压缩空气式储能发电装置与系统――改装航机系统的新用途

高京生（北京北重汽轮电机有限责任公司）效率和输出功率。

1.可再生能源的发展需要蓄能电站调节供需平衡、提篼能源利用率随着风电技术的逐步成熟，近年来我国风电装机增长迅猛。2012年，我国风电新增装机1482万千瓦，累计并网达到6266万千瓦，发电量1004亿千瓦时，占全国电力消费总量的2%，继煤电和水电之后成为第三大主力电源。但近年以来，一些地区的风电却屡屡遭弃。

目前，我国“弃风限电”现象主要集中在东北、西北和华北地区。根据中国风能协会的统计2012年风电的限电超过了200亿度，限电率超过了20%.风电并网运行和消纳问题依然是制约我国风电健康快速发展的*重要因素。这种情况导致风电场运行经济性下降，2012年度全国风电因此造成的直接经济损失在100亿元以上。

电力储能系统通过一定介质存储电能，在需要时将所存能量释放发电。发展电力储能系统是可再生能源大规模利用的迫切需要，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性的有效途径，以及智能电网和分布式能源系统的关键技术。目前己有的电力储能技术包括抽水蓄能电站、压缩空气蓄能电站、蓄电池、液流电池、超导磁能、飞轮和电容/超级电容等。- 2压缩空气系统将是除抽水蓄能外*具发展潜力的大规模储能技术由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因，迄今己在大规模（比如100MW以上）商业系统中运行的储能系统仅有抽水蓄能电站和压缩空气两种。抽水电站具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长等优点，是目前广泛使用的电力储能系统。目前全球已有约200座抽水电站储能系统在运行，总装机容量超过110GW.但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，因此选址困难，建设周期很长，初期投资巨大，甚至会大面积淹没植被甚至城市，导致生态和移民问题。压缩空气储能系统是另一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统。它通过压缩空气储存多余的电能，在需要时，将高压空气释放、通过膨胀机做功发电。自从1949年StalLaval提出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来，国内外学者开展了大量的研究和实践工作，并已有两座大型电站分别在德国和美国投入商业运行。世界上**座商业运行的压缩空气储能电站是1978年投入运行的德国Huntorf电站，目前仍在运行中。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600米的矿洞中。

机组可连续充气8小时，连续发电2小时。1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站，其地下储气洞穴在地下450米，压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，可以实现连续41小时空气压缩和26小时发电。另外日本、意大利、以色列等国也分别有压缩空气储能电站正在建设过程中。我国虽然对压缩空气储能系统的研发起步较晚，但随着电力负荷峰谷比快速增加、可再生能源特别是风力发电的迅猛发展，迫切需要研宄开发一种除抽水电站之外，能够大规模长时间储能技术。因此，对压缩空气储能系统的研究已经得到相关科研院所、电力企业和政府部门高度重视，是目前大规模储能技术的研发热点。

2013年火电厂污染物净化与绿色能源技术研讨会暨环保技术与装备专业委员会换届（第三届）会议3.压缩空气储能系统技术特点传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。在储能时，压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并存于储气装置中；在释能时，高压空气从储气装置释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料混合燃烧后，驱动透平发电，与常规燃气轮的区别在于压气机和透平是分开的，并单独运行。由于储能、释能分时工作，在释能过程中，并没有压缩机消耗透平的输出功。因此，相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统，压缩空气储能系统可以产生3倍左右的电力。

（1）压缩空气储能系统主要部件1）压气机：一般为多级压缩机，它将空气压缩并存于储气装置中，使电能转化为空气的内能存储起来；2）涡轮机：一般为多级透平，在燃烧室燃料与压缩空气混合燃烧形成高温燃气驱动透平做功，释放储存在压缩空气中和燃料中的能量；3）燃烧室及换热器：用于燃料燃烧和回收余热等；4）储气装置：地下或者地上洞穴或压力容器或水下储气装置，用来储存压缩空气；5）电动机和发电机：分别和压缩机以及涡轮机联接；6）控制系统和辅助设备：包括控制系统、燃料罐、机械传动系统、管路和配件等。

