科學(xué)技術(shù)與工程動力技術(shù)壓縮空氣儲能儲氣裝置發(fā)展現(xiàn)狀與儲能特性分析劉金超1>2徐玉杰1陳宗衍1張新敬1陳海生1譚春青1（中國科學(xué)院工程熱物理研究所\北京100190；中國科學(xué)院大學(xué)2，北京100190）用現(xiàn)狀，包括儲氣裝置的分類、不同類型儲氣裝置的技術(shù)特點及應(yīng)用情況，并詳細分析了儲氣裝置的儲能特性研究為儲氣裝置的設(shè)計選型提供理論。
　　中圖法分類號TK02；標志碼A為了滿足能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國紛紛大力發(fā)展可再生能源，特別是風能和太陽能成為開發(fā)利用的重點E―3.但風能與太陽能存在間歇性和不穩(wěn)定的致命缺陷(defect)，上網(wǎng)過程中容易對主電網(wǎng)的運行方式、電能品質(zhì)等帶來沖擊，增加了電網(wǎng)的調(diào)控（釋義：調(diào)節(jié)、控制）壓力。這種方式被認為是比較經(jīng)濟的儲氣方式，典型結(jié)構(gòu)(的估算成本最低可達2 /kW*h，通常情況下的估計成本為6~10 /kW，h.這種儲氣裝置應(yīng)用較早，1978年德國Huntorf電站使用位于地下600m深處的穹頂狀鹽巖洞存儲壓縮空氣，其設(shè)計儲氣壓力為（4.8 ~6.6）MPa；美國McIntosh壓縮空氣儲能電站同樣使用廢棄的鹽巖洞進行存儲，儲氣室位于地下450 m深處，最高儲氣壓力可達7.5MPa. 1.
　　2. 2硬巖層結(jié)構(gòu)的礦井或洞穴與鹽巖洞結(jié)構(gòu)相比，硬巖層結(jié)構(gòu)的礦井或洞穴抗壓(Compression)強度較高，耐壓能力強和安全(security)性高是它的突出優(yōu)點。缺點是由于巖石堅硬導(dǎo)致施工難度（difficulty)大和施工費用高50一52.研究（research)表明，建設(shè)全新的硬巖層結(jié)構(gòu)儲氣裝置的成本約為30 KkW*h）48，而使用廢棄的硬巖層結(jié)構(gòu)礦井，成本約為10然略高于鹽巖洞結(jié)構(gòu)。美國Ohio州的Norton在建壓縮空氣儲能項目使用位于地下670 m深處的廢棄石灰?guī)r礦井儲存壓縮空氣，洞穴容量為9.6氣壓力為（5.5 1.2.3地下含水層地下含水層是除鹽巖洞外另一種比較經(jīng)濟(jīng jì)的儲氣方式，甚至地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性好的地區(qū)預(yù)期建設(shè)成本科學(xué)技術(shù)與工程14卷會接近或者低于鹽巖洞方式M.并且增加附加儲存容量的成本較為低廉，在井坑足夠的條件下，增加的成本約為。11/（kWMi），比鹽巖洞方式低一個數(shù)量級，比硬巖層方式低兩個數(shù)量級以上6759.它的主要缺點是選址困難和墊氣層耗氣較大。雖然目前還沒有商業(yè)(business)化的含水層儲氣項目，但已經(jīng)存在些研究性項目或建設(shè)中的項目。如意大利Sesta的25MW多孔巖層壓縮空氣儲能系統(tǒng)和美國Iowa州白勺IMAU（Iowaassociationofmunicipalutilities）在建項目M.其中IMAU在建項目使用位于地下279m深度的多孔砂巖結(jié)構(gòu)的斜背層儲存壓縮空氣，建成后將為風電資源豐富的達拉斯地區(qū)風力發(fā)電廠服務(wù)。
　　1.2.4廢棄的天然氣儲氣室或者石油儲氣室這種儲存方式方法是對現(xiàn)有的儲氣室進行改造，改造費用需要預(yù)先評估，通常投資成本不高。但是存在一定的安全隱患，因為原有儲氣室的保護層氣體或者殘余的氣體可能會引起燃燒甚至爆炸。
　　盡管地下儲氣裝置成本優(yōu)勢（解釋:能壓倒對方的有利形勢)明顯，但面臨著選址困難、建設(shè)工程量大、建設(shè)周期長甚至會引起生態(tài)移民等問題，這些限制了它的廣泛應(yīng)用。
