與燃煤電站耦合的壓縮空氣儲能系統性能分析

薛小軍， 李云飛， 田煜昆， 彭 程， 陳 衡，徐 鋼， 陳宏剛， 王修彥

(1.華北電力大學 熱電生產過程污染物監測與控制北京市重點實驗室，北京 102206；2.河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050000)

隨著我國經濟和社會的快速發展，發電機組裝機容量迅猛增長，其中燃煤機組占比最高，占發電總裝機容量的56.58%[1]。眾所周知，化石燃料的消耗不僅會造成環境污染、能源短缺，還會排放大量的二氧化碳，造成全球變暖。據統計，目前電力行業每年排放的二氧化碳量占全國碳排放總量的40%以上[2]。面對全球變暖以及最新提出的2030年碳達峰、2060年碳中和的雙重挑戰，我國發電行業實現低碳化轉型迫在眉睫，發展可再生能源成為未來能源發展的主要趨勢。

近年來，我國大力推廣可再生能源發電，截至2020年底，并網風電裝機容量為28 153萬kW，并網太陽能發電裝機容量為25 343萬kW[1]。然而，可再生能源自身具有的間歇性、波動性和不穩定性也給提高新能源的并網發電占比帶來了巨大的挑戰[3]。而電能儲能技術可以有效促進可再生能源大規模應用，實現發電側與需求側的平衡。壓縮空氣儲能(CAES)系統因其壽命長、對環境影響小、可靠性高、可用性好和經濟效益好等優點而被認為是最具發展前景的電力儲能技術之一[4]。在壓縮空氣儲能系統中，儲能過程中使用電動壓氣機將電能轉換為壓縮空氣的勢能，隨后將壓縮空氣存儲在存儲容器中；而當電力供應緊張時，可將壓縮空氣排入渦輪機發電，完成釋能過程。然而,壓縮空氣儲能系統在應用中仍存在循環效率低、操作不穩定和地質限制等技術難題。

以上研究表明，國內外學者已經對壓縮空氣儲能系統與其他能源系統的集成進行了廣泛的研究。然而，將壓縮空氣儲能系統與燃煤電廠相結合的研究卻不多。雖然王曉露等[11-12]對壓縮空氣儲能系統與火電機組耦合進行了研究，但在探索壓縮空氣儲能與燃煤發電機組的系統集成以及性能提升機理研究方面還需要進行深入的研究。在此背景下，筆者提出了壓縮空氣儲能系統與燃煤電站耦合的概念性方案。以國內某630 MW燃煤發電機組為例，通過對新型壓縮空氣儲能系統(即耦合系統)進行能量分析和分析，揭示該系統性能改善的根本原因，最后對耦合系統的經濟性進行了研究，可為壓縮空氣儲能技術的發展提供參考。

1 系統介紹

1.1 參考燃煤發電機組

選取國內某典型630 MW燃煤發電機組為案例機組，圖1為案例機組示意圖，其中高加為高壓加熱器，低加為低壓加熱器。表1為案例機組的基本參數。該電廠主要包括煤粉鍋爐、抽汽冷凝式汽輪機、發電機以及由8個回熱式加熱器組成的給水加熱系統。該電廠位于華北地區，實際運行參數與設計參數接近，因此筆者采用設計數據進行模型仿真和性能評估。設計數據最初來源于為該電廠建造或該設備的相關制造商。由表1可知，在100%負荷工況下，煤耗量為61.61 kg/s，機組可產生595.35 MW的凈功率，凈發電效率為40.62%。在給水加熱過程中，抽汽將給水從29.0 ℃加熱到276.4 ℃，因此不同溫度的給水可以用來冷卻或加熱壓縮空氣儲能系統的壓縮空氣。

圖1 案例機組示意圖Fig.1 Diagram of the case unit

表1 案例機組基本參數Tab.1 Basic parameters of the case unit

1.2 壓縮空氣儲能系統

圖2為壓縮空氣儲能系統示意圖。由圖2可知，壓縮空氣儲能系統主要包括電動機、壓氣機、膨脹機、儲氣罐、節流閥、換熱器和發電機等。壓縮空氣儲能系統主要參數如表2所示。由表2可知，壓縮空氣儲能系統儲氣罐的設計儲氣壓力為3.22 MPa，儲氣溫度為50.0 ℃，儲氣罐的容積為18 000 m3。儲能時間為8 h，釋能時間為2 h。