（2）压缩空气储能技术的特点与发展趋势同其他储能技术相比，压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环寿命长等优点1）仅次于抽水电站，压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天，工作时间长。

2）大型压缩空气储能系统的单位建造成本和运行成本均比较低，低于抽水蓄能电站，具有很好的经济性。

3）压缩空气储能系统的寿命长，可以储/释能上万次，并且其效率可以达到70%左右，接近抽水蓄能电站。

（3）压缩空气储能系统缺点1）传统的压缩空气储能系统不是一项独立的技术，它必须同燃气轮机电站配套使用；而且传统的压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色（零排放）、可再生的能源发展要求。

2）压缩空气储能系统比较适合于大型系统，小型压缩空气储能系统的效率较低；而大型系统需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，从而大大限制了压缩空气储能系统的应用范围。

为解决常规压缩空气储能系统面临的主要问题，即需要大型储气装置和依赖燃烧化石燃料的问题，先后出现了带蓄热的压缩空气储能系统、微小型压缩空气储能系统、液化空气储能系统、超临界压缩空气储能系统、与可再生能源耦合的压缩空气储能系统等。

通常所说的带储热的压缩空气储能系统，又被称为先进绝热压缩空气储能系统。压缩空气储能系统中空气的压缩过程接近绝热过程，存在大量的压缩热。带储热的压缩空气储能系统将空气压缩过程中的压缩热存储在储热装置中，并在释能过程中，利用存储的压缩热加热压缩空气，然后驱动透平做功，相比于燃烧燃料的传统压缩空气储能系统，由于回收了空气压缩过程的压缩热，系统的储能效率可以得到较大提高；同时，由于用压缩热代替燃料燃烧，系统去除了燃烧室，实现了零排放的要求。该系统的主要缺点是，由于添加了储热装置，相比传统的压缩空气储能电站，该系统的初期投资成本将有所增加。

小型压缩空气储能系统的规模一般在10MW级，它利用地上高压容器储存压缩空气，从而突破大型传统压缩空气电站对储气洞穴的依赖，具有更大的灵活性。相比于大型电站，压缩空气式储能发电装置与系统-改装航机系统的新用途它更适合于城区的供能系统分布式供能、小型电网等，用于电力需求侧管理、无间断电源等；同时它也可以建于风电场等可再生能源系统附近，调节稳定可再生能源电力的供应等。

通过带储热的压缩空气储能系统，可将太阳能之热能存储在储热装置中，在需要时加热压缩空气，然后驱动透平发电，从而可以解决太阳能的间歇性和不稳定性问题。除太阳能热能外，电力、化工、水泥等行业的余热、废热均可作为压缩空气储能系统的外来热源，带储热的压缩空气储能系统具有广泛的应用前景。

综合来看，压缩空气储能技术总体上比较成熟，虽然其能量转换效率不如电池高，但是由于系统储能规模大、平均成本较其他储能电池低，在风力发电、光伏发电等间歇性能源大量发展的背景下，己经获得了全球的广泛认可。目前在全球范围内，美国和德国处于**地位，日本和欧洲紧随其后，中国在新型压缩空气储能领域也取得了重要进展。

基于燃气轮机的压缩空气储能技术在我国难以推广，主要有三大制约因素。首先，我国燃气轮机工业相对落后，尚未完全掌握燃气轮机的核心技术，引进国外技术生产的大型燃气轮机并未获得设计技术，品种单一，价格昂贵。其次，燃气轮机必须烧油烧气，而我国是一个缺油少气的国家。第三，需要大容量的储气装置。随着市场对储能需求的提升，随着我国机械制造业水平的提高，随着天然气使用比例的提高及替代能源的利用，随着人们对大型储气装置资源的关注，这些困难将逐步解决。

