中國儲能網(wǎng)訊：9月24—26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十屆中國國際儲能大會在深圳鵬瑞萊佛士酒店召開。此次大會主題是“共建儲能生態(tài)鏈，開啟應(yīng)用新時代”。 來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的1621人參加了本屆大會。本次大會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會、中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)組和中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦。
在24日下午的“儲能電站規(guī)劃與設(shè)計”專場，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司配電技術(shù)研究所高級工程師郭祚剛分享了主題報告《新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)設(shè)計》。會務(wù)組對發(fā)言人的演講速記做了梳理，方便大家會后交流、學(xué)習(xí)，以下是速記全文：
郭祚剛：各位參加儲能大會的嘉賓與儲能同行，大家下午好，
我的分享是關(guān)于新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設(shè)計以及它在配網(wǎng)中的應(yīng)用。
簡單回顧一下儲能政策。
去年6月份時國家發(fā)改委和科技部聯(lián)合印發(fā)《貫徹落實關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見2019-2020年行動計劃》的通知。在這個通知里特別提到今天要講的壓縮空氣儲能技術(shù)，特別提到要加強(qiáng)大容量壓縮空氣儲能技術(shù)的驗證示范。
在2017年印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》之后，儲能技術(shù)及儲能產(chǎn)業(yè)開始引起廣泛的關(guān)注，南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)在去年1月份和2月份時相應(yīng)出臺了《促進(jìn)電化學(xué)儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，兩家電網(wǎng)公司都表態(tài)要積極支持儲能的發(fā)展。但去年5月份的時候，國家發(fā)改委與能源局印發(fā)的《輸配電定價成本監(jiān)審辦法》里面明確指出：電化學(xué)儲能設(shè)施不能納入輸配電定價成本，這對電網(wǎng)企業(yè)投資儲能有一個延緩的作用。
現(xiàn)在儲能的形勢怎么樣？從國家層面來說，國家在發(fā)展可再生能源和促進(jìn)可再生能源電能消納等方面，對儲能是有重大需求的。對于電網(wǎng)公司，不管是南方電網(wǎng)還是國家電網(wǎng)，在電網(wǎng)穩(wěn)定運行中，儲能可以發(fā)揮相應(yīng)的作用，像調(diào)峰、調(diào)頻等等。對于電網(wǎng)公司來說，如果儲能具有投資價值，投資潛力能夠達(dá)到預(yù)期，我們電網(wǎng)企業(yè)也有意愿參與儲能建設(shè)。
當(dāng)下為什么儲能的發(fā)展會遇到一些困境呢？一，從技術(shù)層面說，目前還缺乏同時具備性能優(yōu)良、安全性好、全生命周期成本低、使用年限長等復(fù)合特點的儲能技術(shù)，現(xiàn)有的儲能技術(shù)水平還很難支撐儲能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化推廣。
二，儲能技術(shù)相應(yīng)的商業(yè)模式目前還不是很成熟，很多社會資本對儲能的投資還處于觀望狀態(tài)。因此，儲能技術(shù)的進(jìn)步以及相應(yīng)的商業(yè)模式進(jìn)一步研究，這兩方面是推動儲能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵所在。
儲能技術(shù)有很多種類，我們今天介紹其中的兩類，一類是機(jī)械儲能，另一類是電化學(xué)儲能。電化學(xué)儲能中，鋰離子電池大家關(guān)注比較多，它的優(yōu)點是效率比較高，缺點是成本高，同時安全風(fēng)險也有一些問題。近年來不管是韓國還是國內(nèi)，鋰離子電池儲能站的自燃事件都有發(fā)生。對南網(wǎng)來說，我們在鋰離子電池儲能方面已經(jīng)做了相關(guān)工作，我們在深圳寶清電池儲能站，在深圳潭頭變電站儲能項目，都用到了鋰離子電池。
接下來分享一下南網(wǎng)在壓縮空氣儲能方面做的一些工作。
壓縮空氣儲能，不管在儲能容量上還是持續(xù)輸出電能時間上，都是跟抽水蓄能相當(dāng)?shù)拇笕萘績δ芗夹g(shù)。