圖2 壓縮空氣儲能系統示意圖Fig.2 Diagram of CAES system

表2 壓縮空氣儲能系統的基本參數Tab.2 Basic parameters of CAES system

1.3 耦合系統

為提高壓縮空氣儲能系統的整體性能，筆者提出了一種將燃煤電站與壓縮空氣儲能系統耦合的新型系統。如圖3所示，在儲能過程中，空氣首先在1號壓氣機被壓縮。之后被壓縮的空氣經1號換熱器和2號換熱器冷卻，其中將燃煤發電機組系統中的給水泵出口和凝結水泵出口的給水分別作為換熱器的冷卻介質，并將冷卻空氣送入2號壓氣機中進一步壓縮。在將空氣存儲到儲氣罐之前，采用3號換熱器和4號換熱器再一次冷卻被壓縮的空氣，冷卻介質為回熱系統的給水。完成空氣壓縮過程后，空氣被存儲在儲氣罐中，電能轉化為壓縮空氣能量。在此過程中，燃煤電站的部分給水是由壓氣機排出的空氣加熱的，這樣可以節省用于加熱給水的抽汽，有助于減少燃煤電站的燃料消耗。在釋能過程中，高壓空氣從儲氣罐中釋放出來，由5號換熱器和6號換熱器利用燃煤發電機組回熱系統的給水進行加熱。然后，利用空氣驅動1號膨脹機進行發電。在進入2號膨脹機之前，空氣再次被給水加熱，然后進入2號膨脹機進行發電。當空氣從2號膨脹機排出時，空氣的余熱被8號換熱器的低溫給水回收。最后，將壓縮空氣儲能系統發電機所產生的電能輸送到電網，完成壓縮空氣儲能系統的儲能和釋能過程。通過與燃煤電站進行耦合，可以有效提高壓縮空氣儲能系統的整體效率，同時省去了傳統壓縮空氣儲能系統的蓄熱設備，從而大大降低壓縮空氣儲能系統的投資成本。

圖3 新型壓縮空氣儲能系統示意圖Fig.3 Diagram of the proposed CAES system

2 分析方法

2.1 系統建模

采用EBSILON Professional軟件對所研究的系統進行仿真。該軟件廣泛用于發電行業中熱力系統的熱平衡計算和仿真，對于不同的熱力系統具有良好的通用性和高保真度。圖4為燃煤電站與壓縮空氣儲能耦合系統EBSILON Professional模型圖。為了便于對耦合系統的性能進行評價，提出以下假設[13]：(1)耦合系統中燃煤發電機組發電機功率在儲能過程和釋能過程中都保持不變；(2)環境溫度和壓力分別為20.0 ℃和101.325 kPa；(3)空氣為理想氣體；(4)鍋爐效率保持不變；(5)忽略輔助系統及周圍環境對耦合系統的影響。

1-鍋爐；2-高壓缸；3-中壓缸；4-低壓缸；5-發電機；6-凝汽器；7-回熱系統；8-壓縮機；9-換熱器；10-儲氣罐；11-膨脹機。

2.2 能量分析

在新型壓縮空氣儲能系統儲能和釋能的過程中，通過調節燃煤的消耗量來保證燃煤發電機組的凈輸出功率保持一致，且等于案例機組的凈功率。在熱力學第一定律的基礎上，根據新型壓縮空氣儲能系統的輸入能量和輸出能量對其熱力學性能進行評價。在本研究中，選取壓縮空氣儲能系統的循環效率和儲能密度作為評價指標[14]。

壓縮空氣儲能系統的循環效率(R)是指該系統輸出總電量與輸入總電量的比值，其表達式如式(1)所示。其中輸出總電量為壓縮空氣儲能系統發電機的發電量，輸入總電量包含電機耗電量、儲氣過程中煤耗變化對應的電量以及放氣過程中煤耗變化對應的電量。

(4) 中隔壁法(CD法)：將隧道分為左右兩大部分進行開挖，隧道兩側采用臺階法自上而下分層開挖，中間設置中隔壁以增加支護剛度。

(1)

式中：Eout,CAES和Ein,CAES分別為壓縮空氣儲能系統輸出總電量和輸入總能量，MW·h；Pout,CAES和Pin,CAES分別為壓縮空氣儲能系統的發電機功率和電機功率，MW；tc和ts分別為儲能時間和釋能時間，h；Δqm,c為儲能過程中耦合系統的燃煤消耗量與案例機組燃煤消耗量的差值，kg/s；Δqm,s為釋能過程中耦合系統的燃煤消耗量與案例機組燃煤消耗量的差值，kg/s；qc,net為煤的凈熱值，kJ/kg；η為燃煤發電機組凈發電效率。

儲能密度表示釋能過程中壓縮空氣儲能系統輸出總電量與儲氣罐容積V的比值：

(2)

式中：D為儲能密度，kJ/m3。

(3)

式中：eout,CAES和ein,CAES分別為壓縮空氣儲能系統輸出和輸入的，MW。

em=qm,m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(4)

式中：qm,m為工質的質量流量，kg/s；h為工質在當前狀態下的焓，kJ/kg；h0為工質在環境狀態下的焓，kJ/kg；T0為工質在環境狀態下的溫度，K；s為工質在當前狀態下的熵，kJ/(kg·K)；s0為工質在環境狀態下的熵，kJ/(kg·K)。

2.4 經濟性分析

由于經濟性是影響新型壓縮空氣儲能系統可行性的一個重要因素，因此有必要對該系統的經濟性進行分析。在本研究中，采用動態投資回收期(H)和凈現值(N)作為評估系統經濟性的指標[4]。動態投資回收期是指初始資本投資與財務回報相等的時間，因此動態投資回收期越短，項目盈利能力越強。H可表示為：

(5)