4.通过航机改装实现压缩空气储能发电的若干方案如上所述，我国目前还未完全掌握燃气轮机设计的核心技术，电站燃气轮机的制造都是靠引进国外技术，品种规格少，价格昂贵，用户选择的空间有限。然而，我国航空工业多年来为多种型号飞机，批量生产了多种航空发动机，虽然许多都是仿制品，但己经有多年制造和运行经验。其中，涡桨发动机由于是用于驱动飞机螺旋桨的，它能直接输出机械功率，早在上个世纪70年代就开始改造成地面燃气轮机用于发电。由于航机陆用发动机可以采用退役发动机经再制造翻新而成，价格较低。北重厂和航空发动机厂曾合作生产过20多套2000kW航机移动电站YD2000.根据我们的国情，作为起步，可以利用这一款发动机改制成约7600kW压缩空气储能电站。涡桨航机改型发动机除了能烧油之外，可以燃用天然气，石油伴生气、焦炉煤气等多种气体燃料。当然，我国航空工业目前还可以提供其他品种的航机陆用产品，如QD-128等。其实用于压缩空气储能的压气机和膨胀机，你可以有很多选择，如活塞式压缩机和膨胀机，螺杆压缩机和膨胀机等，但相比之下燃机轮机的压气机和涡轮机容量大，效率高，更有优势。下面仅就利用国产涡浆发动机的改装来实现压缩空气储能介绍几个方案。

涡浆发动机地面发电用的机组YD2000原理图见。

（1）性能参数压气机压比：7.45压气机流量：19.54kg/s涡轮机排气流量：20.3kg/s排气温度：原发动机齿轮箱传递的燃气轮机输出功率远小于压气机和涡轮机的功率，所以原齿轮箱不能用。发电机和电动机的转速可以选择3000r/min，新选的齿轮箱功率要大，但速比较小。涡轮机和压气机分开后，各自的转子和机壳要修改设计。

压气机出口装逆止阀，防止停机时压缩空气倒灌流失。在燃烧室前的空气管路上要加装快关阀和调节阀。调节阀用来调节启动升速时所需的空气量。涡轮机和压气机分离后，轴系的转动惯量和阻尼大为减少，机组甩负荷时容易超速，在停机时先关断燃料，再及时关闭调节阀和快关阀。常规的燃气轮机不需要这两个阀，因为他在停机时有压气机这个负载，只要一断燃料，转速下降，空气压力也下降，涡轮机的动力源消失，自然就停机了。

由于有储气装置作为动力源，涡轮机启动十分迅速，他不再像常规燃气轮机那样，要靠启动马达启动。当储气装置空气枯竭时，可以关闭通往储气装置的截止阀，打开通往燃烧室的阀门，开启压气机，如同常规的燃气轮机一样运行，虽然功率仅2000kW了，但还可以起到调峰作用。

发动机经过这样的分解后，由于压气机后的温度，压力损失，及其他附加损失，效率肯定变低。为了提高效率，可以利用近450*C的排气余热，通过回热器，预热进入燃烧室的空气。如所示。

压缩空气式储能发电装置与系统-改装航机系统的新用途带回热器的系统（3）带储热器的无需燃料的压缩空气储能发电系统能否取消燃烧室，不用燃料直接靠压缩空气的能量让涡轮机工作呢，让我们做个简单计算。假设压缩空气温度为20*C，压力为0.7MPa.涡轮机排气压力为O.IMPa.其等熵绝热焓降为125kJ/Kg.如果空气流量取压气机额定流量19.54kg/s，容积流量等于2.3m 3/s，比燃气涡轮机额定容积流量7.5m3/s低很多，即偏离设计点很多，假设涡轮机效率降到0.8，机械效率为0.98，发电机效率为0.97，涡轮机实发功率为1857kW……压缩lkg空气消耗200.7kJ的功，释放lkg空气生产95kJ的功，储能发电效率为0.473.涡轮机排气温度约为-80*C，温度极低，涡轮机排气可以用于制冷。条件是要对涡轮机进行低温强度校核，看能否正常运行。

