羅 寧，何 青，劉文毅

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壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置研究現(xiàn)狀與分析

羅 寧，何 青，劉文毅

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206）

壓縮空氣儲能系統(tǒng)作為最具前景的儲能技術(shù)正在快速發(fā)展，儲氣裝置是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的主要部件之一。首先綜述了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以及目前投入商用的儲能電站和示范電站特點。其次對于各種儲氣裝置的發(fā)展和應(yīng)用進行了詳細的分析，包括儲氣裝置的不同分類、以及不同類型儲氣裝置所具有的技術(shù)特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并詳細分析了儲氣裝置的儲能特性。最后對于儲氣裝置現(xiàn)存的技術(shù)問題和相關(guān)參數(shù)及評價指標進行了分析整理，提出了壓縮空氣儲能及其儲氣裝置的發(fā)展方向和研究重點。

壓縮空氣儲能；儲氣裝置；儲能特性；評價指標

間歇性、波動性和非周期性是風(fēng)能、太陽能等新能源的重要特征，也是造成風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等系統(tǒng)不穩(wěn)定性的重要原因。隨著風(fēng)電和光伏行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電“棄風(fēng)”、光伏“棄光”的現(xiàn)象越來越嚴重。電能儲存技術(shù)近年來引起了相當大的關(guān)注。如果將電能儲存系統(tǒng)與發(fā)電、輸電和消耗過程聯(lián)系起來，可以提高電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且可以打破可再生能源與電網(wǎng)連接的瓶頸問題[1-3]。到目前為止，世界上能夠應(yīng)用于100 MW級及以上規(guī)模的儲能技術(shù)只有抽水儲能和壓縮空氣儲能兩種方式。雖然抽水儲能有較高的能量存儲、轉(zhuǎn)化效率，但由于對地形、水源的要求較高，該技術(shù)的應(yīng)用存在較大的局限性。因此，壓縮空氣儲能（compressed air energy storage，CAES）被認為是解決“棄風(fēng)”和“棄光”問題的重要技術(shù)途徑之一。

與其它技術(shù)不同，CAES具有效率高、存儲時間長、存儲容量大、成本相對低的優(yōu)點。兩個大型商用壓縮空氣儲能電站目前正在運行，分別是建于1978年德國的Huntorf壓縮空氣儲能電站和建于1991年的美國的McIntosh壓縮空氣儲能電站。

圖1所示為CAES系統(tǒng)。包括：①空氣壓縮機；②透平；③電動機/發(fā)電機；④空氣存儲裝置；⑤蓄熱器組成。壓縮機在儲能過程中消耗電能來壓縮環(huán)境空氣，并儲存在空氣儲存裝置中，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的內(nèi)部能量。壓縮熱同時存儲。來自儲存裝置的壓縮空氣通過減壓閥以在能量釋放過程期間調(diào)節(jié)流動壓力。流體最終進入透平膨脹器以發(fā)電并實現(xiàn)壓縮空氣能量向電的轉(zhuǎn)換。

圖1 壓縮空氣蓄能系統(tǒng)圖

首先綜述了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以及目前投入商用的儲能電站和示范電站特點。對于儲氣裝置的技術(shù)問題和相關(guān)參數(shù)及評價指標進行了分析整理。研究為大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣裝置的設(shè)計選型提供相關(guān)理論參考和研究方向指導(dǎo)。

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理及技術(shù)

壓縮空氣儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，表1所示為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和 類型。

表2是近年來已經(jīng)投入商用的儲能電站和準備建設(shè)的示范電站的相關(guān)參數(shù)和運行情況綜述[7-12]。

表1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域和類型

續(xù)表

表2 CAES發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

2 儲氣裝置分類及技術(shù)研究

儲氣裝置作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要組成部分，選擇合適的儲氣裝置關(guān)系到整個系統(tǒng)的效率、經(jīng)濟性、運行可靠性、穩(wěn)定性等各方面的因素。常見的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣裝置分類如表3所示[13-17]。

目前工程應(yīng)用的儲氣裝置一般分為地下儲氣裝置和地上儲氣裝置，具體類型如表4所示[18-24]。

表3 儲氣裝置分類

表4 地下儲氣裝置和地上儲氣裝置具體類型

對于AA-CAES系統(tǒng)的儲氣裝置的研究，有學(xué)者用模擬的方法針對具體地形進行了研究，也有學(xué)者用理論分析的方法針對人造存儲容器開展了相關(guān)的工作。表5所示為近年來國內(nèi)外相關(guān)專家對于CAES儲氣裝置的研究和分析現(xiàn)狀綜述。

