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大容量压缩空气储能关键技术

万明忠 杨易凡 袁照威 侯佑松 邢泰高 陶刚

万明忠, 杨易凡, 袁照威, 侯佑松, 邢泰高, 陶刚. 大容量压缩空气储能关键技术[J]. 南方能源建设, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
引用本文: 万明忠, 杨易凡, 袁照威, 侯佑松, 邢泰高, 陶刚. 大容量压缩空气储能关键技术[J]. 南方能源建设, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
WAN Mingzhong, YANG Yifan, YUAN Zhaowei, HOU Yousong, XING Taigao, TAO Gang. Key Technologies of Large-Scale Compressed Air Energy Storage[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
Citation: WAN Mingzhong, YANG Yifan, YUAN Zhaowei, HOU Yousong, XING Taigao, TAO Gang. Key Technologies of Large-Scale Compressed Air Energy Storage[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003

大容量压缩空气储能关键技术

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
基金项目: 中国能源建设股份有限公司科技项目(CEEC2021-KJZX-04);湖北楚韵储能科技有限责任公司科技项目(HBCY-CN-FW2022-15);中国能源建设集团有限公司工程研究院科技项目(CEECEl-KJ-2022-W01)
详细信息
    作者简介:

    万明忠,1964-,男,学士,正高级工程师,长期从事压缩空气储能技术研究

    袁照威,1988-,男,博士,高级工程师,长期从事储能技术研究(e-mail)zwyuan6276@ceec.net.cn

    通讯作者:

    袁照威,(e-mail)zwyuan6276@ceec.net.cn

  • 中图分类号: TK01;X382

Key Technologies of Large-Scale Compressed Air Energy Storage

图(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-15
  • 修回日期:  2023-09-01
  • 网络出版日期:  2023-12-26
  • 刊出日期:  2023-11-10

大容量压缩空气储能关键技术

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
    基金项目:  中国能源建设股份有限公司科技项目(CEEC2021-KJZX-04);湖北楚韵储能科技有限责任公司科技项目(HBCY-CN-FW2022-15);中国能源建设集团有限公司工程研究院科技项目(CEECEl-KJ-2022-W01)
    作者简介:

    万明忠,1964-,男,学士,正高级工程师,长期从事压缩空气储能技术研究

    袁照威,1988-,男,博士,高级工程师,长期从事储能技术研究(e-mail)zwyuan6276@ceec.net.cn

    通讯作者: 袁照威,(e-mail)zwyuan6276@ceec.net.cn
  • 中图分类号: TK01;X382

摘要:   目的  压缩空气储能作为一种长时储能方式,在削峰填谷、电网调峰、新能源消纳、辅助服务等方面具有广阔的应用空间,对于推动“碳中和、碳达峰”背景下加快推进构建以新能源为主体的新型电力系统具有重要意义。  方法  文章首先从压缩空气储能技术原理、技术分类对压缩空气储能的技术现状进行分析总结;根据已有技术,创造性地提出了中国能建压缩空气储能系统解决方案,即高压热水储热的“中温绝热压缩”技术路线以及低熔点熔盐+高压热水联合储热的“高温绝热压缩”技术路线,并介绍了系统集成及优化、主设备选型、储热介质、储气库、数字化网储协调等技术关键点。最后,围绕2条技术路线,分别介绍了相应的工程案例。  结果  研究表明,需要综合考虑压缩机系统、膨胀机系统、储热系统、储气系统等各系统的物质流、能量流耦合特点,开发适用于压缩空气储能用的压缩机、膨胀机、换热器等关键设备及地下储气库、网储协调等关键技术,进而提升电站转换效率。  结论  通过研究以期为后续开展压缩空气储能电站工程化提供科学参考。

