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信然压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, CAES)

2020/08/21 4:25:22
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这一篇,信然和大家聊聊压缩空气储能技术(Compressed Air Energy Storage, CAES)。压空属于物理储能方式的一种,它与抽水蓄能齐名,无论是存储时间、放电功率、还是运行寿命,都有着卓越的表现,但它同样有着自身的缺点,比如系统复杂,比如受地域影响等。

一 压缩空气原理

压缩空气的基本原理很简单,在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气,将空气高压密封在报废矿井、储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中,在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式,原理如下图所示。若需要更近一步解释,你只需锁定储气罐内的空气即可,两个动作,充气时储存能量,膨胀时释放能量。

然而,如果你在此处宣布已经掌握了压空技术,为时过早。要知道,原理不能解决任何问题,需要在原理的基础上舔砖加瓦,优化利用,才能达到合理的应用标准。于是,压空的各种变异横空出世,为了便于理解,我温度、压力、容积等方面着手,一步步深入介绍。

1。1 温度

我先强调一点:温度是一种能量。对于压缩机而言,压缩过程温度越低,耗费电能越少;与之相反,对于膨胀机而言,膨胀起始点温度越高,膨胀过程中得到的有用功越多。所以,降低压缩温度,或者提高膨胀进气温度,是提高系统效率的一种重要而有效的手段。请看下图变异1,在压缩机的出口增加了冷却器,以回收压缩热,在膨胀机(或涡轮机)的入口增加回热器,以提高进气温度。回热器的热量可由冷却器供给,如果必要,涡轮机的出口废弃也可以进一步回收,这取决于废弃的温度品味。该系统叫称为回热式系统。

相较于原理型系统,回热系统储电效率有所增加,然而它的不足在于,冷却器和回热器分开设置,在热量回收过程中存在较大热损失。为解决这一问题,有人提出绝热压缩空气系统,变异2,参照下图。将压缩过程中产生的热量存储起来,然后在发电过程中用这部分热量预热压缩空气,冷却器和回热器合为一体,对外进行绝热处理,业内称作先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES),该系统面临的最大挑战是如何经济、有效地设计和制造出压力工作范围大的压缩机、涡轮机和除热器。一切比较完美,但还忽略一点,即使100%回收利用,压缩过程中产生的热量不足以使涡轮机持续长时间稳定运行,换句话说,只靠自身的热回收很难保持系统抵抗外部负荷波动。热量不够怎么办?引进额外热源,天然气,将天然气与来自储气罐的高压空气混合燃烧,推进涡轮机旋转发电。请看下图,变异3。对比以上系统,它的可靠性最高,稳定性最强,灵活性最优,所以在德国1978年建造首套压空储能电站时,果断采用这种方案。然而,变异3的引发的问题在于:消耗化石能源,增加温室气体排放。于是在国内做压空系统的高校研究所想方设法消除对外在热源的利用,比如清华大学的卢强院士,推非补燃压空系统。此处必须加句评论,难度都很大,不用补燃,系统复杂程度会提高,可靠性也会有波动,平衡各个功能单元,是一件技术含量很高的工作。

1。3 容积

压空系统的技术痛点在于气体的密度太低,常压下空气密度为1.25kg/m3,即使在10Mpa高压下密度也只有100kg/m3左右,相比水的1000kg/m3,差了足足十倍,这意味在相同储存质量下,空气的罐子要比水大十倍。要解决大规模空气存储的方法至少有3个,方法一,就地取材,寻找废弃的矿井,进行密封承压方面的改造,然后将空气压入其中,这种方法既经济又可靠,而且储量惊人,比如德国的Huntorf压空电站可储存30万立方的空气,但是,这种方式受制于地形限制,灵活性差,比如我想在南京建一座压空电站,即使金坛的溶洞再优越,我也用不上。方法二,高压储气罐,该方式操作灵活,完全不受地域地形限制,比如中科院在廊坊的示范项目,采用2个直径2.4m,长10m的储罐,每个储存45m3的高压空气,储罐压力10Mpa,储罐设备属于特种设备范畴,无论从制造,安装还是运行,都要经过严格的检查,成本相对较高。方法三,空气液化。为了进一步减小储罐体积,有专家想到了变态,将气体液化,密度将增加上百倍,于是体积减少上百倍,通过设计,使膨胀机出口的空气温度低于78.6K(-196.5℃)时,空气被液化,系统流程见下图,这种系统的特点是体积小,管路复杂,效率低。我在一次讲座上跟东大热能所的教授聊天时得知,他测算过液化压空储能的理论效率60%,实际效率能打七折就已经很不错了。

