刘金超;徐玉杰;陈宗衍;张新敬;陈海生;谭春青
【摘 要】压缩空气储能系统是大规模电力储能技术研发的热点,储气装置是其重要部件之一.综述了储气装置的发展及应用现状,包括储气装置的分类、不同类型储气装置的技术特点及应用情况,并详细分析了储气装置的储能特性.研究为储气装置的设计选型提供理论参考.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)035
【总页数】9页(P148-156)
【关键词】压缩空气储能系统;储气装置;发展现状;储能特性
【作 者】刘金超;徐玉杰;陈宗衍;张新敬;陈海生;谭春青
【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100190;中国
科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190;中国科学院工程热物理研究所,北京100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TK02
为了满足能源与环境的可持续发展，世界各国纷纷大力发展可再生能源，特别是风能和太阳能成为开发利用的重点[1—3]。但风能与太阳能存在间歇性和不稳定的致命缺陷，上网过程中容易对主电网的运行方式、电能品质等带来冲击，增加了电网的调控压力[4—6]。因此，迫切需要行之有效的技术方案来解决可再生能源的大规模并网问题。
大规模电力储能技术是能够解决可再生能源大规模并网的有效途径，而压缩空气储能系统(compressed air energy storage, CAES)被认为是最有发展前景的大规模电力储能技术之一[7—11]。图1是一种典型结构的压缩空气储能系统，储能时，利用可再生能源电力将环境大气通过压缩机压缩后存储到储气装置中，将电能转化为高压空气内能；释能时，高压
空气从储气装置中释放，与燃烧室中的燃料燃烧后通过膨胀机膨胀做功，从而将高压空气内能转变为稳定的电能。压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期长、储能效率高和投资相对较少等优点[6]，目前世界上已经有两座大型CAES商业化电站正在运行[12—16]，分别是1978年建设的德国Huntorf电站和1991年建设的美国McIntosh电站。
图1 压缩空气储能系统示意图Fig.1 Schematic diagram of compressed air energy storage systempvc再生颗粒
但是，依赖大型储气装置、受地理条件限制是传统CAES系统规模化推广应用的技术瓶颈之一，例如：德国Huntorf电站使用位于地下600 m深3.1×105 m3的盐岩洞存储压缩空气[12,13]；美国McIntosh电站使用450 m深5.6×105 m3的盐岩洞存储压缩空气[14—16]。如何摆脱地下岩洞、盐洞等大型天然洞穴，不受地理条件限制是储气装置发展的重点，所以地面储气装置是发展方向之一，选择经济、合理、安全的储气装置对压缩空气储能系统的推广应用具有重要意义。
本文首先对压缩空气储能储气装置的发展及应用现状进行综述，包括储气装置的分类、不同类型储气装置的技术特点和应用情况。然后以一种典型结构的CAES系统为研究对象，无线报警系统
分析储气装置的储能特性，得出不同储气压力和储气温度下的性能变化曲线。
1 CAES储气装置发展及应用现状
1.1 储气装置的分类
自1949年Stal Laval提出压缩空气储能的概念以来[12]，人们对压缩空气储能系统的研究投入了大量精力[17—24]，并先后研究和开发出多种形式的压缩空气储能系统，包括先进绝热压缩空气储能系统、压缩空气储能—燃气蒸汽联合循环耦合系统、压缩空气储能—内燃机耦合系统、冷热电联供的新型压缩空气储能系统等[25—38]，这些压缩空气储能系统都通过储存高压空气实现电力储能，因而都需要大型储气装置。目前所研究的储气装置可总结为以下几类：
(1)根据储气压力的不同，可分为低压(0.1 MPa≤P<1.6 MPa)储气装置、中压(1.6 MPa≤P<10 MPa)储气装置、高压(10 MPa≤P<100 MPa)储气装置和超高压(P≥100 MPa)储气装置。在综合考虑投资成本、安全性和系统效率的前提下，通常大型CAES系统会选择中压储气装置或者高压储气装置，而低压和超高压储气装置应用很少[39,40]。
(2)根据储气装置是否可以移动，可以分为固定式储气装置和可移动式储气装置。固定式储气装置通常容积和重量较大，因此对地基要求较高，建设时需要充分考虑地质条件和气候条件，保证系统的安全性。可移动式储气装置可以是车载式结构或者瓶装结构，多用于储气压力较低或者规模较小的场合，其优点是使用灵活。
(3)根据储气装置内压力是否变化，可以分为变压储气装置和恒压储气装置。由于储气装置的容积是固定不变的，在不施加外界影响的情况下，储气装置内部压力随着释能工作的进行不断降低，是变压工作过程，通常在膨胀机进口前安装恒压阀门(或稳压阀门)来控制进口压力，但这会引起压力能损失。恒压储气装置可以保持内部压力稳定不变和膨胀机进口压力恒定。图2是一种恒压储气装置，与常规储气装置相比增加了蓄水系统。蓄水系统由水泵、压力控制器、蓄水池、调节阀门等构成。当储气装置内压力降低时，通过水泵从蓄水池中抽水注入储气装置内的储水容器，以此来维持储气压力的基本稳定。除此之外，也可以采取利用蓄水池和储气装置之间的高度落差所形成的水压头来调节储气压力，或者在储气装置外部增加调节气泵等方式[18,40—42]。研究表明，相同条件下恒压储气装置的热效率和火用效率均高于变压储气装置，而且储能密度相差较大。以压气机出口压力20 MPa为例，恒压储气装置的储气密度是变压储气装置的(1.8～4)倍[43]。
