【壓縮機網(wǎng)】近日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(cháng)沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )儲能應用分會(huì )聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長(cháng)沙）電池博覽會(huì )暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應用大會(huì )在長(cháng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì )主題是“新能源、新機遇、新高度”。

　　會(huì )議期間，組委會(huì )邀請到西安交通大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院王煥然分享了《抽水壓縮空氣儲能技術(shù)》的主題報告，本文節選了發(fā)言的主要內容。

　　王煥然：各位專(zhuān)家，大家好。因為疫情，我不能親臨現場(chǎng)匯報給大家，所以只能從線(xiàn)上匯報了。我匯報的題目是：抽水壓縮空氣儲能技術(shù)，報告人王煥然，來(lái)自西安交通大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院。匯報分四部分進(jìn)行，一是背景介紹，二是現有壓縮空氣儲能技術(shù)存在的問(wèn)題。三是抽水壓縮空氣儲能技術(shù)。四是應用方案。

　　背景介紹。2020年習總書(shū)記提出了碳達峰碳中和的戰略總目標，意味著(zhù)“十四五”乃至更長(cháng)一段時(shí)間，超常規發(fā)展光伏和風(fēng)電等可再生能源是實(shí)現“3060”目標的必然選擇。圍繞著(zhù)以新能源為主的電力系統的構建，探索研究?jì)δ芗夹g(shù)，推廣儲能技術(shù)和新能源與常規能源協(xié)同發(fā)展，安全有序的推動(dòng)儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保證電力系統的靈活性和安全性，是目前或者今后長(cháng)時(shí)期面臨的重要任務(wù)和課題。到目前為止，電能大規模儲能技術(shù)仍然是世界性難題，表現在以下幾個(gè)方面：儲能時(shí)間要長(cháng)，規模要大，儲能系統效率高、儲能成本要低和建設周期要短，還要綠色環(huán)保，所有這些加起來(lái)導致這個(gè)問(wèn)題到目前為止沒(méi)有根本性解決，它還是一個(gè)難題。

　　西安交通大學(xué)始終致力于儲能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化方面的研究，現在國內成立了第一個(gè)儲能專(zhuān)業(yè)，我們也是首批成立了國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng )新平臺?，F在我們的目標就是提高儲能效率，降低儲能成本，這是我們的一個(gè)目標。我們的策略是充分發(fā)揮現有儲能技術(shù)的特點(diǎn)，摒棄它的缺點(diǎn)，把優(yōu)點(diǎn)保留，針對儲能技術(shù)所在區域的場(chǎng)景，我們定制相應的儲能方案，達到上述目標。我們的成果是壓縮空氣儲能，我們用壓縮空氣儲能與抽水壓縮空氣儲能的有機融合技術(shù)，為此我們發(fā)明了50多項專(zhuān)利，有幾十篇SCI論文，其中有多篇ESCI論文。另外，我們針對不同的工業(yè)應用場(chǎng)景建立了相應的儲能技術(shù)方案。

　　首先介紹儲能，儲能分兩部分，一部分物理儲能，一部分化學(xué)儲能，我們最關(guān)注的是物理儲能里抽水蓄能和壓縮空氣儲能，這兩個(gè)技術(shù)相對比較成熟。目前，國內抽水蓄能設計技術(shù)比較成熟，施工技術(shù)和管理經(jīng)驗都比較豐富，所以國內目前開(kāi)展了很多抽水蓄能電站建設，但是它的投資大，建設周期長(cháng)，所以短時(shí)間內不能適配目前階段的可再生能源發(fā)展需求。壓縮空氣儲能正好具備環(huán)保性和建設周期短的特性，所以目前國內外把這個(gè)事情視為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

　　我們把壓縮空氣儲能凝練成了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，把壓縮和冷卻器做了一個(gè)模塊，從模塊中我們可以看出來(lái)，在壓縮空氣儲能過(guò)程中， 隨著(zhù)壓比的增加，可用能效率是降低的過(guò)程，這里邊熱能占的部分越來(lái)越大，這個(gè)系統的損失也在略微增大，隨著(zhù)壓比的增加，壓縮熱占總能耗的比例增加。冷卻過(guò)程中氣體的溫度將被消耗一部分  （可用能），就是熱能部分的  ，轉化效率相對較低。