1。4 冷热电三联供

在储能领域,压空算是个另类,不能用传统的评价标准衡量它,比如只追求电-电存储效率,压空肯定毫无优势,非补燃机组能达到40%已算很不错了。但它在发电的同时,还能兼顾供冷和供热,俗称冷热电三联供,其实原理没有任何改变,只是将压缩过程产生的热量用于供热,膨胀机出口的低温空气用于制冷,膨胀产生的有用功用于发电,详见下图。冷热电三联供的特点是能源利用效率高,若以热能利用为基础测算,系统效率可达70-85%。

二 系统特点

在储能家族中,压空和抽水蓄能属于一个阵营,即是一种可以大功率,长时运行的物理储能技术,各种技术对比见下图(CAES),技术特点如下:

(1)输出功率大(MW级),持续时间长(数小时);

(2)单位建设成本低于抽水蓄能,具有较好的经济性;

(3)运行寿命长,可循环上万次,寿命可达40年;

(4)环境友好,零排放。

三 系统结构

一套完整的压空系统五大关键设备组成:由压缩机、储气罐、回热器、膨胀机以及发电机,结构详图如下。

3.1 压缩机

压缩机是一种提升气体压力的设备,见下图。压缩机的种类和压缩方式各不相同,但设计者会更关心它的进出口压力参数,表征为四个参数,一是工作压力区间,二是压缩比,即进出口压力比值,三是进出口温度或绝热效率,四是压缩功率与流量。清华大学卢强院士的500kw压空系统中所用其中一台压缩机参数为:进气压力1atm,25℃,排气压力3.5atm,143℃,压缩比3.5,轴功率76.7kw。

3.2 储气罐

储气罐是高压空气的出厂场所,说白了就是一个岩洞或者一个罐子。这里还是要强调,温度是一种能量,60℃和20℃条件下,空气的能量大不一样,所以有必要对储罐进行保温处理,尽量维持罐内温度一致,减小对流损失。尺寸与耐压等级等制造问题,交给工厂。

3。3 回热器

回热器是热交换器的统称,包括预热器,冷却器,换热器等等,回热器的功能是通过温差传热回收热量,达到节能效果。

3.4 膨胀机

膨胀机的英文名字叫“turbine”,又叫透平,也有叫涡轮机的,它的功能是通过膨胀,将空气的内能转化为动能,推动与之相连的发电机,又将动能转化为电能,见下图。标定膨胀机的参数有进出口压力与温度,膨胀系数等。

3.5 发电机

发电机是一种发电设备,将各种形式的能量转化成电能,此处略过。

四  压空系统应用领域

(1)调峰与调频。大规模压空系统最重要的应用就是调峰和调频,调峰的压空电站分为两类,独立电站以及与电站匹配的压空系统。

(2)可再生能源消纳。压空系统可将间断的可再生能源储存起来,在用电高峰期释放,可显著提高可再生能源的利用率。

(3)分布式能源。大电网和分布式能源系统结合是未来高效、低碳、安全利用能源的必然趋势。由于压空具备冷热电联供的优点,在分布式系统中将会有很好的应用。

五  性能评价指标

为了更清楚表达工作过程的能量传递,我借用了哈佛大学Azziz教授论文中的一张图,见上图。其中W为电功,Q为热量,箭头向内代表进入系统,向外表示系统输出,流程箭头代表空气流向。一目了然,比如压缩机工作消耗的电能来自于电网,膨胀时向电网输出电能,都能直观看到,并且判断:系统用电越小越好,回收的热量越多越好,向外输出的电能越大越好。

在我看来,表征系统性能的参数主要有两个,一个是电能存储效率,另一个是系统能量效率。电能存储效率是电能输出与输入的比值,这对电网运营至关重要;系统能量效率是输出的电能+热能与输入之比,表征整个系统的总效率,这对压空系统至关重要。