　　1.3地面儲氣裝置地面儲氣裝置應(yīng)用靈活，適用于無法建設(shè)地下儲氣裝置或者規(guī)模較小的壓縮空氣儲氣系統(tǒng)。昆山空壓機保養(yǎng)冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經(jīng)過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進行冷卻。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，地面儲氣裝置可以分為儲氣罐、鋼瓶組和儲氣管道三種類型。
　　1.3.1儲氣罐儲氣罐是應(yīng)用最廣泛的地面儲氣裝置，目前常用的結(jié)構(gòu)有圓筒形和球形兩種。是一種典型的圓筒形儲氣罐，由筒體、球形封頭、法蘭、密封元件、底座及安全附件等組成。優(yōu)點是可以實現(xiàn)高壓儲氣和長時間儲氣，通常單臺儲氣罐的設(shè)計直徑小于3m，設(shè)計長度小于20m.球形儲氣罐（）是另種常用的儲氣罐，相比于圓筒形儲氣罐，球形儲氣罐具有單個罐體存儲容量大和單位投資成本低的優(yōu)點，缺點是承壓較低。由于單個罐體容積較大，球形儲氣罐通常在用戶現(xiàn)場進行組裝。
　　1為罐體(Tank)，2為支撐柱，3為人孔，4為拉桿，5為爬梯，6為安全附件球形儲氣罐結(jié)構(gòu)1.3.2鋼瓶組鋼瓶組由數(shù)量較多的單個鋼瓶以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式組成。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。鋼瓶是壓力(pressure)容器的一種，也稱為氣瓶，有焊接、無縫兩種結(jié)構(gòu)，常規(guī)鋼瓶的公稱工作(gōng zuò)壓力在（8~30）MPa，公稱容積(Capacity)為（0.4~80）L，在CNG運輸和儲氣領(lǐng)域應(yīng)用較多。市場上常用的鋼瓶組分為立式和臥式兩種，通過專用鋼瓶支架固定。個完整的鋼瓶組結(jié)構(gòu)包括鋼瓶、鋼瓶支架、閥門、儀表和管路等部件。是種臥式鋼瓶組，采用并聯(lián)方式連接，連接管路為高壓不銹鋼材質(zhì)。鋼瓶組的主要優(yōu)點是使用靈活，可以根據(jù)用戶(user)需要進行布置。不好的地方是進行大容量存儲時的數(shù)量較多，帶來操作控制復(fù)雜和可靠性降低的問題。
　　鋼瓶組形式1為筒體，2為球封頭，3為安全閥接口，4為人孔法蘭，5為氣體進口(import)，6為人口螺栓，7為底座，8為銘牌，9為排污管，10為氣體出口，11為壓力表接口圓筒形儲氣罐結(jié)構(gòu)3管道管道儲氣是使用若干根大口徑、高強度的結(jié)構(gòu)鋼管按照一定間距布置來儲存氣體是一種類35期劉金超，等：壓縮空氣儲能儲氣裝置發(fā)展現(xiàn)狀與儲能特性分析儲氣管道形式Fig.似于氣瓶組結(jié)構(gòu)的管道布置，管道首尾端通過(tōng guò)變徑和彎頭與外部接口連接。這種儲氣方式的優(yōu)點是能夠高壓、大容量儲存，布置靈活、施工方便，采用通用規(guī)格的鋼管則經(jīng)濟性更好，若進行埋地放置，則可以節(jié)省大量的地上空間。缺點是目前在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用較少。管道儲氣方式的應(yīng)用較早，20世紀60年代，美國建設(shè)了一條長度約5.28km的儲氣管道，儲氣壓力6.26MPa，管道材料(Material)為X60系列釩鋼管。由于當時結(jié)構(gòu)鋼管技術(shù)較為落后，使儲氣管道的應(yīng)用受到了技術(shù)限制，盡管如此，人們還是對這種儲氣方式投入了較多的科研精力fo‘65’74|78.79設(shè)計了一種直徑6 
　　M、總長25 km的儲氣管道，能夠滿足8GW*h的壓縮空氣儲能電站使用。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。80設(shè)計了一種承壓大于
