燃氣輪機蓄能系統的現狀分析

王君宇

摘 要： 燃氣輪機的蓄能裝置的主要作用是調峰以及提高機組的能源利用率，將燃氣輪機燃燒產生的余熱或者峰谷時的剩余產能，用于壓縮空氣，并且將壓縮空氣的能量存儲起來。在用電高峰期間，將儲存的能量釋放，實現能源的填谷削峰。

關鍵詞： 燃氣輪機；蓄能

一、引言

燃氣輪機于上世紀三十年代被成功制造，POWER JETS RES & DEV LTD于1948年6月7日申請了公開號為GB635851A的專利申請。燃氣輪機的發展代表著一個國家重大裝備制造業的總體水平，是國家科技實力的重要標志之一，對保護國防與能源安全、改善能源結構和實現環境可持續發展具有重要意義。

二、蓄能系統分類

采用蓄能裝置是提高燃氣輪機燃燒效率的一個重要手段，蓄能形式可分為四類：機械蓄能（如壓縮空氣蓄能、飛輪蓄能等）、化學蓄能（燃料電池蓄能等）、電磁蓄能（如超導電磁蓄能等）和相變蓄能（如蓄冷蓄能等）。在燃氣輪機領域中，以下幾種蓄能手段較為常見：

2.1 壓縮空氣蓄能

由于燃氣輪機裝置中約2/3的功率用于驅動壓氣機，壓縮空氣蓄能發電正好利用這一特點：利用電力系統負荷低谷時的剩余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，即將不可儲存的電能轉化成可儲存的壓縮空氣的氣壓勢能并貯存于貯氣室中。當系統發電量不足時，將來自于儲氣室的壓縮空氣通入燃燒室中與油或天然氣混合燃燒，由于壓縮空氣來自儲氣室，燃氣透平不必消耗功率帶動壓氣機，其產生的功率幾乎全部用于發電，進而可以達到減少排放和進行電力調峰的目的。

2.2 燃料電池蓄能

燃料電池是一種新型發電技術，不儲存燃料和氧化劑，其種類繁多，目前世界上較流行的是質子交換膜電池，其核心是三合一電級，它由兩塊涂有催化劑的電極和夾在中間的質子交換膜壓合而成。質子交換膜既有質子交換的功能，又有隔離燃料氣體和氧化劑的作用。當作為燃料的氫氣被通入“氫”電極時，在催化劑的作用下，氫分子分解成電子和質子。質子穿過質子交換膜到達“氧”電極，在催化劑的作用下與空氣中的氧氣發生反應，產生水。電子通過外電路產生電流，對外供電。由于氫氣的制造、儲存技術己相當成熟，燃料電池的轉化效率又相當高，故燃料電池可作為一種有效的蓄能手段。

2.3 超導電磁蓄能

超導電磁蓄能是將超導體材料制成超導螺旋管，通過功率調節器，將低谷電轉化成直流電，以磁場形式儲存于超導螺旋管中。當系統負荷超過可發電量時，通過功率調節器的逆向輸送將儲存于超導螺旋管中的磁場能轉換成交流電以補充電網電力。

2.4 蓄冷蓄能

蓄冷是用電側的主要蓄能手段。蓄冷空調是在用戶的中央空調系統上增加一套蓄冷裝置，利用夜間電網低谷時段的低價電能制冰或制冷水，即將冷量儲存起來；在白天將儲存的冷量放出，從而達到少用或不用高峰時段的高價電量的目的。由于燃氣輪機的出力隨進口空氣溫度的升高而降低，故可通過冰蓄冷裝置降低進口空氣溫度，提高燃氣輪機的出力以提高效率。其單位投資低于通常情況下新裝燃氣輪機的單位投資。

2.5 飛輪蓄能

飛輪蓄能是機械蓄能的一種蓄能方式，是將電能轉化成可儲存的動能或勢能。當電網電量富裕時，飛輪蓄能系統通過電動機拖動飛輪加速以動能的形式儲存電能；當電網需要電量時，飛輪減速并拖動發電機發電以放出電能。