　　1978年，德國Huntorf電站建了壓縮空氣儲能電站，也是第一個(gè)商業(yè)運行電站，具有完整的實(shí)驗數據。這個(gè)實(shí)驗電站的特點(diǎn)是處在鹽穴中，進(jìn)鹽穴的空氣要被冷卻，但一般不超過(guò)80度，100度以?xún)?。發(fā)電的時(shí)候，壓縮空氣直接與燃氣混合燃燒加熱，然后高溫混合氣通過(guò)透平發(fā)電，這個(gè)加熱溫度大概是600度到650度左右。美國壓縮空氣儲能電站的發(fā)電功率是110兆瓦，實(shí)現連續發(fā)電26個(gè)小時(shí)，電站利用燃氣輪機進(jìn)行了改進(jìn)，跟Huntorf電站一樣，直接冷卻到100度以?xún)?，然后發(fā)機組系統做了改進(jìn)，把尾氣通過(guò)一個(gè)回熱器進(jìn)行回收再排空，鹽穴中的壓縮空氣首先被回熱器加熱之后再進(jìn)入燃燒器，這個(gè)系統效率直接提到了54%。如果不考慮補燃的情況，其循環(huán)效率才達到25%，而剛才那個(gè)系統如果不考慮燃料加熱，其系統效率只有20%。所以這是我們特別要注意的一個(gè)問(wèn)題。

　　我們看看現在比較流行的另外一個(gè)叫先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能，它規避了上面的兩個(gè)系統的缺點(diǎn)，把壓縮熱進(jìn)行回收，發(fā)電的時(shí)候再把儲存熱量回熱到系統中，從熱力學(xué)第一定律上講這個(gè)系統效率還是比較好的，但在改系統中它增加了多級換熱及儲熱放熱，系統不可逆損失增加。我們對Huntorf電站有一個(gè)詳細的分析結果，表明經(jīng)過(guò)  分析結果，Huntorf電站各部分  損失進(jìn)行一個(gè)對比，主要  損失發(fā)生在燃氣透平尾氣、燃燒室、換熱器和壓縮機，透平、節流閥的  損失相對較小，換熱器和冷卻器里的  損失占總體損失的19%，還是比較大的，是除了燃燒室和尾氣之外的最大的一個(gè)  損失來(lái)源，除了這一部分，壓縮空氣壓縮過(guò)程中的發(fā)熱還有問(wèn)題，這是根源，下面我進(jìn)一步分析這個(gè)事情。

　　一個(gè)傳統壓縮空氣儲能，電能在轉變壓力勢能的時(shí)候通過(guò)壓縮機，我這里邊熱能沒(méi)被回收，直接排空了，所以沒(méi)被利用。另外一個(gè)方面，我用天然氣進(jìn)行捕捉或者用煤進(jìn)行捕捉，傳統壓縮空氣儲能的原理就能看得很清楚了，如果不補燃，系統效率一定不會(huì )高，因為壓縮熱實(shí)際上占比非常大，占壓縮機驅動(dòng)功率百分之六十多，而電能是優(yōu)質(zhì)能源，一旦轉變成熱能之后，被轉變電能的部分應該很少，尤其是儲熱的時(shí)候不可能太高。先進(jìn)絕對壓縮空氣儲能，如果把這個(gè)熱回收起來(lái)儲存，在熱量?jì)Υ孢^(guò)程中   損失非常大。我再把儲熱回到膨脹系統中發(fā)電，這樣還會(huì )造成很大的損失，實(shí)際上這里面整個(gè)系統效率是非常有限的。

　　正是因為它存在壓縮熱，這也是壓縮空氣儲能的一個(gè)固有缺陷，它能不能解決呢？我們提出了一種新的技術(shù)叫抽水壓縮空氣儲能技術(shù)。我們的研究思路是這樣的，針對傳統壓縮空氣存在的問(wèn)題，我們提出要想使這個(gè)系統將來(lái)實(shí)現商業(yè)化必須解決兩個(gè)問(wèn)題高效和低儲能成本，我們必須重新構造壓縮空氣儲能系統，這個(gè)系統構造的時(shí)候一定要結構簡(jiǎn)單，等溫壓縮，非絕熱膨脹。因為目前的設備不能滿(mǎn)足這一要求，所以我們要研究專(zhuān)用的設備，這個(gè)專(zhuān)用設備一定要保證結構簡(jiǎn)單可靠，還要確保過(guò)程高效。這樣完成之后，現有的物理儲能問(wèn)題有可能會(huì )解決掉。我們的思路是這樣的，比如抽水蓄能規模大，效率高，不需要燃料，同樣壓縮空氣儲能規模也大，不受地理限制，建設周期短，單位造價(jià)比抽水蓄能相對低，但它的密度又比抽水蓄能高，能不能把這兩種技術(shù)融合起來(lái)，然后把它的優(yōu)點(diǎn)保留，把缺點(diǎn)去除掉。我們是基于這種想法提出的。抽水蓄能的原理就是實(shí)際上就是一個(gè)低位水庫，一個(gè)高位水庫，讓水輪機放在低位水庫上面，從物理本質(zhì)上講就是把這個(gè)高位水庫水位勢能轉變成水輪機進(jìn)出的壓差。同樣，如果我們構建一個(gè)系統，這個(gè)系統的水輪機進(jìn)出口壓差跟抽水蓄能水輪進(jìn)口處壓力差完全一樣，流量也一樣，意味著(zhù)這兩個(gè)系統完全是等效的。為此，我們構建了抽水蓄能物理模型，假如這里是50個(gè)大氣壓，相當于有500米水頭，發(fā)電時(shí)候有500米一個(gè)落差，這是我們做抽水蓄能的一個(gè)最基本的思路。

