隨儲氣室壓力變化。但滑壓運行方式下透平時刻處于非設計工況運行，會帶來汽輪機內(nèi)效率的降低，因而為了提高滑壓效率，汽輪機的設計工況點需經(jīng)過系統(tǒng)評估后確定。大容量天然儲氣室是大容量壓縮空氣儲能工程興建的必備條件。小容量壓縮空氣儲能的儲氣室可采用人工儲罐，其投資尚在可接受范圍內(nèi)，而300 MW級壓縮空氣儲能工程的儲氣室需幾十萬立方米，采用人工儲罐的高昂成本使得該方案不具備經(jīng)濟可行性。

300 MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)有2種技術路線——中溫方案和高溫方案。中溫路線的壓縮系統(tǒng)和透平系統(tǒng)如圖7所示。壓縮機雙列布置，為了實現(xiàn)儲氣壓力，每列壓縮機由4級串聯(lián)組成，這樣每級壓縮機的出口溫度只有約200 ℃，可采用高壓水冷卻，儲換熱系統(tǒng)的投資大幅降低。高壓水的壓力為約1.0 MPa，吸收壓縮熱后溫度升高存于儲熱罐內(nèi)，供透平工作時使用。通常，高壓水加熱后的溫度比壓縮機出口溫度低約10 ℃，這樣壓縮熱的品質(zhì)不會降低很多，所需的換熱面積也不是很大。透平工作時，儲氣室的空氣在進入透平前由高壓水加熱，合理的換熱溫差也為約10 ℃，這樣透平的入口溫度約170 ℃。需要指出的是加熱透平空氣的熱量小于壓縮熱，故小部分壓縮熱不能被利用，由開式水帶走排入大氣。故目前的壓縮空氣儲能系統(tǒng)在壓縮熱深入利用方面存在優(yōu)化空間，可通過附加有機朗肯循環(huán)來實現(xiàn)，但具體的投資回報率需經(jīng)詳細論證。在不引入附加循環(huán)，不增加能量利用場景的條件下，該中溫路線的電到電轉(zhuǎn)化效率為約69%。

隨著制造工藝的提高和設備成本的下降，壓縮空氣儲能肯定是朝著更大容量、更高參數(shù)、更佳效率的方向發(fā)展，限制壓縮空氣儲能大容量發(fā)展的“瓶頸”——大功率壓縮機制造困難、大容量儲氣室選址受限、高溫儲換熱工質(zhì)的高昂成本、大功率空氣透平的靈活調(diào)功——必將得到解決。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了壓縮空氣儲能技術的發(fā)展歷程——補燃式壓縮空氣儲能商運工程、小容量蓄熱式壓縮空氣儲能示范工程、液態(tài)和等溫等其他小容量壓縮空氣儲能示范試驗、中容量蓄熱式壓縮空氣儲能商運工程（江蘇金壇60 MW級非補燃式壓縮空氣儲能工程）和300 MW級大容量壓縮空氣儲能商運工程，介紹了各個路線的工藝系統(tǒng)，指明了技術特點。

由于技術和投資原因以及政策導向，大容量蓄熱式壓縮空氣儲能得到了格外重視，處于快速發(fā)展階段。其設計電到電轉(zhuǎn)化效率可達到約70%，但考慮到啟停過程及未來電網(wǎng)對儲能透平發(fā)電響應的更高標準，實際運行效率可能會大幅降低。隨著關鍵組件制造能力的提升、設備及工質(zhì)投資的降低和關鍵技術的解決，高溫路線必然是壓縮空氣儲能未來發(fā)展的主流。此外，壓縮空氣儲能在壓縮熱利用方面和外部熱源引入方面存在著較大的優(yōu)化空間，未來的壓縮空氣儲能技術必將朝著更大容量和更高參數(shù)的方向發(fā)展，并與“風光”和廢熱等多種熱源高效耦合，實現(xiàn)電熱冷等綜合能源應用場景。

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基金項目：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2022KY1344）

第一作者簡介：黃燕生（1978-），男，碩士，副教授。研究方向為熱能發(fā)電技術教學。