2.6 蓄熱器蓄能

蓄熱器蓄能是在外界低負荷時，將多余中壓蒸汽（4. 8 M Pa左右）導入蓄熱器儲存；外界需要負荷時，再將蓄熱器中的蒸汽補充給汽輪機組發電；從而保證電廠鍋熄汽輪機以最佳參數運行，起到調峰機組的作思以地下式蓄熱器為例：蓄熱器建造在地下巖體中，巖洞的深度應位于巖層靜壓力等于最大蓄熱壓力的1. 33倍處，以保證巖洞受壓后不會產生裂縫。優點：投資少，運行操作方便，可節約原機組調峰所需的助燃油和氣。缺點：地上式蓄熱器占用廠區面積，要確保壓力容器的安全地下式蓄熱器需特定的地質條件，密封性檢驗較復雜。太陽能集熱蓄能方式便是在此基礎上發展起來的。

2.7 熱水蓄能

熱水蓄能是將發電機組在夜間低谷時產生的部分熱量以高壓熱水的形式儲藏起來；在白天高負荷時利用二相流的熱水透平設備和閃蒸蒸汽透平設備將儲藏的熱水用于發電。優點：工作介質是水，電廠有現成處理設備；熱水管比蒸汽管小，便于熱源集中利用和大容量化；負荷響應速度比火電或核電機組快；可建在負荷中心，減少輸配電設備；建設周期較短。缺點：需占用一定的場地；能量儲存密度不高；設備規模較小時，建設成本較高；對于遠離電源設備的熱水蓄熱發電，有可能成為系統不穩定的因素。

2.8 抽水蓄能

抽水蓄能是最廣泛應用的能量存儲系統形式，通過將水從較低的蓄水池泵送到較高的蓄水池來存儲水力勢能。所存儲能量的量與兩個蓄水池之間的高度差以及所存儲的水的體積成比例。在電力的高需求期，水通過渦輪發電機以類似于傳統水力發電設施的方式從較高的蓄水池落到較低的蓄水池。抽水存儲是具有高效率、大體積、長存儲期和每單位能量的投資成本相對低的成熟技術。我國已經建立天荒坪抽水蓄能電站、十三陵抽水蓄能電站、廣州抽水蓄能電站、臺灣日月潭抽水蓄能電站站等。然而，缺少用于兩個大蓄水池以及一個或多個水壩的可利用場地是抽水蓄能的主要缺點。用于建造的長交付周期和環境問題（例如，在對蓄水池注水前將樹木和植被從土地上除去）是抽水蓄能系統的另外兩個主要缺點。因而其在燃氣輪機領域中應用并不算太常見。

三、技術展望

根據上述時間脈絡可知，該技術起源于60年代，由于當時技術剛剛提出，方案仍然處于論證階段，申請人都在集中討論方案的構造以及可行性分析。隨著研究的深入，解決了氣體存儲、運行參數確定、快速響應等關鍵問題，該技術于1978年投入生產。隨著該電站實際投產過程，暴露了一系列的技術問題，比如能源利用率低等問，因此在80-90年代，申請人的討論主要集中于提高能源利用率、擴大儲氣儲氣量，提升調峰的性能，此時的專利多數都是系統的改造，工藝的組合以及氣體存儲的研究。90年代末，開始出現了新能源以及清潔能源的應用，不僅可以提升能源利用，還可以達到節能環保的作用，該應用為了以后發明人的研究擴寬了道路。進入21世紀以來，太陽能、風能、化學能相繼引入到該領域，蓄能技術如蓄熱器、蓄冷等傳統蓄能方式引入，擴展了燃氣輪機的蓄能范圍以及，蓄能的用途。隨著接近50年的發展，燃氣輪機蓄能技術已經逐漸成熟，當前的該技術發展方向主要三個：

第一、提升系統理論的完備性，余熱等其他相關能源的利用，提升系統的效率，系統趨于復雜化。

第二、擴大儲氣容量，研究儲氣技術，擴大儲氣量，進一步提升調峰填谷的能力，以適應當前能源時間利用的不協調。

第三、新型蓄能方式，如燃料電池、化學電池以及超導磁等技術的引入，使得該系統小型化成為可能。如在多種交通工具如飛機、輪船等裝置都會設置燃氣輪機系統，通過簡化設備以及提高單位蓄能力來滿足小集成化的要求。■

參考文獻

[1] 蓄冷技術在燃氣輪機循環中的應用研究. [動力工程]. 西安：西安交通大學，2001.

[2] 蓄能方式之化學蓄能. [中學生數理化]. 美國：美國加利福尼亞大學，2012.

[3] 熱電聯產系統蓄能調節的混和動力原理. [中國工程熱物理學會]. 北京：中國科學院工程熱物理研究所，2010.