压缩空气储能空气膨胀发电机组技术特点

覃小文 魏小龙 袁晓旭 廖茹霞

(1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000；2.东方电气风电有限公司，四川618000)

压缩空气储能发电技术，是一种高密度、长寿命、高效率、布置灵活[1]的大规模物理储能技术，国际上已有多个补燃型压缩空气储能电站项目投运，其中50 MW以上规模有两个；国内已研发出非补燃压缩空气储能技术，并有两个中试研究装置的运行经验。

本文主要对空气膨胀发电机组技术特点进行研究分析。

1 压缩空气储能基本原理

在用电低谷期间，利用电网的剩余电能驱动电动机，带动压缩机，压缩空气并储存在洞穴或者其他封闭的容器内，在高峰负荷时发电。气体释能时，推动膨胀机做功发电[2]。

按照热源分类，压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类[3]。图1所示为这两种压缩空气储能的基本原理示意图，它们的工作原理虽然各有差异，但都包含电动机、压缩机、膨胀机、发电机和换热器。

目前，用于压缩空气储能系统的空气膨胀发电机组，根据功率等级的不同，机组结构型式也略有区别。随着压缩空气储能系统技术的成熟，对大功率空气膨胀发电机组的需求越来越迫切，不同功率等级对应的膨胀发电机组特点见表1。

2 压缩空气储能的优缺点

压缩空气储能的优点为：不受地理条件限制；无资源约束，工作介质为空气；环境友好；可冷-热-电三联供，综合效率高。

压缩空气储能的缺点为：储能密度低；需要巨大的储气室，选用地下洞穴储气，选址困难。

(a)补燃式

(b)非补燃式

目前国内的空气膨胀发电机组电站基本都建在江苏金坛、安徽芜湖、贵州毕节等地下盐穴资源丰富的地区，或者存在大量弃风电及弃光电能源浪费较大的西北地区。采用地下盐穴储气的方式具有几大优势：技术成熟、储气容量大、系统造价低、抗交变能力强、防渗性好(具有自修复功能)、不占地(对生态环境友好)。考虑到建设、安装周期短的要求，在满足机组运行可靠、检修方便的前提下，结构尺寸应尽可能小，并能整体发货，减少现场工作人员的安装量。

表1 不同功率等级对应的膨胀发电机组特点

3 空气膨胀发电机组对膨胀机的特殊要求

由于压缩空气储能利用和收集峰谷弃电(或化石燃料等)作为能源，需要快速启动和快速升负荷的特点，膨胀发电机应能做到如下几点：

(1)快速启动：启动时间分为冷态启动、温态启动、热态(极热态)，都要求在极短时间内完成(一般不超过20 min)，远远高于常规火电机组或光热汽轮机组启动时间要求。

(2)负荷变化适应性强：要求机组在30%～100%的宽负荷范围内都能安全、稳定运行。

(3)频繁启停：在寿命周期内，每天都能启停。

(4)高效率、稳定性好：循环效率是衡量系统电-电转化效率的重要指标，要求空气膨胀发电机组效率高、稳定性好[4]。

4 空气膨胀发电机组的技术特点

针对空气膨胀发电系统及建造安装对空气膨胀机的特殊要求，本文从热力系统、本体结构、运行方式等方面进行分析。

4.1 热力系统采用的循环形式

以环境空气为工作介质，利用晚上用电低谷的电驱动压缩机，压缩升温升压后的气体，经过换热器冷却，带有压力的空气储存在地下盐穴或储气罐中，换热后的高温气体可储存在导热油或水中(主要视温度确定)，在用电高峰时，将带有压力和温度的气体再次经过换热器换热，达到满足参数要求后的气体进入膨胀机做功，驱动发电机发电，整个循环系统为开式循环，做功后的空气通过管道直接排向大气。

提高主气参数是提高循环效率的直接途径之一。在压力提高的同时采用再热循环，可以显著提高机组的整个循环效率，同时，合理地选取再热压力，提高分缸压力，可以让效率更高的气缸多做功，从而进一步提高循环效率。

4.2 本体结构

4.2.1 5 MW等级空气膨胀发电机组

采用高低压合缸一次再热技术，叶片均设计成反动式高转速，保证各级的速比在最佳范围，提高轮周效率，膨胀机与发电机之间布置齿轮箱，发电机转速选择常规3000 rmin，见图2。

4.2.2 10 MW～100 MW等级空气膨胀发电机组

对于10 MW～100 MW等级机组主气流量显著增加，相对叶高增加，端部二次流损失显著降低，采用3000 rmin设计方案能保证高效运行，综合考虑经济性和成本，我公司10 MW及以上等级空气膨胀机采用3000 rmin(或3600 rmin)单转速设计，不采用齿轮箱结构，见图3。

图2 5 MW空气膨胀发电机组布置示意图

图3 10 MW～100 MW空气膨胀发电机组布置示意图

根据不同功率，空气膨胀机可以选择侧向排气、下排气或者轴向排气的方式，所以发电机与膨胀机的相对位置可调。

4.2.3 100 MW等级以上空气膨胀发电机组

100 MW等级以上的空气膨胀发电机组考虑采用分缸布置，见图4，主要原因有以下几点：

(1)分开布置，可以改变通流部分介质流向，平衡轴向推力。

(2)考虑到转子的自重，轴系不能做得太长，否则转子静止时将因自重过大引起弯曲变形。

(3)空气在高压缸做功完后，体积急剧膨胀，如果采用合缸，为了保证通流面积，低压末级叶片将会很长。

图4 100 MW等级以上空气膨胀发电机组布置示意图

4.3 运行方式

根据储气量的大小，机组可采用滑参数或者定参数运行：

(1)机组运行消耗的气量相对于整个储气库来说(如大型地下盐穴)，空气的压力随着运行的消耗基本能保持不变的情况，可以采用定参数运行，这样能在有限时间内尽可能多做功。

(2)机组运行消耗的气量相对于整个储气库来说(如小型储气罐)，空气的压力随着运行时间不断降低的情况，建议采用滑参数运行，在低负荷运行的时候，适当的降低进气参数，在安全稳定运行的同时，尽可能的保证效率。

5 结语

压缩空气膨胀发电作为一种新的清洁能源技术，在解决电网容量过剩，削峰填谷方面，对未来电力系统和能源网络的建设将起到重要的支撑作用[2]。空气膨胀发电机组作为压缩空气储能系统的重要组成设备，其稳定性、灵活性以及循环效率是影响电站运行和经济效益的几个重要因素。目前国内压缩空气储能技术尚处于摸索阶段，仅有一些示范的实验项目运行，还没有商业化投运的项目，亟待技术不断地创新、寻求突破，可以预测，在不久的将来，随着压缩空气储能技术的愈发成熟，机组的参数、容量都会不断地提高，这将对膨胀发电机组(尤其是膨胀机)的设计和制造水平提出更大的挑战。