压缩空气储能技术现状分析

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中图分类号： TH138.21；TH411 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.08.009Technique Summarize and Efi ciency Analysis of Compressed Air Energy StorageLI Xiao-sa，QIAN Ze-gang，YANG Qi-chao，ZHANG Cheng-yan，LI Lian-sheng(State Key Laboratory of Compressor Technology，Hefei General Machinery Institute，Hehi 230031，China)Abstract： The passage commenced withpeak-load shifting”in the electric power supply，and elaborated the background of el·ergy storage.Particularly introduced compressed air energy storage，and compared generation-electricity eficiency and techniqueparameters of various energy storages.we obviously realized CAES development status gap between domestic and developed ua-tions by comparatively development and technique research present condition of CAES in the world.Combining a particular CAESpatern，ultimately we concluded thermodynamic pe rform ance and eficiency，and dissertated on sood prospe ct of CAES in windpower d integration in future。

Key words： CAES；wind power d integration；compressor；turbo-expander；therm al eficiency1 前言21世纪是能源的时代，能源需求不断增长，节能减排与可再生能源越来越来受到广泛的关注，国家能源十二五”规划中明确提出能源品质”问题。能源的高效利用势在必行，但电网运行时出现-系列的问题 (昼夜峰谷差大、波动性强烈、空转、污染等)，带来了极大的浪费和破坏。

储能技术能很好地改善它，我国电网装机容量增长迅速，电网调峰问题越来越突出，削峰填谷”极大地推动了储能技术的发展。蓄能技术各有特点，其中压缩空气蓄能(CAES)具有经济性好、负荷范围大等优点。CAES包括压缩机、膨胀机、储气装置等，在用电低谷时段，来自电网的多余电能驱动电动机，带动压缩机，压缩空气并储存在洞穴或其他封闭容器内，以备高峰负荷时用于发电。

气体释放时，经预热再与天然气-起在燃气轮机燃烧室内混合燃烧，推动膨胀机做功发电。

2 国内外CAES技术发展随着 CAES技术的不断发展，CAES系统从原来的最简单的压缩机、储气室、膨胀机变为多级压缩、多级膨胀，再热，与柴油机、燃气轮机联合或风收稿日期： 2012-12-28 修稿 日期： 2013-01-08基金项目： 国家重点基础研究发展计划项目 (973计划)(2012CB724307)2013年第41卷第8期 流 体 机 械 41电、太阳能等清洁能源相结合发展。还有与抽水储能或超导储能耦合系统，保证恒压(效率较高)运行条件 J-展风力发电机组和太阳能发电机组集成系统研究，耦合风光电系统是研究压缩空气储能的新途径和热点 J。

由于大型 CAES电站对地质条件要求苛刻，极大地限制其发展。地上发展微型的 CAES系统势在必行，有着良好的前景。与此同时，通过设计搭建小型试验台架，探讨了提高储能系统总体性能的方案。CAES系统的小型化、稳定的降压过程、储热结构和材料等是将来发展的趋势 。

在 CAES商业示范化过程中，德国亨托夫市电站容量290MW的Huntof电站首当其冲，技术上采用高、低透平压膨胀机相结合，人口温度和压力分别为537.8C、4598.9 kPa和 853.4C、1075.5kPa，没有换热器。美国首台商业运行的 CAES电站由Alabama电力联合公司(AEC)承建，建在 Al-abama州的 Mcintaosh镇，与前者不同的是，它采用了换热器技术。Alabama电站运行中经常出现的问题是启动故障，引起事故。大部分是由仪器、阀门及控制系统引起的，也有-些是与燃烧器有关的(燃料问题)。Alabama电站发生的-起由于地质稳定性引起的严重事故，事后查明是通到储气室的主风道出现部分坍塌。瑕不掩疵，Alabama电站的运行情况还是很好的，两者都采用加入天燃气提高膨胀机进口温度来提高效率。日本政府- 直在支持 CAES的发展，Hokkaido电力公司等研制了第-台35MW 的CAES试验机组。其压力设计、空气储存温度和压力是根据 Huntof电站和AEC电站的经验而选取的。在技术上，采用-台再热式燃气轮机来提高效率，把高压透平和低压透平做成-体，机组的冷却由于当地缺乏足够的水源而被迫采用空气冷却系统 。膨胀比是间冷回热再热循环系统的重要影响因子，合理分配高、低压缩机的膨胀比能够有效提高燃气轮机的热效率，压缩机与膨胀机匹配及最佳膨胀 比是CAES关键技术 ，以上属于传统的第-代CAES技术。第二代是进气预热技术，限于篇幅，不再赘言。

