压缩空气储能技术与发展最新章节_王富强著

2.1 传统补燃式压缩空气储能

2.1.1 原理

通过压缩机压缩空气存储电能，并将压缩空气运输至岩石洞穴、废弃盐洞、废弃矿井或者其他压力容器中；在电网高负荷期间，放出储气库内高压气体，经过燃烧室或换热器加热，升高至一定温度后输送至涡轮膨胀机，将压缩空气的势能转换为膨胀机的机械功输出，驱动发电机发电。补燃式压缩空气储能原理见图2.1-1。

图2.1-1 补燃式压缩空气储能原理

2.1.2 优劣势分析

可以发现，传统的补燃式压缩空气储能系统存在以下几个方面的问题：

1）补燃式运行依赖于大量的天然气等化石燃料的消耗，排放的气体存在环境污染性，致使全球气候变暖加剧，不符合我国能源结构转型策略与趋势。

2）压缩过程中的压缩热被弃用导致大部分能量损失，相对于抽水蓄能等储能方式，系统循环效率较低。

2.1.3 效率

由美国、德国两个已运行的传统压缩空气储能电站可知，补燃后系统转换效率约40%。

2.1.4 研究方向

化石燃料资源的有限性及其燃烧存在的污染性决定了必须发展可替代清洁燃料或其他储能发电方式。就目前而言，补燃式压缩空气储能中可替代天然气的清洁燃料如氢气，从制备到最终利用尚未形成规模和体系，降低投资成本及燃烧等关键技术仍有待进一步的研究，同时系统效率也有待提高，因此催生了摒弃补燃方式的新型压缩空气储能技术研究。国内机构研究方向主要集中于非补燃式的压缩空气储能。

2.1.5 工程应用

2.1.5.1 德国Huntorf电站

1969年，德国计划在北部盐穴地层中建立CAES系统以满足大规模储能的需求。该区域已有大量利用盐腔储存天然气的工程，为CAES电站的建立积累了大量的地质资料与操作经验。德国于1975年开始在Huntorf建造CAES电站，1978年宣布成功商用，Huntorf电站示意见图2.1-2。Huntorf电站以两个盐洞为储气库进行储能，补燃后整体运行效率为42%，平均启动可用率和可靠率分别为90%和99%。

图2.1-2 Huntorf电站示意

图片来源：CROTOGINO F，MOHMEYER K U，SCHARF R.Huntorf CAES：more than 20 years of successful operation[C].Proceedings of the Solution Mining Research Institute（SMRI）Spring Meeting，2001：15-18.

2.1.5.2 美国McIntosh工程

在Huntorf电站成功运行13年后，1991年美国在亚拉巴马州建立了以盐洞为储气库的CAES电站。由于增加了压缩热回收利用装置，McIntosh电站的整体运行效率提高到54%，压缩过程和膨胀过程平均启动可靠率分别为91.2%和92.1%，运行可用率分别为96.8%和99.5%，McIntosh电站系统示意见图2.1-3。

图2.1-3 McIntosh电站系统示意

传统压缩空气储能系统中，虽然空气压缩与燃烧膨胀具有一定的相互独立性，但依然相互制约、无法独立对外进行电力输出。有学者在压缩空气储能系统的运行模式上进行了新的尝试，建立双循环压缩空气储能系统，并对其运行模式和效率进行了分析对比。略去空气压缩及储气部分的双循环压缩空气储能流程示意见图2.1-4。

图2.1-4 双循环压缩空气储能流程示意（略去空气压缩及储气部分）

图片来源：AKITA E，GOMI S，CLOYD S，et al.The air injection power augmentation technology provides additional significant operational benefits[C].ASME Turbo Expo 2007：Power for Land，Sea and Air，Montreal，2007.

系统包括燃气循环（黑色部分）和空气循环（蓝色部分）两个耦合单元。在合理的调度之下，空气透平与燃气轮机共同工作可使整个系统的效率达到最高，同时实现削峰填谷的储能作用；而燃气循环单元在储气室气量不足的时候也可以单独运行发电，发挥单纯的补峰作用。根据工艺流程可以看出，上述两种系统非常适于传统燃气电站的节能改造；不同于蒸汽-燃气联合循环，该类型的双循环系统不仅能够充分利用燃气轮机排气的余热，还能以空气透平级间高压抽气或级后低温排气作为燃气轮机中压气机的气源，降低压气机的功耗，并将系统由单纯的补峰转向更为全面的削峰填谷功能。