壓縮空氣儲能技術(shù)在儲能時是利用電能驅(qū)動空氣壓縮機(jī)來制備一定壓力的空氣，把電能變成壓縮空氣的壓力能，在儲氣空間里儲存起來。當(dāng)電網(wǎng)或者用戶需要電能時，再把壓縮空氣釋放出來，驅(qū)動膨脹機(jī)做功，最后驅(qū)動發(fā)動機(jī)輸出電能。
國外已經(jīng)有兩臺壓縮空氣儲能電站在商業(yè)化運營，運行很多年了，而且比較安全。第一臺是1978年德國漢特福電站，它的膨脹機(jī)對外輸出功率可以達(dá)到290MW，能夠?qū)ν獬掷m(xù)輸出電力3小時。它的能量比我們電池大很多。這個儲能電站在完成儲能時，將大量的壓縮空氣儲存在31萬立方米的儲氣洞穴當(dāng)中，完成電能儲存時，儲氣洞穴內(nèi)的壓縮空氣壓力可以達(dá)到70個大氣壓。
第二個是1991年美國阿拉巴馬州投運的壓縮空氣儲能電站。這個儲能電站對外輸出電功率是110MW，可以對外連續(xù)輸出電能26h，如果以MWh來衡量，這個儲能容量是很大的。美國這個壓縮空氣儲能電站在德國漢特福電站的基礎(chǔ)上，做了一些技術(shù)改進(jìn)，儲能效率有所提升，報道是54%。
儲能產(chǎn)業(yè)要真正健康的發(fā)展起來，讓投資者有來自市場的回報，那就不能單獨靠補貼。儲能本體技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，要從源頭上把儲能本體技術(shù)性能提升上去。對于壓縮空氣儲能技術(shù)，我們結(jié)合工程熱力學(xué)專業(yè)知識，對壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，尋找能夠提升它性能的研究切入點。在壓縮空氣儲能電站運行中，儲氣洞穴儲存的空氣壓力跟膨脹機(jī)入口的設(shè)計壓力往往存在一定的壓力差，這兩個壓力值是不一樣的。以前面說的德國漢特福電站為例，完成儲能時，儲氣洞穴內(nèi)空氣壓力是7個多MPa，但實際運行時，膨脹機(jī)的入口壓力也只有4.2MPa，大概有66%的壓力能在調(diào)壓環(huán)節(jié)損失掉了。這是可以提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率的研究點。
我們換一種角度來調(diào)節(jié)這個壓力，提出引用噴射調(diào)壓技術(shù)來替代減壓閥調(diào)壓。調(diào)壓閥是一個機(jī)械閥門，通過改變通流截面來進(jìn)行壓力的改變。調(diào)壓閥的入口與出口的空氣流量遵守能量守恒定律，進(jìn)去多少流量，出來多少流量，這個調(diào)壓過程引起了壓力能的損失。我們采用噴射調(diào)壓技術(shù)，在完成壓力調(diào)節(jié)的同時，還可以額外增加循環(huán)做功氣流，把原本在調(diào)壓過程損失掉的壓力變成額外的可以在膨脹機(jī)里做功的做功氣流。
南方電網(wǎng)科研院開發(fā)出融合噴射調(diào)壓技術(shù)的壓縮空氣儲能技術(shù)路線，通過新增可循環(huán)做功氣流方式增大電能輸出能力，提升儲能系統(tǒng)效率。
后面我們會通過具體的儲能案例對比，來量化評估噴射調(diào)壓技術(shù)在系統(tǒng)效率提升方面的作用。
這是剛才提到的噴射器的原理結(jié)構(gòu)圖，它能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氣流向我們所需要的中壓氣流的調(diào)節(jié)。這個調(diào)壓過程是怎么完成的呢？我們的技術(shù)路線是通過高壓氣流引射低壓氣流來實現(xiàn)調(diào)壓，它的優(yōu)點是實現(xiàn)高壓氣流向中壓氣流的壓力調(diào)節(jié)的同時，還把另外一路低壓氣流變成了中壓氣流，這個低壓氣流可以從某一臺膨脹機(jī)做功的排氣里抽氣，這樣就能夠增加可以做功氣流的總量。這是它能夠提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率的原理。
對于一個壓縮空氣儲能系統(tǒng)，怎么設(shè)計才能達(dá)到比較高的性能呢？從四個模塊簡單介紹。
首先是壓縮與換熱耦合模塊，在這個模塊中，涉及有換熱器參數(shù)優(yōu)化、壓縮耗功與熱回收耦合優(yōu)化、壓縮機(jī)耗功優(yōu)化等等；第二個是儲熱與再熱耦合模塊，這個模塊里要考慮壓縮熱儲存的參數(shù)優(yōu)化，儲熱單元熱量再利用的優(yōu)化，還有儲熱與膨脹環(huán)節(jié)耦合的優(yōu)化等等。第三個是膨脹機(jī)組模塊，這個模塊里要進(jìn)行膨脹機(jī)組本體參數(shù)優(yōu)化、膨脹機(jī)組加熱器參數(shù)優(yōu)化、膨脹機(jī)排氣與噴射器耦合優(yōu)化等。第四個是噴射調(diào)壓模塊，通過這個模塊設(shè)計出滿足整套壓縮空氣儲能系統(tǒng)調(diào)壓要求的噴射調(diào)壓系統(tǒng)。對于一套完整的壓力空氣儲能系統(tǒng)，要提高性能，就要通過上面各方面的整體優(yōu)化來實現(xiàn)。
下面通過兩個具體的壓縮空氣儲能系統(tǒng)設(shè)計案例，給大家介紹。一個是CAES系統(tǒng)1：耦合儲熱模塊的壓縮空氣儲能系統(tǒng)；另外一個是改進(jìn)型-CAES系統(tǒng)2：耦合噴射調(diào)壓系統(tǒng)及儲熱模塊的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
