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清华大学梅生伟等:压缩空气储能发电(下)

作者:梅生伟,陈来军,薛小代 来源:电力系统自动化 发布时间:2017-07-07 浏览:
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中国储能网讯:1TICC-500系统流程

TICC-500的系统流程如图1所示,系统主要由压缩子系统、回热子系统、储气子系统、透平发电子系统等四部分组成。压缩子系统采用五级间冷活塞式压缩机,排气压力为10MPa,压缩机每级的排气温度为150℃。回热子系统由常温水罐、中温水罐、高温水罐、水泵以及换热器等组成,采用加压水作为储热介质。储气子系统采用两个钢制压力储气罐,每个储气罐体积为50m3,储气总容积为100m3。透平发电子系统包括空气透平、减速器和发电机等。空气透平为向心径轴流式,采用三级同轴布置,级间再热循环,空气透平的转速为30000转/分钟,通过减速器将其转速减至1500转/分钟,带动发电机对外输出电能。

图1  TICC-500系统流程图

系统运行主要包括两个过程:

储能过程:通过电机驱动压缩机,将环境空气压缩至高压,并存储于储气罐中,储能过程结束时,储气罐中的压力为10MPa。压缩机的排气温度可以达到150℃,利用回热子系统中的加压水回收压缩过程所产生的压缩热,并将此热量(120℃)存储于高温水罐中。

释能过程:高压空气由储气罐释放出来,被回热子系统中所存储的压缩热加热,温度升高至100℃,进入透平膨胀做功。第一级和第二级透平做功后的排气经过再次加热后进入下一级透平膨胀做功,依次完成三级再热膨胀循环流程,通过减速器驱动发电机输出电能。

 

2关键子系统

从功能原理方面考虑,可以将CAES系统划分为压缩、储气、回热和发电等四个子系统,各个系统介绍如下。

2.1压缩子系统

压缩子系统的作用是利用电能将空气压缩至高压,同时在压缩过程中产生高温的压缩热。其主要由压缩机本体、附属装置等组成。通过压缩子系统,可以将电能转换为高压空气的分子内势能和储热介质的热能,进而完成电能的转换。作为储能过程中的核心部件,压缩机具有流量大、压比高、背压变化大等特点。在TICC-500项目中,研发了基于双作用活塞和自卸荷技术的非稳态压缩系统,可以实现储能过程中的压缩机的高效运行。压缩机系统的照片如图2所示,系统的参数配置如表1所示。

图2  TICC-500压缩机系统现场照片

表1  TICC-500压缩机系统参数表

2.2储气子系统

储气子系统是用来存储压缩机所产生的高压空气,实现分子内势能的存储。其主要由储气罐、管道、阀门等组成。压缩空气储能采用空气作为储能介质,储气系统具有容量大、压力高等特点。TICC-500采用高压钢制压力容器作为储气室,建设了两台总容积为100立方米的10MPa高压储气罐(如图3所示),并完成了大容量高压储气室的快速充放气特性研究(如图4所示)。

图3  TICC-500储气系统现场照片

图4  高压储气室的快速充放气特性曲线

2.3回热子系统

回热子系统用于存储压缩过程中所产生的压缩热,在释能过程中,通过其所存储的压缩热加热透平进口的空气,从而实现压缩热的回收利用。其主要由换热器、储热罐、工质泵等组成。作为非补燃压缩空气储能的关键技术,回热技术对系统的储能效率影响极大,回热效率越高,系统的储能效率也越高。TICC-500系统利用加压水作为储热工质,采用梯度储热技术,将不同温度的水分级存储,避免高低温热量的掺混,保证所储热量的品位。储热系统的照片如图5所示。

图5  储热系统照片

2.4透平发电子系统

透平发电子系统利用储气系统存储的高压空气和储热系统存储的压缩热驱动透平膨胀机转动,带动发电机输出电能,实现由分子内势能和热能向电能的转换。其主要由空气透平膨胀机、减速器、发电机等组成。空气透平发电系统是释能过程中热功转换的核心部件,其效率的高低直接决定着整个电站的储能效率。TICC-500的空气透平的设计输出轴功率650kW,膨胀比高达30∶1,转速30000转/分钟,通过减速器,将转速降至1500转/分钟,驱动发电机对外输出电能。由于空气透平膨胀比大、转速高,故对空气透平的设计和制造具有较高的要求。TICC-500采用向心径轴流式透平,三级同轴布置,利用回热系统实现三级再热循环,提高了系统的循环效率(如图6所示)。

图6  空气透平发电系统照片

 

3前景展望

非补燃压缩空气储能具有容量大、效率高、成本低、寿命长的特点,系统运行过程中零碳排放,可以显著减少大规模弃风弃光,提升新能源消纳能力;其与供热供冷相结合可形成“冷-热-电”三联供系统,构成高效的储能系统;同时可为实现智能微电网和智能微电网群优化运行提供强大灵活的调节能力和手段。此外,非补燃压缩空气储能作为一种理想的大规模储能手段,实现了储能过程中的发电、供冷、供热相耦合,进而将智能微电网提升至智能微能源网的层次,提高了能量的综合利用效率,在未来将具有广阔的应用前景。

 

作者简介:

梅生伟,清华大学电机系教授,博士生导师,长江学者,杰出青年,IET Fellow,IEEE Fellow,青海大学新能源光伏产业研究中心主任。目前主要从事电力系统分析与控制、可再生能源发电及综合利用等领域的研究。

陈来军,清华大学电机系副教授,硕士生导师,IEEE member,青海大学新能源光伏产业研究中心副主任。目前主要从事新能源发电、微能源网及储能等相关领域的研究。

薛小代,清华大学电机系博士后。目前主要从事压缩空气储能、微能源网、新能源发电、新型发电系统等领域的研究。

清华大学电机系控制理论与数字化技术研究室,由卢强院士、梅生伟教授、沈沉教授为学术带头人,是国家基金委创新研究群体。目前该团队有教授3人,副教授4人,助理研究员2人,博士后3人,研究生40余人。主要研究领域包括电力系统分析与控制、先进能量管理系统、智能微电网、压缩空气储能等,相关研究成果广泛应用于我国电力行业。曾获国家自然科学二等奖2项,军队科技进步一等奖1项,教育部自然科学一等奖1项,省部级及其他奖励10余项。近5年来,团队发表和录用SCI论文50余篇,EI论文100多篇。

 

关键字:压缩空气储能

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