(6)

式中：I和O分別為第y年的現金流入和現金流出，元；t+為假設系統各年度累計凈現金流量第一次為正或為零的年份;idis為貼現率,%。

凈現值表示耦合系統整個壽命期間的累計凈現金流量，因此凈現值越多，項目盈利能力越強。N可表示為：

(7)

式中：n為新型壓縮空氣儲能系統的壽命，a。

3 分析與討論

3.1 能量分析

新型壓縮空氣儲能系統的能量分析是基于案例機組100%負荷工況下進行評估的，其結果如表3所示。在8 h的儲能過程中，壓縮空氣儲能系統的電動機電功率為4.48 MW，消耗電能為35.81 MW·h。同時，由于壓縮空氣向燃煤電站的給水系統釋放熱量，而燃煤電站的凈功率保持不變，因此煤耗率降低0.08 kg/s，共節約5.73 MW·h的電能。在2 h的釋能過程中，膨脹機的功率為12.01 MW。由于壓縮空氣進入膨脹機做功之前會被回熱系統的給水加熱，因此煤耗率會增加0.44 kg/s。在整個循環過程中，壓縮空氣儲能系統凈消耗電能37.96 MW·h，凈釋放電能24.02 MW·h，因此壓縮空氣儲能系統的循環效率可達63.28%，儲能密度為4.80 MJ/m3。

表3 耦合系統的能量分析Tab.3 Energy analysis of the integrated system

圖5給出了案例機組和新型壓縮空氣儲能系統的能流圖，主要研究了系統中發生的能量轉移和轉換。從圖5可以看出，將燃煤和電能作為系統的輸入能量，同時保持燃煤電站的凈功率(595.35 MW)不變，燃煤電站側主要部件的能量損失變化不明顯。在新型壓縮空氣儲能系統儲能過程中，給水系統從壓縮空氣中吸收了4.01 MW的能量，從而減少燃煤輸入能量1.90 MW。在釋能過程中，給水系統向壓縮空氣儲能側輸送14.48 MW熱能，同時從2號膨脹機出口空氣中回收2.53 MW熱能。在一個完整的儲釋能循環過程中，壓縮空氣儲能系統在電力非高峰時段可存儲35.81 MW·h電量，在電力需求較強時可貢獻24.02 MW·h電量。

(a) 案例機組

(b) 新型壓縮空氣儲能系統儲能過程

(c) 新型壓縮空氣儲能系統釋能過程

表4 新型壓縮空氣儲能系統的分析Tab.4 Exergy analysis of the proposed CAES system

表4 新型壓縮空氣儲能系統的分析Tab.4 Exergy analysis of the proposed CAES system

參數或損失值/(MW·h)占比/%輸入電能35.8156.01來自回熱系統給水的輸入28.1243.99總輸入63.93100.00傳遞至回熱系統的輸出26.4941.44輸出電能24.0237.58總輸出50.5179.02電動機損失1.071.681號壓氣機損失1.282.002號壓氣機損失1.271.991號和2號換熱器損失0.811.273號和4號換熱器損失0.921.44節流閥損失3.445.385號和6號換熱器損失0.721.131號膨脹機損失1.312.057號換熱器損失0.711.112號膨脹機損失1.181.848號換熱器損失0.230.35排氣損失0.310.35發電機損失0.240.38損失總和13.4920.98

3.3 經濟性分析

新型壓縮空氣儲能系統在原有案例機組的基礎上增加了壓縮空氣儲能系統,同時利用用電低谷時段的電能壓縮空氣，在用電高峰時段時系統釋放電能，從而提高了該系統的經濟性。新增系統的主要投資為壓縮空氣儲能系統設備投資；新增系統年度總成本包括年度設備運行維護費用及年度燃料成本(包含系統耦合導致的燃煤量變化)；新增年度總收入主要為壓縮空氣儲能系統發電收益[15]。表5給出了經濟性分析的基本數據。

表5 經濟性分析基本數據Tab.5 Basic parameters for the economic analysis

具體經濟性分析結果如表6所示。采用規模因子法對新增系統的設備投資進行估算。選取參考文獻[15]的相關數據，計算得出新型壓縮空氣儲能系統的設備總投資為1 914.56萬元。新增系統年度設備運行維護費用為114.87萬元，年度燃料成本為218.92萬元。而通過發電的年收益為824.40萬元，因此年利潤為490.60萬元。最終可以得出：新型壓縮空氣儲能系統動態投資回收期為7.06 a，凈現值可達1 449.65萬元。由此可見，新型壓縮空氣儲能系統具有較好的經濟性，有利于壓縮空氣儲能系統的發展。

表6 新型壓縮空氣儲能系統的經濟性分析結果Tab.6 Economic analysis results of the proposed CAES system

4 結 論

(1) 由新型壓縮空氣儲能系統的能量分析可知，壓縮空氣儲能系統的循環效率為63.28%，儲能密度為4.80 MJ/m3。

(3) 新型壓縮空氣儲能系統的經濟性分析結果表明，該系統的動態投資回收期為7.06 a，凈現值為1 449.65萬元。