表5 儲氣裝置研究方向與技術(shù)現(xiàn)狀

3 CAES儲氣裝置評價指標

為了簡化計算，不對能量轉(zhuǎn)移過程的復(fù)雜過程進行深入研究，壓縮空氣被認為是理想的氣體，通過管道和閥門的壓力損失被忽略。假設(shè)為恒溫過程，由于存儲空氣和環(huán)境之間的熱傳遞，在能量釋放過程中空氣存儲裝置中的溫度變化被忽略。減壓閥后的空氣應(yīng)該被周圍環(huán)境加熱[25-28]。

假設(shè)空氣為理想氣體，理想氣體狀態(tài)方程：

式中，為空氣壓力，Pa；為空氣體積，m3；為空氣質(zhì)量，kg；為溫度，K。

3.1 儲氣質(zhì)量

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，儲氣裝置內(nèi)儲氣的總質(zhì)量為：

式中，ac為儲氣裝置壓力，Pa；ac為儲氣裝置體積，m3；為儲氣裝置溫度，K。

3.2 儲氣體積

儲氣裝置所能存儲氣體體積應(yīng)當與存儲能量和壓縮機升壓比有關(guān)，具體關(guān)系為：

式中，為氣體存儲?，W；0是大氣壓力，Pa；為壓縮機的升壓比。

儲氣裝置中高壓空氣儲存的?主要是壓力?。有效能在大氣溫度下為：

3.3 儲氣裝置質(zhì)量

儲氣裝置質(zhì)量應(yīng)當與所選材料和所存儲氣體能量有關(guān)。具體關(guān)系為：

式中，為儲氣裝置材料密度，kg/m3；為儲氣裝置材料的最大應(yīng)力，Pa。

3.4 儲氣裝置體積

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，釋能階段儲氣裝置狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為：

式中，Vc表示儲氣裝置體積，單位m3；s0表示釋能初始時刻氣體壓力；s1表示釋能終了時刻氣體壓力；s0表示釋能初始時刻氣體溫度，K；s1表示釋能終了時刻氣體溫度，K。

由此可得儲氣裝置體積為：

3.5 儲能密度

儲能密度是衡量儲氣裝置儲能能力的重要指標，儲能密度為：

4 CAES儲氣裝置熱力學(xué)分析

空氣經(jīng)過多級壓縮和多級換熱的過程以后，進入儲氣裝置，如果把儲氣裝置看作控制容積，根據(jù)質(zhì)量守恒方程得到：

式中，ac是儲氣裝置內(nèi)氣體總質(zhì)量，kg；c是進入儲氣裝置的質(zhì)量流量，kg/h；e是流出儲氣裝置的質(zhì)量流量，kg/h。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：

式中，是空氣的內(nèi)能，J；ac是環(huán)境與儲氣裝置外壁面的傳熱系數(shù)，ac是儲氣裝置外表面面積，m3；0是環(huán)境溫度，K；c是儲氣裝置進口空氣的比焓，J；e是儲氣裝置出口空氣的比焓，J。

為了簡化上述方程，引入理想氣體狀態(tài)方程：

我們可以得到簡化后儲氣裝置內(nèi)溫度和壓力隨時間的變化，決定了空氣在儲氣裝置內(nèi)狀態(tài)：

式中，c是空氣的定壓熱容，kJ/(kg·K)；c是空氣定容比熱，kJ/(kg·K)；ac是儲氣裝置內(nèi)空氣的溫度，K；ac是儲氣裝置內(nèi)空氣的壓力，Pa；in是進入儲氣裝置空氣的溫度，K；ac是儲氣裝置的體積，m3；R=287 kJ/(kg·K)，是氣體常數(shù)。

一般地，儲氣裝置外表面與環(huán)境的傳熱系數(shù)ac不是定值，而是與儲氣裝置特性有關(guān)。

式中，0是環(huán)境壓力，0是傳熱系數(shù)，當ac=0時質(zhì)量流量為0；表示壓力和對傳熱系數(shù)的影響，表示質(zhì)量流量對傳熱系數(shù)的影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

（1）對于地面儲氣裝置和人造儲氣裝置的研究還屬于理論階段，缺少實質(zhì)性的分析和研究，尤其對于各種不同工況下的儲氣裝置的研究；

（2）儲氣裝置的研究主要集中在利用理論分析與數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)敏感性分析，但現(xiàn)有的研究工作還不夠完善，仿真模擬和實驗研究還很欠缺；

（3）對儲氣裝置的熱力學(xué)參數(shù)隨系統(tǒng)循環(huán)運行過程的動態(tài)模型的研究還很少，所以對先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲氣裝置進行進一步的研究很有必要。

（4）儲氣裝置相關(guān)的設(shè)計以及其充放氣過程尚需完善，現(xiàn)有的CAES電站一般均采用恒容儲氣裝置，通過減壓閥進行放氣操作控制排氣壓力，節(jié)流作用的影響導(dǎo)致其能量損失較大；