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1为压缩空气储能系统，2为蓄水系统，3为储气装置， 4为水泵，5为压力控制器为，6为蓄水池图2 恒压储气装置示意图Fig.2 Schematic diagram of constant-pressure gas storage device
钛合金粉末冶金加工(4)根据存放位置的不同，可以分为地下储气装置和地面储气装置。太阳能灯笼
下面按照存放位置的分类方式对储气装置进行分析。
1.2 地下储气装置
地下储气装置是应用较早并且使用广泛的储气装置，通常选择地下的天然洞穴或者废弃的矿洞进行存储。它的优点是建设成本较低和不占空间，缺点是需要满足特定的地质条件[9,10]。目前主要有以下几种形式：
1.2.1 天然的盐岩洞
盐岩洞存储的主要优点是可靠性高和造价低，同时由于盐具有很好的弹塑性，因此密封性较好[44—47]。这种方式被认为是比较经济的储气方式，典型结构的估算成本最低可达2 $/
kW·h，通常情况下的估计成本为6～10 $/kW·h[48,49]。这种储气装置应用较早，1978年德国Huntorf 电站使用位于地下600 m深处的穹顶状盐岩洞存储压缩空气，其设计储气压力为(4.8～6.6)MPa；美国McIntosh压缩空气储能电站同样使用废弃的盐岩洞进行存储，储气室位于地下450 m深处，最高储气压力可达7.5 MPa。
1.2.2 硬岩层结构的矿井或洞穴
与盐岩洞结构相比，硬岩层结构的矿井或洞穴抗压强度较高，耐压能力强和安全性高是它的突出优点。缺点是由于岩石坚硬导致施工难度大和施工费用高[50—52]。研究表明，建设全新的硬岩层结构储气装置的成本约为30 $/(kW·h)[48]，而使用废弃的硬岩层结构矿井，成本约为10 $/(kW·h) [53—55]，但仍然略高于盐岩洞结构。美国Ohio州的Norton在建压缩空气储能项目使用位于地下670 m深处的废弃石灰岩矿井储存压缩空气，洞穴容量为9.6×106 m3，储气压力为(5.5～11)MPa。
1.2.3 地下含水层
地下含水层是除盐岩洞外另一种比较经济的储气方式，甚至地质结构特性好的地区预期建
设成本会接近或者低于盐岩洞方式[56]。并且增加附加储存容量的成本较为低廉，在井坑足够的条件下，增加的成本约为0.11 $/(kW·h)，比盐岩洞方式低一个数量级，比硬岩层方式低两个数量级以上[57—59]。它的主要缺点是选址困难和垫气层耗气较大。虽然目前还没有商业化的含水层储气项目，但已经存在一些研究性项目或建设中的项目。如意大利Sesta的25MW多孔岩层压缩空气储能系统和美国Iowa州的IMAU(Iowa association of municipal utilities)在建项目[48]。其中IMAU在建项目使用位于地下279 m深度的多孔砂岩结构的斜背层储存压缩空气，建成后将为风电资源丰富的达拉斯地区风力发电厂服务。
1.2.4 废弃的天然气储气室或者石油储气室
媒体播放这种储存方式是对现有的储气室进行改造，改造费用需要预先评估，通常投资成本不高。但是存在一定的安全隐患，因为原有储气室的保护层气体或者残余的气体可能会引起燃烧甚至爆炸。
尽管地下储气装置成本优势明显，但面临着选址困难、建设工程量大、建设周期长甚至会引起生态移民等问题，这些限制了它的广泛应用[60,61]。
1为筒体，2为球封头，3为安全阀接口，4为人孔法兰， 5为气体进口，6为人口螺栓，7为底座，8为铭牌， 9为排污管，10为气体出口，11为压力表接口图3 圆筒形储气罐结构Fig.3 The structure of cylindrical gas storage tank
1.3 地面储气装置
地面储气装置应用灵活，适用于无法建设地下储气装置或者规模较小的压缩空气储气系统。根据结构形式的不同，地面储气装置可以分为储气罐、钢瓶组和储气管道三种类型。
1.3.1 储气罐
储气罐是应用最广泛的地面储气装置[62,63]，目前常用的结构有圆筒形和球形两种。图3是一种典型的圆筒形储气罐，由筒体、球形封头、法兰、密封元件、底座及安全附件等组成。优点是可以实现高压储气和长时间储气，通常单台储气罐的设计直径小于3 m，设计长度小于20 m。球形储气罐(图4)是另一种常用的储气罐，相比于圆筒形储气罐，球形储气罐具有单个罐体存储容量大和单位投资成本低的优点，缺点是承压较低。由于单个罐体容积较大，球形储气罐通常在用户现场进行组装[63—65]。
1为罐体，2为支撑柱，3为人孔，4为拉杆，5为爬梯， 6为安全附件图4 球形储气罐结构Fig.4 The structure of spherical storage tank
1.3.2 钢瓶组
钢瓶组由数量较多的单个钢瓶以串联或者并联的方式组成。钢瓶是压力容器的一种，也称为气瓶，有焊接、无缝两种结构，常规钢瓶的公称工作压力在(8～30)MPa，公称容积为(0.4～80)L，在CNG运输和储气领域应用较多[66—73]。市场上常用的钢瓶组分为立式和卧式两种，通过专用钢瓶支架固定。一个完整的钢瓶组结构包括钢瓶、钢瓶支架、阀门、仪表和管路等部件。图5是一种卧式钢瓶组，采用并联方式连接，连接管路为高压不锈钢材质。钢瓶组的主要优点是使用灵活，可以根据用户需要进行布置。缺点是进行大容量存储时的数量较多，带来操作复杂和可靠性降低的问题。
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