English Abstract

万明忠, 杨易凡, 袁照威, 侯佑松, 邢泰高, 陶刚. 大容量压缩空气储能关键技术[J]. 南方能源建设, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
引用本文: 万明忠, 杨易凡, 袁照威, 侯佑松, 邢泰高, 陶刚. 大容量压缩空气储能关键技术[J]. 南方能源建设, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
WAN Mingzhong, YANG Yifan, YUAN Zhaowei, HOU Yousong, XING Taigao, TAO Gang. Key Technologies of Large-Scale Compressed Air Energy Storage[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
Citation: WAN Mingzhong, YANG Yifan, YUAN Zhaowei, HOU Yousong, XING Taigao, TAO Gang. Key Technologies of Large-Scale Compressed Air Energy Storage[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(6): 26-33. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.06.003
    • 在“碳达峰、碳中和”目标下,加快能源结构转型,推动新能源产业迈向高质量发展,构建以新能源为主体的新型电力系统成为当前的目标[1]。储能是构建新型电力系统的关键技术,能够提供调峰、调频、备用、黑启动、紧急功率支撑等多种服务,是实现“双碳”目标的重要支撑[2-3]。2021年以来,国家及地方政府密集出台300多项与储能相关的政策,为储能产业快速发展提供了指引。

      储能分为机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电磁储能(超导储能、超级电容等)、电化学储能(锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠离子电池等),此外还有储热、储冷、储氢等[4-5]。不同储能技术,在寿命、成本、效率、规模、安全等方面优劣不同。同时,由于具体条件不同,储能目的各有差异,储能方式的选择还取决于对发电装机、储能时长、充电频率、占地面积、环境影响等诸多方面的要求[5-6]

      随着新型电力系统中风电、光伏等新能源装机及电量占比不断提高,电力系统对可靠电力支撑的时长需求增加,长时储能成为未来储能技术发展的主要方向之一[2-3]。在此背景下,压缩空气储能技术(Compressed Air Energy Storage,CAES)作为一种长时储能,具有储能容量大、建设周期短、运行寿命长、安全环保等优点,成为唯一和抽水蓄能媲美的大规模储能技术[7-9]。因此,开展CAES相关技术研究对于实现“双碳”目标具有重要意义。

      围绕着压缩空气储能技术,国内外众多学者开展了一系列研究。梅生伟等[10-11]分析了先进绝热压缩空气储能技术的关键技术问题,在其动态特性基础上,梳理了电站建模、能效提升、运行规划及市场运营等方面的研究现状;陈海生等[12]对压缩空气储能的原理、工作过程、关键技术、发展现状及应用领域进行了详细分析;孙晓霞等[13]分析了压缩空气储能储/释能过程中的压力变化,开展了系统不同运行模式的特性研究。

      文章阐述了CAES技术原理及技术现状,提出CAES系统的解决方案,分析电站关键技术,列出相关的工程案例,以期为CAES技术未来应用提供思路和借鉴。

    • CAES技术是一种在燃气轮机基础上发展起来的物理储能技术,利用低谷电或弃风、弃光电将空气压缩,将电能转化为压缩热能和压力势能,压缩热能存储在储热单元中,压力势能存储在储气库单元中;在用电高峰时,释放储热单元中的热能并加热储气装置中释放的压缩空气,压缩空气驱动透平做功,带动发电机发电,将储热单元中的热能和储气单元中的压力势能转化为电能[14-15]。该过程实现了电能跨时间、跨空间的转移和利用,其主要包含以下系统(图1):

      图  1  CAES技术原理示意图

      Figure 1.  Technical schematic diagram of CAES

      1)空气压缩子系统:其设备主要为压缩机,一般为多级/多段/多缸压缩机带段间冷却装置。

      2)储热子系统:其设备主要为储热设备、换热器设备。通过换热器设备,可以将热流体部分热量传递给冷流体或将冷流体换热到热流体,用于余热回收和利用。

      3)储气子系统:实现压缩空气的存储,包括地下盐穴、地下人工硐室、钢制储气罐或压力管线等,钢制储气罐或压力管线造价较高,其次为人工硐室,地下盐穴投资成本最低。

      4)膨胀发电子系统:其设备主要为膨胀机,一般为多级/多段/多缸透平带段间再热装置。

      5)控制及调度子系统:关键设备的控制系统及各设备之间的调度。

    • CAES技术有多种类型,按照工作介质存储状态分为气态和液态;按照是否需要热源分为补燃式和非补燃式;按照是否利用压缩热分为非绝热式、绝热式和恒温式。不同的标准有不同的分类,主要包括补燃式CAES、绝热式CAES、等温CAES、液态CAES、超临界CAES等[15-16]