　　8. 3MPa的儲氣管道，用于小規(guī)模(guī mó)CAES電站使用。昆山空壓機是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。目前，隨著大口徑管線鋼技術(shù)的快速發(fā)展，鋼管材料的屈服強度得到較大提升，管材壁厚和單位用鋼量最大化減少，工程建設(shè)成本不斷降低，這種類型的材料引起了人們的廣泛(extensive)關(guān)注。目前我國在長輸管道末端和城市輸氣管網(wǎng)中使用X系列管線鋼儲存壓縮天然氣，它具有強度高、韌性高和單位成本低等優(yōu)點60，
　　1. 2CAES儲氣裝置儲能特性分析對于所示的CAES系統(tǒng)(system)，其釋能階段的工作流程是：壓縮空氣從儲氣裝置中釋放，經(jīng)減壓閥降壓后進入燃燒室燃燒吸熱，然后進入膨脹機做功。
　　在這個過程中，儲氣裝置內(nèi)部壓力從初始時刻的儲氣壓力逐漸降低至終了時刻的膨脹機進口額定壓力，當儲氣壓力低于膨脹機進口額定壓力時，儲氣裝置停止輸出氣體，此時釋能過程結(jié)束。因此，實際參與膨脹機做功的壓縮空氣(Basin air)只是儲氣裝置中壓縮空氣的一部分，即釋能階段初始時刻的壓縮空氣內(nèi)能與終了時刻的壓縮空氣內(nèi)能的差值最終參與到能量轉(zhuǎn)換過程。
　　為方便計算，不對釋能階段復(fù)雜的熱力過程作深入研究，視壓縮氣體為理想氣體，忽略管道、閥門處的氣量損失（loss)，不考慮儲氣裝置降壓膨脹過程中的溫度變化（由于釋能過程中，壓縮空氣與儲氣裝置本體及環(huán)境存在較強的熱交換，因此忽略儲氣裝置內(nèi)部溫度變化，視為等溫膨脹過程）、減壓閥前后的溫度變化（減壓閥工作過程為等焓節(jié)流過程，其相對溫度降變化較?。┮约皽p壓閥后壓縮空氣燃燒吸熱的壓力變化。儲氣裝置的性能指標包括儲氣裝置容積(Capacity)、儲氣量和儲能密度，本文重點研究在不同儲氣溫度和儲氣壓力條件下上述性能指標的變化規(guī)律。2.1儲氣裝置容積根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，釋能階段儲氣裝置初始時刻和終了時刻的狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為表示壓力、溫度和質(zhì)量，單位分別為MP
　　A、K和kg；下標s0、si分別表示釋能初始時刻和終了時刻，與Tri相等。
　　式（3）中：Am為經(jīng)過減壓閥降壓后最終參加膨脹機做功的壓縮空氣質(zhì)量，單位kg.根據(jù)膨脹機額定工況下的質(zhì)量流量和釋能工作時間，可以給出Am的計算公式式（4）中：m為膨脹機額定工況下的壓縮空氣質(zhì)量流量，單位kg/s；t為膨脹機釋能工作時間，單位s. 2.2儲氣量儲氣量指儲氣裝置在標準狀況下的實際儲氣體積，單位N*m3.根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可以將儲氣裝置中的壓縮空氣總量折算成標準狀況下的儲氣量。
　　式（6）中：Ps0為p0、Ts.條件下的密度，由理想氣體狀態(tài)方程計算得出。
　　2.3儲能密度（單位:g/cm3或kg/m3)儲能密度是衡量儲氣裝置儲能能力的重要指標，儲能密度按照式（7）計算
　　式（7）中：y為儲能密度（kJ/m3）；E為儲氣裝置中經(jīng)過減壓閥降壓后的壓縮空氣(Basin air)可用能（kJ）；壓力/MPa儲氣量隨儲氣壓力和儲氣溫度（temperature)的變化為儲能密度隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線?？梢钥闯觯?/span>
　?、僭趦鉁囟龋╰emperature)一定的條件下，儲能密度隨儲氣壓力的升高而增大。
　　②在儲氣壓力一定的條件下，儲能密度隨儲氣溫度的升高而減小。
　　③隨著儲氣壓力(pressure)的增大，儲氣溫度對儲能密度的影響程度逐漸增大，對比儲氣溫度293K和353K兩條曲線（Curve），儲氣壓力10MPa時的儲能密度相差約336kJ/m3，而儲氣壓力40MPa時的儲能密度相差約10958kJ/m3.
