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【压缩空气储气罐结构】细说压缩空气储能!

作者:上海市奉贤设备容器厂时间:2018-08-30 17:22浏览次数:
美国能源部前部长、诺贝尔物理学奖获得者朱棣文指出:将储能技术与太阳能技术相结合,其在配电和发电领域的影响或可与当年互联网所造成的颠覆性冲击相媲美。由此可见储能技术对于未来电力和能源系统的重要意义。
压缩空气储能(compressedairenergystorage,CAES)对地理条件无特殊要求,建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当,使用寿命长,储能容量大,是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。
一、压缩空气原理  
压缩空气储能,在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气,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。形式主要有,传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。
压缩空气储能(Compressed-Air Energy Storage, CAES )是指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、沉降的海底储气罐、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。
自1949年StalLaval提出利用压缩空气储能以来,国内外学者进行了大量的研究。目前世界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营。1978年,第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国的亨托夫(Huntorf)诞生。1991年5月第二座电站在美国阿拉巴马州麦金托夫市(Mcintosh)投入运行。
目前关于压缩空气储能系统的形式也是多种多样,按照工作介质、存储介质与热源可以分为:传统压缩空气储能系统(需要化石燃料燃烧)、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。
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。两个动作,充气时储存能量,膨胀时释放能量。
【压缩空气储气罐结构】细说压缩空气储能!
1 温度
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)。
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。
【压缩空气储气罐结构】细说压缩空气储能!
于是在国内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。难度很大,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。
2012年,在国家电网公司的资助下,清华大学作为项目负责单位联合中科院理化所、中国电科院等单位开展了基于压缩热回馈的非补燃CAES研究,并于2014年底建成了世界第一个500kW非补燃CAES动态模拟系统(如图3和图4所示)并成功实现了储能发电。该系统基于多温区高效回热技术储存压缩热并用其加热透平进口高压空气,从而摒弃了欧美现有CAES商业电站天然气补燃的技术路线,实现储能发电全过程的高效转换和零排放。该系统电换电实验效率高达40%。此外,若考虑利用压缩热对外供热(80℃)以及透平的低温排气供冷(3℃),其冷热电综合利用效率将达72%。未来若采用高温的蓄热介质提高回热温度,系统的能量综合利用效率有望达到80%以上,其中电换电效率超过50%。
【压缩空气储气罐结构】细说压缩空气储能!
2 压力  
与温度相比,压力的影响更加多元。压缩阶段,压力越高,同等温度下空气密度越大,同等体积的储罐储存的空气量更多,储能密度更高;膨胀阶段,初始入口压力越高,出口压力越低,有用功输出越高。       【压缩空气储气罐】空压机节能原理
能不能只使用一台压缩机?比如从1个大气压直接压缩到100个atm?膨胀过程从40个atm膨胀到1atm?理论上可以,但如果这么做,系统电-电转换效率会低的不忍直视!如何解决这一问题?热力学给出的指引是多级压缩,中间冷却,可显著降低压缩过程中的电力消耗;多级膨胀,中间加热,可显著增加膨胀过程中的发电量,综合起来,储电效率必然显著提高。
 

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