中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：可再生能源生產(chǎn)的“綠電”具有極大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的沖擊。儲(chǔ)能是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段，近年來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)極為迅猛。在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具備大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的特征和潛力，可規(guī)?；{新能源電力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、釋能時(shí)間長(zhǎng)、啟動(dòng)速度快、運(yùn)行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是除抽水蓄能外唯一能滿足大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能技術(shù)，可豐富儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成，緩解儲(chǔ)能裝機(jī)的不足。
最初的壓縮空氣儲(chǔ)能采用補(bǔ)燃技術(shù)，透平做功環(huán)節(jié)需消耗天然氣，產(chǎn)生污染物及二氧化碳。隨著碳減排理念的深入，非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)飛速發(fā)展，我國(guó)建立了多個(gè)非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程，其中江蘇金壇60MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站是目前世界最大的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能商運(yùn)工程，創(chuàng)造了很多的業(yè)界奇跡。目前，非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能正朝著更大的容量方向發(fā)展，在建及擬建多個(gè)300 MW級(jí)工程。大容量壓縮空氣儲(chǔ)能在工藝流程、控制策略、調(diào)節(jié)方案和系統(tǒng)效率方面與現(xiàn)有規(guī)模的儲(chǔ)能電站相差很多。因此，需要一篇綜述文章歸納總結(jié)各階段壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)和壓縮空氣儲(chǔ)能工程的發(fā)展歷程，為壓縮空氣的后續(xù)發(fā)展指明方向。
1 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及工程
補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能釋能環(huán)節(jié)的工作過(guò)程與燃?xì)廨啓C(jī)相似：壓縮環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高壓空氣進(jìn)入到燃燒室供天然氣燃燒，生成的高溫?zé)煔膺M(jìn)入透平做功。工藝流程如圖1所示。
1978年商投的德國(guó)Huntorf電站是最早的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站，至今仍在運(yùn)行。其壓縮機(jī)兩級(jí)串聯(lián)布置，注氣時(shí)功耗60MW，時(shí)長(zhǎng)為8 h。壓縮空氣儲(chǔ)存在地下600 m深處的天然洞室內(nèi)，最高存儲(chǔ)壓力為10 MPa。其廠址及機(jī)組照片如圖2所示。
美國(guó)的McIntosh補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站于1991年投入商運(yùn)。壓縮機(jī)組功耗50MW；儲(chǔ)氣洞穴位于地下450 m深處，額定壓力為7.5 MPa；燃?xì)馔钙桨l(fā)電功率為110MW。其廠址及機(jī)組照片如圖3所示。
2 傳統(tǒng)非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及工程
補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功率較大的優(yōu)點(diǎn)。谷電時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行儲(chǔ)能，峰電時(shí)燃?xì)馔钙讲⒕W(wǎng)發(fā)電，利用峰谷電價(jià)差為企業(yè)帶來(lái)了豐厚的利潤(rùn)。但是補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能釋能時(shí)需消耗天然氣，產(chǎn)生污染物和二氧化碳，故不是當(dāng)今壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的首選方案。以我國(guó)為主導(dǎo)的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是目前壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展方向和潮流，主要技術(shù)包括蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)等。
蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能是技術(shù)最為成熟、最具大容量長(zhǎng)時(shí)發(fā)展?jié)撡|(zhì)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，是目前壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的主流技術(shù)，其技術(shù)路線如圖4所示。與傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相比，蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)增加了儲(chǔ)換熱環(huán)節(jié)和相應(yīng)系統(tǒng)。儲(chǔ)能時(shí)，壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱由壓縮側(cè)的換熱器回收。換熱工質(zhì)根據(jù)壓縮參數(shù)的高低可為導(dǎo)熱油、熔鹽、高壓水或熔鹽加高壓水。儲(chǔ)能環(huán)節(jié)產(chǎn)生的壓縮熱隨工質(zhì)儲(chǔ)存于高溫儲(chǔ)罐中，壓縮空氣儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了壓縮熱能和壓力勢(shì)能的解耦存儲(chǔ)。釋能時(shí)，儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入透平前先經(jīng)過(guò)透平側(cè)換熱器加熱，該熱量取自壓縮過(guò)程儲(chǔ)存的壓縮熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮熱能和壓力勢(shì)能的耦合發(fā)電。