在儲能系統(tǒng)流程圖中，前面C1、C2、C3是空氣壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)在壓縮過程中會產(chǎn)生壓縮熱。它可以把壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱通過換熱器的熱交換來實現(xiàn)儲存。當(dāng)對外進(jìn)行做功時，取得出TES儲熱單元儲存的熱量，用它來加熱后面的T1、T2、T3膨脹機(jī)入口空氣溫度，來提升它的做功能力。這套系統(tǒng)里采用的是前面提到的減壓閥的調(diào)壓技術(shù)。
對于這套系統(tǒng)來說，采用的調(diào)壓方式是用調(diào)壓閥，壓縮機(jī)是三級，膨脹機(jī)也是三級。
第二套儲能系統(tǒng)，采用噴射調(diào)壓技術(shù)替代傳統(tǒng)的減壓閥來完成壓力調(diào)節(jié)過程。在這個過程里，節(jié)點6、7，節(jié)點6是需要降壓的高壓氣流，釋放出的高壓空氣要變成節(jié)點9A所需要的壓力，進(jìn)入到膨脹機(jī)。在膨脹機(jī)的排氣9B里進(jìn)行抽氣，抽取一路低壓抽氣過來，經(jīng)過噴射調(diào)壓系統(tǒng)將壓力從9B的排氣壓力提升到9A的進(jìn)氣壓力。通過調(diào)壓模塊的采用，能實現(xiàn)整體調(diào)壓效果，滿足減壓閥的功能，同時也將首臺膨脹機(jī)排氣的乏氣進(jìn)一步提升壓力，提升到可以具備全額做功能力的膨脹機(jī)9的入口壓力狀態(tài)。有了這個循環(huán)氣流之后，膨脹機(jī)組對外輸出電能的能力就會有一定的提升。
結(jié)合前面四大模塊相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)，對這個系統(tǒng)每一個節(jié)點的參數(shù)性能優(yōu)化設(shè)計，得到相應(yīng)的參數(shù)。
對于壓縮機(jī)，采用三級壓縮方案，回收的壓縮熱儲存在儲熱單元。對于膨脹機(jī)，取出儲熱單元當(dāng)中的熱量，來提升膨脹機(jī)組的電能輸出能力。
這是整個系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。對于整個膨脹機(jī)本體，9號膨脹機(jī)有9a、9b，10號膨脹機(jī)有10a、10b。根據(jù)膨脹機(jī)入口與出口的設(shè)計壓力參數(shù)，通過測試過的噴射器性能曲線和目標(biāo)儲能系統(tǒng)需要的調(diào)壓需求進(jìn)行吻合，可以設(shè)計出相應(yīng)的噴射調(diào)壓系統(tǒng)。這個噴射調(diào)壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)噴射系數(shù)0.45。相當(dāng)于前面提到的9號膨脹機(jī)的循環(huán)氣流可以增加45%，這45%就能產(chǎn)生整個電能輸出能力的提升。
下面看一個這兩套系統(tǒng)的總體性能，第一套系統(tǒng)CAES系統(tǒng)1，采用減壓閥，效率達(dá)到61.95%，第二個是改進(jìn)型的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，引入調(diào)壓系統(tǒng)，整個儲能系統(tǒng)的效率達(dá)到65.36%。通過這個壓力的回收就可以把儲能系統(tǒng)的效率提高3.41%。這3.41%的性能提升就是從減少調(diào)壓過程中壓力損失的角度獲得的。我們采用廣州市峰谷電價機(jī)制進(jìn)行初步測算，投資回收期大約9年左右。剛才提到的是無補燃型壓縮空氣儲能技術(shù)，我們南網(wǎng)科研院還在研發(fā)新型微補燃壓縮空氣儲能技術(shù)，這個新技術(shù)預(yù)期可以實現(xiàn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率更大幅度的提升，很值得期待。
簡單介紹一下儲能應(yīng)用場景，儲能應(yīng)用環(huán)節(jié)大家都比較清楚。儲能在發(fā)電、輸電、配網(wǎng)及用戶側(cè)等場景都有很用多用價值。南方電網(wǎng)大容量儲能團(tuán)隊在這些方面都有相應(yīng)的課題研究。簡要的分享儲能的兩個應(yīng)用場景，一個是調(diào)峰服務(wù)場景。這個負(fù)荷曲線是廣東省某一天的負(fù)荷曲線，整個峰谷特點比較明顯，負(fù)荷峰谷差可以達(dá)到25GW。如果在配網(wǎng)側(cè)配置大容量儲能，就可以在電網(wǎng)負(fù)荷的低谷期進(jìn)行儲能，在電網(wǎng)負(fù)荷的高峰期進(jìn)行電能輸出，來改善電網(wǎng)相應(yīng)的負(fù)荷特性。
對于分布式新能源消納場景，分布式新能源有兩個比較大的難題，第一個是新能源本身出力波動性比較大，二是出力偏差也比較大，通過儲能配置可有效促進(jìn)新能源的接入與消納。
感謝大家的聆聽！