      1)补燃式CAES技术

      该技术基于燃气轮机工作原理,在透平入口设置燃烧室,将储气库中的高压空气送到燃烧室,与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压空气,高温高压空气进入透平做功,驱动发电机发电。补燃式CAES技术采用燃料加热空气,增加透平机做功能力,但是燃烧造成环境污染及二氧化碳排放,不符合“双碳”目标;该技术对天然气等燃料有一定的依赖;压缩过程中产生压缩热未得到有效利用,效率较低,多种因素限制该技术的发展。

      补燃式CAES最典型的两个案例是德国Huntorf 电站和美国 McIntosh 电站,二者均通过压缩机级间和级后冷却实现空气冷却,降低压缩机的压缩功,同时在透平装置之前增加燃烧室。McIntosh 电站增加了余热回收装置,降低燃料的消耗量,在同等发电量下,其效率由Huntorf 电站的42%提升至McIntosh电站的54%[8]

      2)绝热式CAES技术

      该技术是将压缩过程产生大量的压缩热进行存储,并利用存储的压缩热加热压缩空气,然后驱动透平做功。整个过程不使用燃料燃烧加热,近似绝热过程。该技术通过对系统压缩热进行回收利用,提高了系统的整体效率,同时压缩膨胀过程中不使用化石燃料,零排放。但由于该过程为近似绝热压缩,对于储热工艺要求较为苛刻,目前实现高温储热较为困难。

      绝热式CAES技术典型案例为德国RWE Power公司提出的ADELE项目,设计效率达到70%,储热温度600 ℃。由于该项目对设备要求较高,高温压力容器的设计、制造较为困难,项目处于论证阶段。

      3)蓄热式CAES技术

      该技术是在绝热式CAES基础上增加了级间热量回收和利用装置,又称为先进绝热CAES技术。储能时,压缩机排放的高温空气与来自低温蓄热器中的冷流体交换热量,并将交换后的热流体存储至高温蓄热器中;释能时,来自储气库的高压低温空气与来自高温蓄热器的热流体交换热量,被加热至高温,进入透平做功。相比于绝热式CAES技术,蓄热式CAES技术储热温度较低,对设备材料要求降低,同时压缩侧功耗降低。但是该系统增加了级间冷却再热装置,增加了系统初始投资。

      蓄热式CAES技术典型案例主要有中国能建某300 MW压缩空气储能项目;河北某100 MW压缩空气储能项目;中盐华能某60 MW压缩空气储能项目等。

      4)等温CAES技术

      该技术是采用液体活塞、液体喷雾、水泡沫等特殊温度控制手段,增大气液接触面积和接触时间,提升气液换热效果,使空气在压缩和膨胀过程中能量损失降到最低,接近等温过程,进而提高系统的整体效率,理论效率在70%以上。该技术无燃烧室和储热装置,但压缩过程中,部分空气易溶解于水中导致部分能量损失[17]

      目前该技术已在美国New Hampshire州和Texas州分别开展1.5 MW/1.5 MWh和2 MW/500 MWh的示范项目。

      5)液态CAES技术

      该技术主要是利用空气的液化相变特性,对压缩空气进行液化处理,存储液化的空气实现能量存储。由于液态空气的密度要远大于压缩空气,液化空气所需要的储存容积将大幅度减小,降低占地面积和系统成本。但压缩空气在液化冷却和气化加热过程中,需消耗部分能量,造成效率有所下降[18]