我國(guó)的蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能工程的容量經(jīng)歷了由小到大的發(fā)展歷程。2014年清華大學(xué)等單位在安徽蕪湖建成了世界首臺(tái)500 kW蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程，通過(guò)高效回?zé)峒夹g(shù)儲(chǔ)存壓縮熱并用其提高透平入口溫度以提高效率（可達(dá)40%），實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程燃料的零消耗以及污染物和二氧化碳的零排放。系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。
中科院工程熱物理所于2013年在河北廊坊建成了1.5MW級(jí)非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程。該項(xiàng)目順利完成了168 h運(yùn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)預(yù)期水平。中鹽江蘇金壇60MW級(jí)非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站于2021年9月30日成功并網(wǎng)，是目前世界最大的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電站，被譽(yù)為當(dāng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)“前沿的前沿”。其工藝系統(tǒng)如圖5所示。
壓縮系統(tǒng)由3級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)組成，末級(jí)壓縮機(jī)出口壓力11～12MPa。壓縮機(jī)為沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)為齒輪組裝式。前兩級(jí)壓縮機(jī)采用高壓比設(shè)計(jì)，出口空氣溫度約350℃，壓縮熱經(jīng)導(dǎo)熱油回收供空氣透平入口空氣加熱用；末級(jí)壓縮機(jī)采用低壓比設(shè)計(jì)，保證壓縮機(jī)組出口壓力始終處于鹽穴工作壓力范圍之間，但由于出口溫度較低，故壓縮熱難以回收，由開(kāi)式水帶走。壓縮機(jī)組工作時(shí)定頻運(yùn)行，隨著儲(chǔ)氣室壓力的升高，首級(jí)壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉負(fù)向旋轉(zhuǎn)改變壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，保證總壓比增加的同時(shí)流量不變。壓縮機(jī)組每次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)8 h，充分利用谷電時(shí)段；年啟停超300次。其現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6（a）所示。
末級(jí)壓縮機(jī)出口的高壓空氣經(jīng)開(kāi)式水冷卻后存儲(chǔ)于地下鹽穴，鹽穴容積22.4萬(wàn)m3。壓縮機(jī)級(jí)間換熱器采用發(fā)卡式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)全程逆流換熱，有效降低了換熱面積，如圖6（b）所示。換熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，熱端溫度可達(dá)330℃，保證壓縮熱的高品位回收。但導(dǎo)熱油價(jià)格昂貴，大幅增加了儲(chǔ)換熱系統(tǒng)的初投資。面對(duì)更大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其儲(chǔ)換熱介質(zhì)的選擇應(yīng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)比和全面評(píng)估。
膨脹系統(tǒng)由2級(jí)空氣透平串聯(lián)組成，將高壓空氣的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，每次工作5 h，基本覆蓋了用電高峰時(shí)段?？諝馔钙接蓶|方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，其現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6（c）所示。為了提高儲(chǔ)氣室的儲(chǔ)能密度，并保證儲(chǔ)氣室的結(jié)構(gòu)安全，儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣溫度不能太高，通常為30～40℃。該溫度的空氣做功能力較低，故進(jìn)入透平前需加熱，正好可利用回收的壓縮熱。加熱后空氣透平入口溫度可達(dá)320℃，空氣的做功能力大幅提高。
3 新興的大容量長(zhǎng)時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及工程
隨著新能源電力的高速發(fā)展，以及能源戰(zhàn)略的綠色低碳理念，儲(chǔ)能容量會(huì)顯得越發(fā)不足，因而發(fā)展大容量長(zhǎng)時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及工程是當(dāng)務(wù)之急。目前，蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能的容量發(fā)展到了300 MW等級(jí)。我國(guó)在該領(lǐng)域處于技術(shù)及工程領(lǐng)先地位，在建和擬建多個(gè)工程。大容量壓縮空氣儲(chǔ)能并不是小容量的簡(jiǎn)單疊加，眾多核心設(shè)備需重新設(shè)計(jì)，需突破許多技術(shù)壁壘。