六 国内外压空项目

6。1 德国Huntorf

Huntorf是德国1978年投入商业运行的电站,目前仍在运行中,是世界上最大容量的压缩空气储能电站。机组的压缩机功率60MW,释能输出功率为290MW。系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中,矿洞总容积达3.1×105m³,压缩空气的压力最高可达10MPa。机组可连续充气8h,连续发电2h。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次,平均启动可靠性97.6%。电站采用天然气补燃方案,实际运行效率约为42%,扣除补燃后的实际效率为19%。

6.2  美国McIntosh

美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站1991年投入商业运行。储能电站压缩机组功率为50MW,发电功率为110MW。储气洞穴在地下450m,总容积为5。6×105m³,压缩空气储气压力为7。5MPa。可以实现连续41h空气压缩和26h发电,机组从启动到满负荷约需9min。该电站由Alabama州电力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。与Huntorf类似的是,仍然采用天然气补燃,实际运行效率约为54%,扣除补燃后的实际效率20%。

6。3 日本上砂川盯

日本于2001年投入运行的上砂川盯压缩空气储能示范项目,位于北海道空知郡,输出功率为2MW,是日本开发400MW机组的工业试验用中间机组。它利用废弃的煤矿坑(约在地下450m处)作为储气洞穴,最大压力为8MPa。

6.4 中国

我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚,大多集中在理论和小型实验层面,目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。中科院工程热物理研究所正在建设1.5MW先进压缩空气储能示范系统,该系统为非补燃方案,理论效率41%,实际运行效率33%。

在建的项目有江苏金坛压缩空气储能电站,利用盐穴储气,占地60。5平方公里,最大容腔体积32万㎡。

七 国内企业和机构

7.0 信然集团空压机事业部

信然集团空压机事业部成立于2008年,是亚太通用机械股份公司和上海信然压缩机共同出资成立的专业研究压缩空气储能项目,利用信然生产的压缩机压缩空气进行储存,现在已经开始规模化和商业化了。

7.1 中科院热物理所

中科院工程热物理所在10MW先进压缩空气储能系统研发与示范方面,已完成10MW先进压缩空气储能系统和关键部件的设计,基本完成宽负荷压缩机、高负荷透平膨胀机、蓄热(冷)换热器等关键部件的委托加工,正在开展关键部件的集成与性能测试;全面展开示范系统的集成建设,于2016年6月完成。

7。2 清华大学电机系

清华大学电极控制理论与数字化研究室,由卢强,梅生伟等带头,该团队主要研究智能微电网,压缩空气储能等,压空方面的主要路线为非补燃型压缩空气储能技术。

7.3 澳能(毕节)

澳能集团秒速赛车简称澳能工业,成立于2011年,是在与中国科学院工程热物理所合作开发超临界压缩空气储能技术,利用电网负荷低谷期的余电或可再生资源发电不能并网的废电将空气压缩到超临界状态并存储压缩热,利用系统过程存储的冷能将超临界空气冷却液化存储(储能);在发电过程中,液态空气加压吸热至超临界状态(同时液态空气中的冷能被回收存储),并进一步吸收压缩热后通过涡轮膨胀机驱动发电机发电(释能)。通过系统热能和冷能的存储、回收,实现系统效率的提高。超临界压缩空气储能利用空气的超临界特性,同时解决了传统压缩空气储能依赖大型储气室和化石燃料的两个技术瓶颈。

八 参考文献

1 《压缩空气储能技术的特点与发展趋势》 陈海生

2  vivian 博客《国内外压缩空气储能应用现状探究》

3  北交大张磊硕士论文:《压缩空气储能系统效率分析》

4 张新敬 《压缩空气储能技术研究进展》,储能科学与技术[J]

5 陈海生《压缩空气储能技术原理》 ,储能科学与技术[J]

6 清华大学梅生伟教授PPT 《压缩空气储能关键技术及应用展望》 2015。8

7 哈佛大学Azziz教授《THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE FACILITY EXPORTING COMPRESSION HEAT TO AN EXTERNAL HEAT LOAD》

8 Pacific Northwest National Laboratory 《Electrochemical Energy Storage for Green Grid》

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