　?、軆δ苊芏茸畲笾党霈F(xiàn)在儲氣溫度293
　　K、儲氣壓力40MPa時，而最小值出現(xiàn)在儲氣溫度353
　　K、儲氣壓力(pressure)10MPa時。
　　儲能密度隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化從以上分析可以看出，儲氣壓力和儲氣溫度對儲氣裝置性能指標都具有較大影響，相比之下，儲氣壓力影響更大。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。對于系統(tǒng)參數(shù)定的CAES系統(tǒng)，提高儲氣壓力并降低儲氣溫度，能夠顯著減小儲氣氣溫度對儲氣量的影響逐漸減小，以儲氣壓力10MPa為例，儲氣溫度293K時比353K時約增力卩6 217N，m3，而儲氣壓力40MPa時，儲氣溫度293K時的為儲氣量隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線（Curve）?？梢钥闯觯?/span>
　?、賰饬客瑫r隨儲氣壓力和儲氣溫度的升高而減小。
　?、趦鈮毫?pressure)對儲氣量的影響較大，以儲氣溫度293K為例，儲氣壓力10MPa時約是40MPa時的2.6倍。
　?、垭S著儲氣壓力的升高，儲儲氣裝置(Apparatus)容積隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化2.4儲氣裝置性能計算根據(jù)2.1節(jié)~2.3節(jié)的分析結(jié)果，通過計算分析儲氣裝置的性能指標在不同工況下的變化規(guī)律。CAES系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。
　　表1技術(shù)(technology)參數(shù)為儲氣裝置(Apparatus)容積(Capacity)隨儲氣壓力和儲氣溫度的變化曲線?？梢钥闯觯?/span>
　　①儲氣裝置容積受儲氣壓力的影響較大。在儲氣溫度一定的條件下，隨著儲氣壓力的增加儲氣裝置容積逐漸減小。
　?、谠趦鈮毫Γ?0 ~20）MPa范圍內(nèi)，儲氣裝置容積減小的速度相對較快，20MPa之后減小的速度變緩；以儲氣溫度293K為例，儲氣壓力20MPa時的儲氣裝置容積比減小約53m3.
　?、墼趦鈮毫?pressure)一定的條件下，儲氣裝置容積隨儲氣溫度的升高而增大，但影響程度沒有儲氣壓力大。
　　④隨著儲氣壓力的增加，儲氣溫度對儲氣裝置容積的影響逐漸減??；以儲氣壓力10MPa為例，儲氣溫度353K時的儲氣裝置容積比293K時約增加92m3，而當儲氣壓力達到40MPa時，儲氣溫度353K時的儲氣裝置容積比293K時約1委5期劉金超，等：壓縮空氣(Basin air)儲能儲氣裝置發(fā)展現(xiàn)狀與儲能特性分析裝置的容積和增大儲能密度，從而可以解決儲氣裝置占地面積大、單位存儲能量低的問題。但是，儲氣壓力的選擇要合理，并不是越高越好。由于膨脹機進氣壓力受到透平設(shè)備的設(shè)計、加工等因素影響較大，通常不會很高，若儲氣壓力和膨脹機進氣壓力之間的壓差過大，會對CAES系統(tǒng)的總體性能產(chǎn)生較大影響。研究表明，兩者的壓差越大，釋能過程中損失的壓力能越多，系統(tǒng)的熱效率和火用效率越低43.因此，在進行儲氣裝置的設(shè)計計算時，不僅需要綜合考慮儲氣壓力和儲氣溫度的影響，還要考慮儲氣壓力與膨脹機進氣壓力之間的壓差對系統(tǒng)效率的影響。
　　3結(jié)論本文綜述了CAES儲氣裝置的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，并深入研究（research)了儲氣裝置的儲能特性，得出如下結(jié)論：（1）依據(jù)(yī jù)存放位置的不同，儲氣裝置可以分為地下儲氣裝置和地面儲氣裝置。地下儲氣裝置具有存儲容量大和儲氣成本低的突出優(yōu)點，但對地質(zhì)條件的過度依賴限制了它的廣泛應(yīng)用。地面儲氣裝置能夠擺脫地質(zhì)條件的限制，具有寬闊的應(yīng)用前景；氣裝置容積(Capacity)、儲氣量和儲能密度，對這三個指標的主要影響(influence)因素為儲氣壓力和儲氣溫度；儲氣裝置設(shè)計選型時，需要綜合考慮儲氣壓力、儲氣溫度對于儲能特性的影響以及儲氣壓力與膨脹(inflate)機進氣壓力的壓差對系統(tǒng)效率的影響。提高儲氣壓力，可以提升儲氣裝置性能，但儲氣壓力與膨脹機進氣壓力的壓差過大，會顯著降低CAES系統(tǒng)性能。因此，合理選擇儲氣壓力非常重要。