壓縮機(jī)是壓縮空氣儲(chǔ)能工程的核心設(shè)備之一，為了保證谷電時(shí)段的大規(guī)模儲(chǔ)能，并減少壓縮機(jī)的列數(shù)，需要大容量壓縮機(jī)。如采用單列布置，將給壓縮機(jī)的制造帶來(lái)極大的困難，雖技術(shù)可行但無(wú)工程應(yīng)用，故目前的300MW等級(jí)壓縮機(jī)均采用雙列布置方案。
大容量空氣透平的制造技術(shù)比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)單列布置。隨著儲(chǔ)氣室壓力的降低，為了維持額定輸出，空氣透平需通過(guò)配氣機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣室壓力變化范圍內(nèi)的額定輸出。此外，空氣透平還應(yīng)能響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷需求，具有部分超發(fā)和低負(fù)荷輸出的能力。
傳統(tǒng)的儲(chǔ)能透平（燃?xì)廨啓C(jī)）通過(guò)儲(chǔ)氣室出口節(jié)流閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量：隨著儲(chǔ)氣室壓力的降低，節(jié)流閥逐漸開(kāi)大維持透平額定入口壓力和額定進(jìn)氣量。但是該調(diào)節(jié)方式始終存在節(jié)流損失，效率較低。為了減少節(jié)流損失，滑壓運(yùn)行方式應(yīng)運(yùn)而生。透平入口無(wú)節(jié)流閥，無(wú)節(jié)流損失，進(jìn)氣量隨儲(chǔ)氣室壓力變化。但滑壓運(yùn)行方式下透平時(shí)刻處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，會(huì)帶來(lái)汽輪機(jī)內(nèi)效率的降低，因而為了提高滑壓效率，汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)需經(jīng)過(guò)系統(tǒng)評(píng)估后確定。
大容量天然儲(chǔ)氣室是大容量壓縮空氣儲(chǔ)能工程興建的必備條件。小容量壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)氣室可采用人工儲(chǔ)罐，其投資尚在可接受范圍內(nèi)，而300 MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能工程的儲(chǔ)氣室需幾十萬(wàn)立方米，采用人工儲(chǔ)罐的高昂成本使得該方案不具備經(jīng)濟(jì)可行性。
300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)有2種技術(shù)路線———中溫方案和高溫方案。
中溫路線的壓縮系統(tǒng)和透平系統(tǒng)如圖7所示。壓縮機(jī)雙列布置，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣壓力，每列壓縮機(jī)由4級(jí)串聯(lián)組成，這樣每級(jí)壓縮機(jī)的出口溫度只有約200℃，可采用高壓水冷卻，儲(chǔ)換熱系統(tǒng)的投資大幅降低。高壓水的壓力為約1.0 MPa，吸收壓縮熱后溫度升高存于儲(chǔ)熱罐內(nèi)，供透平工作時(shí)使用。
通常，高壓水加熱后的溫度比壓縮機(jī)出口溫度低約10℃，這樣壓縮熱的品質(zhì)不會(huì)降低很多，所需的換熱面積也不是很大。透平工作時(shí)，儲(chǔ)氣室的空氣在進(jìn)入透平前由高壓水加熱，合理的換熱溫差也為約10℃，這樣透平的入口溫度約170℃。需要指出的是加熱透平空氣的熱量小于壓縮熱，故小部分壓縮熱不能被利用，由開(kāi)式水帶走排入大氣。
故目前的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在壓縮熱深入利用方面存在優(yōu)化空間，可通過(guò)附加有機(jī)朗肯循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但具體的投資回報(bào)率需經(jīng)詳細(xì)論證。在不引入附加循環(huán)，不增加能量利用場(chǎng)景的條件下，該中溫路線的電到電轉(zhuǎn)化效率為約69%。
隨著制造工藝的提高和設(shè)備成本的下降，壓縮空氣儲(chǔ)能肯定是朝著更大容量、更高參數(shù)、更佳效率的方向發(fā)展，限制壓縮空氣儲(chǔ)能大容量發(fā)展的“瓶頸”———大功率壓縮機(jī)制造困難、大容量?jī)?chǔ)氣室選址受限、高溫儲(chǔ)換熱工質(zhì)的高昂成本、大功率空氣透平的靈活調(diào)功———必將得到解決。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)介紹了壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程———補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能商運(yùn)工程、小容量蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程、液態(tài)和等溫等其他小容量壓縮空氣儲(chǔ)能示范試驗(yàn)、中容量蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能商運(yùn)工程（江蘇金壇60 MW級(jí)非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能工程）和300 MW級(jí)大容量壓縮空氣儲(chǔ)能商運(yùn)工程，介紹了各個(gè)路線的工藝系統(tǒng)，指明了技術(shù)特點(diǎn)。
由于技術(shù)和投資原因以及政策導(dǎo)向，大容量蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能得到了格外重視，處于快速發(fā)展階段。其設(shè)計(jì)電到電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到約70%，但考慮到啟停過(guò)程及未來(lái)電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能透平發(fā)電響應(yīng)的更高標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際運(yùn)行效率可能會(huì)大幅降低。隨著關(guān)鍵組件制造能力的提升、設(shè)備及工質(zhì)投資的降低和關(guān)鍵技術(shù)的解決，高溫路線必然是壓縮空氣儲(chǔ)能未來(lái)發(fā)展的主流。此外，壓縮空氣儲(chǔ)能在壓縮熱利用方面和外部熱源引入方面存在著較大的優(yōu)化空間，未來(lái)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)必將朝著更大容量和更高參數(shù)的方向發(fā)展，并與“風(fēng)光”和廢熱等多種熱源高效耦合，實(shí)現(xiàn)電熱冷等綜合能源應(yīng)用場(chǎng)景。