      英国建成350 kW/2.5 MWh液态CAES示范项目并投入运行,并开展5 MW/15 MWh示范电站;国网江苏建成500 kW液态空气储能示范项目。

      6)超临界CAES技术

      该技术于2009年中国科学院工程热物理所提出,主要是利用压缩空气在高压下处于超临界状态(T>132 K,P>3.79 MPa)的特性,充分结合蓄热和液态CAES技术的优势,具备高能量转化效率和高储能密度的优点。储能时,压缩机将空气压缩成高温、高压空气,通过蓄热换热器,将压缩热储存至蓄热介质中,空气冷却进入蓄冷换热器,将空气降温、液化,存储至低温储罐中;释能时,将低温储罐中释放的液态空气加压后,输送至蓄冷换热器,换热后空气升温至常温并气化,输送至蓄热换热器,对空气进一步加热升温,进入膨胀机做功[7]

      2011年,中国科学院工程热物理研究所在北京建成15 kW样机,并在廊坊建成1.5 MW示范项目,系统效率达52.1%。

    • 通过对CAES技术的分析,国内研究更侧重于非补燃式的技术路线。中国能建结合自身优势,创造性地提出“中国能建压缩空气储能电站系统解决方案”,即高压热水储热的“中温绝热压缩”技术路线以及低熔点熔盐+高压热水联合储热的“高温绝热压缩”技术路线。

      1)“中温绝热压缩”技术路线

      “中温绝热压缩”技术路线示意图如图2所示。储能过程中,空气经过过滤器进入压缩机,压缩机出口高温空气经过气-水换热器换热,冷水被加热至高温热水存储至高温热水罐中,换热后的空气经气液分离器分离后进入下一段压缩机。经过多段压缩、多段冷却后的空气储存至储气库中。随着压缩过程的不断进行,储气库内的压力逐步升高,压缩机末段排气压力也在不断升高。

      图  2  中温绝热压缩技术路线示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of medium temperature adiabatic compression

      释能过程中,储气库中的高压空气经过空气-水换热器进行换热,通过热水储罐中的热水与高压空气进行热交换,换热后的冷水储存在冷水罐中,加热后的空气进入透平做功。通过将压缩过程中的压缩热存储用于膨胀过程中高压空气的加热,冷水、热水在压缩和膨胀过程中循环使用。

      2)“高温绝热压缩”技术路线

      “高温绝热压缩”技术路线示意图如图3所示。储能过程中,空气经过过滤器进入压缩机,压缩机出口高温空气经过空气-熔盐换热器换热,低温熔盐被加热至高温熔盐存储至高温熔盐罐中,高温空气经过高温段换热后温度降低,降温后的压缩空气进入气-水换热器换热,冷水被加热至高温热水存储至高温热水罐中,换热后压缩空气的温度进一步降低,输送至气液分离器后进入下一段压缩机。经过多段压缩、多段冷却后的高压常温空气,储存至储气库。随着压缩过程的不断进行,储气库内的压力逐步升高,压缩机末段排气压力也在不断升高。

      图  3  高温绝热压缩技术路线示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of high temperature adiabatic compression

      释能过程中,储气库中的高压空气推动空气透平做功带动发电机发电。储气库中的高压空气首先经主调阀节流至额定压力或经补气阀补气,以维持透平稳定运行,提高透平做功能力。经过调整后的高压空气进入空气-水换热器,经过热水储罐中的热水对低温高压空气加热,换热后的水储存在冷罐中,在下一个压缩储能过程中循环使用。换热后高压空气加热至一定温度后,进入空气-熔盐换热器,经过高温熔盐储罐中的熔盐对高压空气进一步加热,经过换热后的高压空气转换为高温高压空气进入空气透平做功,换热后的熔盐进入冷熔盐罐进行存储,等待下一次储能压缩过程的进行。待空气膨胀到一定程度后,温度和压力皆有所降低,经过多次换热,高压空气完成多次升温和膨胀做功。