近年来新的压缩空气蓄能方法不断被提出，如将压缩空气直接在空气透平中膨胀做功发电，并产生热量和冷量。在确定压缩机等熵效率、空气透平效率等参数时，最佳压比。 在 3.0～3.6之间，换热器炯效率起到了重要贡献 。压缩空气储能系统有很大的热量损失，绝热系统是减少热损失的良好方式，有关研究表明系统的能量利用率约为 69% 引。美 国瑟斯 汀 x公 司(Sus-tainX)，成立于 2007年，该公司采用等温压缩与膨胀技术，最近正在大规模测试使用该技术的压缩空气储能系统。这-领域的另-家大公司是马萨诸塞州牛顿的通用压缩公司，所用的系统使用风力涡轮机驱动空气压缩机和膨胀装置。先进绝热与等温压缩、膨胀是第三代 CAES发展技术，减少热量的加入和污染物的排放。

国内学者仿真分析了CAES电站热力性能及效益评价计算，但多以数值模拟仿真为主，缺乏实践 引。风电场功率调节及效益分析、真正利用CAES平抑风电尚处于起步阶段，储气室技术及储能投资方与受益方利益协调尚不完善 。

我国湖北省峰谷差变化大，急需蓄能发电技术，同时又具备岩洞地质条件，这为发展洞穴CAES提供了先天条件。表 l举出湖北省 1996-2005十年间的电网最大峰谷电量，体现出储能系统技术的紧迫性 。

表 1 1996年以来湖北电网最大用电负荷及最大峰谷差变化年份 最大用电负荷月份 最大用负荷(MW) 负荷增长率(%) 最大峰谷差月份 最大峰谷差功率(MW) 峰谷差增长率(%)l996 09-0l 547.9 Il-02 222.8l997 08-o9 583.1 6.40 11-07 258.2 l5.80l998 07-15 642.8 O.30 12-14 281.5 0.821999 09-10 763.1 l8.70 12-21 303.3 7.7420o0 07-27 769.3 0.80 01-21 3o9.O 1.8820o1 07-10 850.4 10.54 l2-25 328.0 6.152002 07-15 915.2 7.62 12-25 337.3 2.8420∞ 08-01 1022.0 11.67 07-24 360.4 6.8520o4 08-10 1153.1 12.83 11-21 365.5 1.4220o5 08-ll 1242.9 7.79 02-O8 440.6 20.5542 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013在 2006年 1月 22日，湖北省已经明确了开展应城岩穴压气蓄能电站前期”工作，估计发展总规模数百万千瓦的 CAES电站♂合现实，十- 五”期间先建设 2台 150MW 的试验电站，再与三峡等电站匹配运行。

3 不同形式储能技术比较表2列出了各种储能系统的对比。压缩空气蓄能电站具有明显的优点：初期投资和运行成本相对抽水蓄能发电方式较低、启停机的时问较短、运行方式灵活、能够适应较大的负荷变化、对环境污染孝可以实现拈化建模 ， ]。

表 2 各类储能类型发电的效率、技术参数比较表储能类型 额定功率(MW) 反应时间(h) 效率(%) 应用范围抽水储能 l00～2Ooo 4～10 60～70 能量管理，频率控制和系统备用CAES 100-300 6～2O 40-5O 调峰发电厂、系统备用电源机械 Micro-CAES 10～50 1～40 调峰调峰、频率控制、UPS/EPS、 飞轮储能 O.0o5～5 0～0.017 70～80 电能质量控制SMES 0.01～20 O～0.25 80～95 输配电系统暂态稳定性、提高输电磁 电能力、电能质量管理、UPS电容器 0.00l-0.1 0～0.017 70～80 电能质量调节、输电系统稳定性超级电容器 与柔性交流输电技术相结合电能质量控制，系统备用电源， 铅酸电池 O.oo1-5O O.017～3 60-7O 黑启动，UPS/EPS 电化学 先进电池技术，如 NaS/Li等 0.001-lO 0.017～/h 70-80 平滑负荷 、备用电源分布式、可再生能源系统稳定性、 液体电池 O. 0o1-0.1 1～2O 用户侧平滑负荷、备用电源相变 潜热 、显热复合储能系统 60-70 建筑供暖 、结构保温；太阳能4 CAES热效率理论分析储能效率是系统的核心，不管是再热，还是预热都是设法把循环能量充分利用。国外学者提出的热管理技术，通过系统 自身能量和热量的平衡来达到提高性能和降低排放的目的。在 CAES系统布置方式选择上，集成方案主要在于回热及再热选择和布置方式 。

图1示出n级压缩(带有中间冷却热回收)、m级膨胀(带有燃烧