（5）系統(tǒng)在穩(wěn)定循環(huán)過程中，目前對于儲氣裝置內(nèi)工質(zhì)的溫度、壓比及其它因素隨時間變化的相關(guān)研究較少，缺少相關(guān)的技術(shù)支持；

（6）目前的大多數(shù)的研究僅從CAES及儲氣裝置的熱力性能、系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)方面進行分析，缺少系統(tǒng)和儲氣裝置的經(jīng)濟性分析，對于后期的大規(guī)模應(yīng)用來說，經(jīng)濟性至關(guān)重要。

壓縮空氣儲能技術(shù)在我國的發(fā)展尚處于理論研究階段，因此對于先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設(shè)計進行研究和分析需要加大力度。

5.2 展 望

目前，國內(nèi)外對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)及其儲氣裝置更多的還處于實驗研究階段。德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的運行證明，這項技術(shù)的概念設(shè)計和合理規(guī)模是可以接受的。但是這兩個電站所采用的儲氣裝置都是利用地下儲氣裝置。德國Huntorf電站的儲氣裝置為兩個地下巖鹽層的空洞，洞室容積共約31,0000 m3，儲氣裝置最小運行壓力為20 bar，通常情況下，儲氣裝置運行壓力在42～72 bar。美國McIntosh電站儲氣裝置為53,8000 m3的地下鹽洞，儲氣裝置通常工作壓力為45～74 bar。對于地面儲氣裝置的應(yīng)用和發(fā)展研究目前尚處于理論研究階段。在此基礎(chǔ)上，未來在以下方面進行深入探討。

（1）儲氣裝置作為整個壓縮空氣儲能系統(tǒng)占地面積和體積最大的設(shè)備之一，如何合理的設(shè)計和布置是需要我們重點研究的內(nèi)容之一。

（2）地下儲氣裝置和地面儲氣裝置存在很多的異同點，因此如何通過借鑒現(xiàn)有的已經(jīng)投入商業(yè)運行的地下儲氣裝置來研究地面儲氣裝置和人造儲氣裝置至關(guān)重要。目前還缺少相關(guān)的實質(zhì)性的分析和研究，尤其對于各種不同工況下的儲氣裝置的研究。

（3）目前對于地上和人造儲氣裝置的研究主要集中在利用理論分析與數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)的熱力學(xué)進行參數(shù)進行敏感性分析，并且現(xiàn)有的研究工作還不夠完善，尤其是實際的仿真模擬和實驗研究還很欠缺，實驗用的小型儲氣裝置如何轉(zhuǎn)化成實際可以投入商業(yè)運行的儲氣裝置還需要很多的工作。

（4）目前的研究僅從CAES及儲氣室的熱力性能角度進行分析，未考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標，一旦投入商業(yè)運行，經(jīng)濟性將是人們第一位需要考慮的問題。因此如何在實際情況和實際建設(shè)的經(jīng)濟性分析和系統(tǒng)的評價體系方面進行完善，尤其實際設(shè)備選型計算各系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性和投入產(chǎn)出經(jīng)濟性，是重要的研究分析之一。

儲氣裝置作為整個壓縮空氣儲能系統(tǒng)的重要部件具有重要研究意義。如何更好的分析系統(tǒng)的性能，通過基于熱力學(xué)理論分析建立系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進行仿真分析，并對系統(tǒng)進行實驗研究，把仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，得到能夠真正投入商業(yè)運行的地上儲氣裝置是未來研究的重要方向。

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The development status and energy storage characteristic of gas storage device of compressed air energy storage system

LUO Ning, HE Qing, LIU Wenyi

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Compressed air energy storage system, as one of the most promising energy storage technologies, is developing rapidly. Gas storage room is one of the main components of compressed air energy storage system. Firstly, the development, application and research status of compressed air energy storage system are reviewed, and the characteristics of commercial energy storage power station and demonstration power station are put forward. Secondly, the development and application of the gas storage device are analyzed in detail, including the classification of gas storage devices, the technical characteristics and application status of different types of gas storage devices, and the energy storage characteristics of the gas storage devices are analyzed in detail. Finally, the technical problems and related parameters and evaluation indexes of the gas storage device are analyzed and arranged. The development direction and research emphasis of compressed air energy storage and its storage device were put forward.

compressed air energy storage; gas storage devices; energy storage property; assessment index

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0180

TK 02

A

2095-4239（2018）03-0489-06

2017-12-23；

2018-01-18。

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0903601）。

羅寧（1994—），男，碩士研究生，研究方向為電站設(shè)備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測、壓縮空氣儲能技術(shù)，E-mail：15210793939@163.com。