    • CAES关键技术主要包括系统集成及优化技术[19]、主设备的选型及优化技术[20]、多介质宽温域储热技术[21]、地下储气库技术[22-23]、数字化网储协调技术等[24-25]

      1)系统集成化及优化技术:通过对两条工艺技术路线分析,对空气压缩子系统、膨胀发电子系统、储热子系统、储气子系统等进行全流程建模分析,研究各系统变量对电站技术、经济性的影响规律,分析各系统的能耗及㶲损失特点,提出优化方案,提高电站电-电转换效率。

      2)主设备选型及优化技术:在压缩机方面,开展轴流压缩机、离心压缩机及其他形式的压缩机的研究,开发适用于大流量、高压力、高温度、变工况应用场景下的压缩机选型、配置方案、串并联形式等;在空气透平方面,开展多级膨胀中间再热、大比例补气等相关技术,开发适用于大容量、频繁启停等应用场景下的空气透平。

      3)多介质宽温域储热技术:通过数值模拟和物模试验,分析高压气、水和气、熔盐瞬态传热特性,开展适用于工程化推广的高压热水储热系统、熔盐储热系统研究,开发大容量球形高压储热罐、新型翅片管式换热器,有效提升储换热效率,降低工程造价。

      4)地下储气库技术:开展地下盐穴、地下人工硐室等储气技术研究,提供适用于不同项目的地下储气方案。在盐穴方面,实现了大型水平压裂井的利用,并提出超大口径注采井的方案;在人工硐室方面,开展了人工硐室选址、结构、密封、监测等方面的研究[26]

      5)数字化网储协调技术:针对压缩空气储能电站频繁启停的特点,开展设备关键部件寿命分析,并根据压缩机组、空气透平发电机组运行特性,完成电站控制技术研究、仿真系统开发、智能电厂设计,实现了机组一键启停。

    • 目前,围绕着“中温绝热压缩”和“高温绝热压缩”两条技术路线,中国能源建设集团已开展相关示范工程。

      1)湖北某300 MW压缩空气储能电站示范工程

      该工程采用中温绝热压缩技术路线,盐穴储气,储能时长8 h,释能时长5 h,年运行330 d。

      2)甘肃某300 MW压缩空气储能电站示范工程

      该工程采用高温绝热压缩技术路线,人工硐室储气,储能时长8 h,释能时长6 h,年运行330 d。

    • 压缩空气储能具有储能容量大、建设周期短、运行寿命长、安全环保等诸多优点,有望成为未来大规模长时储能的解决方案之一,对于加快推进构建以新能源为主体的新型电力系统具有重要意义。通过以上研究,得到以下结论和认识:

      1)压缩空气储能技术路线多样化且较为成熟,装机规模由kW级向MW级,直至当前300 MW级规模发展,已进入商业化应用阶段,大批项目处于实施或设计阶段。针对压缩空气储能技术,详细分析了不同压缩空气储能技术的原理、优缺点及应用情况,以期为压缩空气储能技术的应用和实践提供技术思路。

      2)中国能源建设集团提出“中国能建压缩空气储能电站系统解决方案”,即高压热水储热的“中温绝热压缩”技术路线以及低熔点熔盐+高压热水联合储热的“高温绝热压缩”技术路线,分析了不同技术路线的原理及当前的工程实践情况。

      3)压缩空气储能未来朝着高效率和低成本方向发展,系统综合效率与各个子系统的效率密切相关,需要从压缩机、膨胀机、储换热装置等关键设备以及各设备集成方向综合研究。同时,随着压缩空气储能技术和设备的迭代优化,系统大规模产业化后的成本可降至5 000元/kW以下或1 200元/kWh以下,同抽水蓄能系统单位成本基本相当。

      4)随着新能源的快速发展,大规模长时压缩空气储能成为关注的热点,但储能的成本回收模式尚未清晰,需综合考虑国家补偿和激励政策、技术创新机制等,促进国家加快完善新型储能价格机制,实现压缩空气储能健康发展。

参考文献 (26)

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