　　怎樣構成真正一個(gè)儲能系統呢？我們發(fā)明了恒壓型抽水壓縮空氣儲能系統，核心就是水氣共容原理，其核心我們叫水氣共容艙，高壓空氣作用于水氣共容艙內的水，實(shí)際上空氣是恒壓的高壓空氣。其中的抽水蓄能的部分，水輪機和水泵的工作介質(zhì)是水，它這里不會(huì )發(fā)熱，可以在設計工況下運行，這個(gè)系統效率一定是比較高的。怎么保持水氣共容艙壓力恒定呢？實(shí)際上這里邊就耦合了一個(gè)壓縮空氣儲能系統，這個(gè)系統跟傳統系統不一樣，這是個(gè)閉式的系統，不是開(kāi)放的。在抽水蓄能的時(shí)候，為了保持水氣共容艙壓力恒定，把多余的氣體抽到高壓儲罐里。同樣在勢能過(guò)程中，隨著(zhù)水位的降低，為了保持水氣共容艙壓力恒定，我們必須通過(guò)高壓儲氣罐的高壓空氣不斷補充，這樣我們就完成了兩個(gè)抽水蓄能和壓力空氣儲能的一個(gè)復合。如果抽水蓄能這一塊高效，我們能把壓縮空氣儲能這一塊也保持高效，問(wèn)題就解決了。在增壓部分，我要讓壓縮空氣盡可能少發(fā)熱甚至不發(fā)熱，這就是我們的設計思路。如果這樣，這個(gè)系統一定是高效的。在能量轉換方面，把電能轉變成壓力勢能，不在外面補熱了，這樣系統可以做得簡(jiǎn)單，理論上可以做得高效。

　　這里邊有一個(gè)問(wèn)題必須解決，在高壓狀態(tài)下水氣會(huì )不會(huì )溶解？如果水中溶解大量空氣，原理雖很好，但對水輪機會(huì )有傷害？為此，我們利用狀態(tài)方程和分子動(dòng)力學(xué)模型研究了水氣溶解過(guò)程以及擴散過(guò)程，用兩三年把這事情徹底搞明白了，找到了解決方案。抽水和放水的時(shí)候會(huì )不會(huì )對水氣共容艙內部環(huán)境進(jìn)行傷害呢？我們進(jìn)行了一系列仿真研究，不同進(jìn)水和出水管道的布置方式。這個(gè)過(guò)程就是研究在抽水過(guò)程中會(huì )不會(huì )對水面氣體進(jìn)行卷吸，把這個(gè)過(guò)程都研究了，怎么減少這個(gè)氣泡的裹脅，我們研究了其特性。把這事情搞明白之后，我們建立了一個(gè)實(shí)驗驗證平臺，系統中的高壓氣罐，用的是個(gè)6兆帕，這里是叫水氣共容艙，用的是4兆帕。在這個(gè)系統中，水輪發(fā)電是水泵和水泵機組，是4兆帕的，我們在實(shí)驗室模擬400米水頭，水頭是可以任意調節的。驗證結果是比較滿(mǎn)意的，通過(guò)了陜西省科技廳在2020年4月份組織的一個(gè)成果鑒定及現場(chǎng)的演示。結論：第一，該系統具有較高的電電轉化效率。第二，系統的響應特性比較好，可以達到45秒。第三，實(shí)驗結果提示我們，可以設計等溫壓縮機，我們現在已經(jīng)完成了設計，并且在測試中。

　　解決了電站轉運效率的問(wèn)題，還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)解決，即怎么降低儲能成本？我們針對不同的環(huán)境，設計了不同技術(shù)方案。這里面有一個(gè)水池水泵和水輪機，也可以是水泵水輪機，同樣用我們的這個(gè)思路，我們設計了一個(gè)透平，非絕熱膨脹，比如可以吸收部分增壓機的壓縮熱。目前，我們設計的這個(gè)系統儲氣壓力是8兆帕，膨脹性入口壓力10兆帕，水槽100米，用水量是1.16萬(wàn)平方米，比較大。儲氣罐的容積是2100立方米，這個(gè)系統我們可以做到2兆瓦/4兆瓦時(shí)，目前還沒(méi)有這種儲能系統，所以我們這個(gè)系統申請了發(fā)明專(zhuān)利，這個(gè)系統的效率接近70%了。