从储能的角度看，上述方案效率太低。能否提高效率呢，该方案效率低的原因一是空气经压气机压缩后会产生压缩热，但进入储气装置后这部分热量散失了。其次若涡轮机工作点偏离设计点太多，特别是容积流量下降太多，涡轮机效率要下降。计算表明，当进气温度为2（TC时，压比达到7.45时。压气机出口空气温度会升到约287*C，如果我们把这部分热量存到储热器中，待压缩空气释放做工时，再经储热器加热，然后到涡轮机膨胀做功，如此压气机产生的这部分热量就可以得到回收利用。中所示的填充式储热器需要有足够的容积，填充物可以是石子、陶瓷、混凝土等，填充式储热器结构简单，用料普通，运行维护容易。假如涡轮机前温度达到220*C，压力0.7MPa排气压力O.IMPa其等熵绝热焓降为212kJ/Kg.如果进气流量取涡轮机额定流量20.3kg/s时的容积流量7.5m3/s，根据经验，涡轮机容积流量不变则通流效率基本不变，即涡轮机效率可取额定值，实际焓降则为192kJ/Kg，若机械效率为0.98，发电机效率为0.97.在容积流量为7.5m3/s时，涡轮机的质量流量为36.2kg/s，涡轮机实发功率为6609kW.压缩lkg空气的耗能287kJ，lkg空气所发出的功为156kJ，储能发电效率为0.575.涡轮机排气温度约为30.7*C.从以上计算看出，加了储热器后，并保持额定容积流量，储能发电效率由0.473提高到0.575，效率明显提高。

由于充分利用涡轮机通流能力，增加质量流量，使涡轮机出力接近燃气透平的水平。

2013年火电厂污染物净化与绿色能源技术研讨会暨环保技术与装备专业委员会换届（第三届）会议（4）利用太阳能的压缩空气储能发电系统从以上的计算分析看出，膨胀比一定时，涡轮机前温度越高，单位质量空气做功能力越强。通常夜间电负荷低，处于用电低谷，系统吸纳电能，压气机压缩空气储能。白天迎来用电高峰，太阳升起，光照渐强，正好可利用太阳能加热储热器，提高涡轮机前空气温度，从而提高涡轮机出力，增加调峰效果。太阳能集热器分槽式，盘式，塔式等。槽式太阳能集热器比较成熟，集热器温度可达300400*C.盘式的功率较小。塔式太阳能集热器温度可以做得很高，功率也可以做得较大，加热部分是固定的，便于设计，技术上有优越性，但价格较高。如所示，利用太阳能加热水和蒸汽，它的吸热段包括蒸发器和过热器，利用汽包将湿蒸汽汽水分离。将太阳能锅炉生产的饱和水和过热蒸汽分别引入储热器，储热器内设饱和水放热段和过热蒸汽放热段，过热蒸汽放热段置于储热器的高温端，即涡轮机侧，饱和水放热段置于储热器的低温端，即储气装置侧。过热蒸汽和饱和水在储热器冷却后，其凝结水由水泵打入蒸发器加热，产生的湿蒸汽进入汽包，汽水分离，饱和水引入储热器的低温加热段，汽包中的蒸汽进入过热器，然后引入储热器的高温段。水在该系统中是封闭的，只作为加热空气的传热介质，并不直接做功。

假设涡轮机前温度达400*C，压力0.7MPa，排气压力O.IMPa，其等熵绝热焓降为291.6kJ/Kg.实际焓降则为251kJ/Kg.当机械效率为0.98，发电机效率为0.97时，吸纳1度电可发出0.8742度电。额定容积流量7.522m3/s下的质量流量为27.2kg/s.在此流量下涡轮机功率为压缩空气式储能发电装置与系统-改装航机系统的新用途5.小结以上介绍了利用航空发动机基本部套构成压缩空气储能发电系统的几个方案，初步计算了储能效率和输出功率，各有其特点。

加注燃料的系统透平前温度篼，涡轮机出力大，对储气装置容积要求*小。

有储热器的系统可组合不同系统，它不要燃烧室，可回收压气机的排出热量，也可接受太阳能的热量以及其他余热。

总之涡轮机前空气温度越篼，涡轮机做功能力越强，相同功率消耗空气量越少，对储气装置容积要求越低。随着我国电网峰谷电价差的落实，并拉开足够的档次，必将促进压缩空气储能事业的发展。