　　我們還在光伏基地做了一個(gè)儲能系統，同樣有儲氣罐，高壓儲氣庫，低壓儲氣罐，有等溫壓縮機，膨脹機。我們設計了一個(gè)小的系統，就是將光伏熱通過(guò)壓縮空氣給它進(jìn)行加熱高壓空氣，太陽(yáng)能加熱之后進(jìn)入透平，我把透平尾氣的排熱量再通過(guò)一個(gè)回熱器，再排一下低壓出去灌，為了保持恒力壓力，啟動(dòng)水輪機發(fā)電，這就是整個(gè)系統的工作原理。目前做到1.1兆瓦和1兆瓦時(shí)的規模，效率做到71%，這是給光伏電站做的方案。另外一個(gè)是我們專(zhuān)門(mén)為煤礦設計的，完成了科研報告，規模做到110兆瓦和900兆瓦時(shí)。我簡(jiǎn)單介紹一下，很多煤礦在地下機房有一個(gè)水艙，也叫應急水庫，挖煤的時(shí)候萬(wàn)一有多余透水就儲存在這個(gè)地方，關(guān)停的煤礦我可以利用這部分，利用的時(shí)候我們把這個(gè)作為一個(gè)儲水倉，低位水庫，地面挖了一個(gè)高位水庫，這樣我可以建一個(gè)抽水蓄能系統，就跟我們現在有的抽水蓄能系統一樣，只不過(guò)就是我把這個(gè)低位水庫放在地下了，水輪機和水泵都被安裝在地下。同樣我們把煤礦的地下空間劃分了一下，對主道進(jìn)行封閉，它的密封性和安全性都比較有保證，然后把它作為空間。目前我們沒(méi)利用采空區。這個(gè)礦深是592米左右，我這個(gè)地下水艙體積只有一萬(wàn)多方，因為它的主巷道有上山通道，相當于有傾斜度，為了充分利用它，我把地下封閉空間，深度大約是600米，這它和地面水庫進(jìn)行連通，我保證這個(gè)空間的容積是可變的，有條件保證這個(gè)空間壓力恒定。

　　同樣是用我們研制的等溫壓機組，解決了現有壓縮空氣儲能的另外一個(gè)缺陷，即閉口缺陷，容積不可變，我們把它變成容積可變的系統，就可以保證壓力是恒定的，這樣就解決了壓縮機的一個(gè)變功問(wèn)題。發(fā)電的時(shí)候也是一樣，可以實(shí)現恒壓發(fā)電，如果發(fā)電的時(shí)候氣體放出來(lái)，壓力被降低，空間被減少，地面的水給它補充到這個(gè)空間里邊，保持容積可變。這一塊我們通過(guò)內燃機補燃，這是我們另外一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)內燃機用我們現在所有的代用燃料，如乙醚、甲醇等低碳燃料，高品位熱能用內燃機的發(fā)電，低品位熱能耦合到這個(gè)壓縮空氣儲能系統中，相當于該系統非絕對膨脹過(guò)程提供了余熱熱源，這樣系統效率可以做得比較高，75%以上。這就是我們的一個(gè)研究思路。低位水庫大概一萬(wàn)多方，我們就構成這樣一個(gè)發(fā)電系統，壓縮機和膨脹機構成另外一個(gè)閉環(huán)的系統，兩個(gè)系統復合在一起。建設周期三年可以完成，地下有個(gè)水電機水泵，地上是壓縮機膨脹機內燃機。這個(gè)規模已經(jīng)做到110兆瓦900兆瓦時(shí)。

　　我們另外還做了一個(gè)方案，針對沒(méi)有礦井的，我們在泉州設計的是300兆瓦1800兆瓦時(shí)，這個(gè)系統實(shí)際就按照抽水壓縮空氣原理，將高壓氣庫做10兆帕。目前我們設計出來(lái)的高壓氣庫是10兆帕，體積是160萬(wàn)立方。中間一個(gè)增壓機，一個(gè)渦輪膨脹機，這個(gè)壓縮機機組實(shí)際上是作為我們做虛擬水壩用的一個(gè)備用壓縮機組，如果系統不漏氣，這個(gè)空壓機組都不用，如果漏氣，我就會(huì )啟動(dòng)它給高壓氣庫補氣。這就是水泵水輪機，地下是一個(gè)坑道，這個(gè)系統實(shí)際效率做到72%。這是目前我們具體的一個(gè)研究成果。

　　希望各位專(zhuān)家批評指正，謝謝各位。

來(lái)源：本站原創(chuàng )