300 MW級壓縮空氣儲能電站站用電負荷分類及供電方案研究

徐陳成 梁文軍

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一種先進的物理儲能技術，具備建設成本低、安全性相對較高、運行過程中不產生環境污染、儲能時間長、使用壽命長等技術優勢，發展潛力較大，應用前景廣闊，是我國儲能技術發展的重要方向之一[1-4]。300 MW級壓縮空氣儲能電站的主系統包括壓縮空氣系統、儲換熱系統和膨脹發電系統，配套設置輔機站用電負荷。根據對主機設備制造廠的調研情況，結合工程實際需求，本文對300 MW級壓縮空氣儲能電站主系統配套輔機站用電的設置、負荷分類和供電方案進行了研究，提出了推薦性建議。

1 300 MW級壓縮空氣儲能電站系統配置情況

經調研，我國已建及在建的300 MW級壓縮空氣儲能電站工程，根據工程的具體情況，一般每套機組壓縮空氣系統配置多臺10～80 MW級的大容量壓縮機，膨脹發電系統配置一套300 MW級空氣透平發電機組。

本文分析研究了10～80 MW級壓縮機、儲換熱系統負荷、300 MW級空氣透平配套輔機的設置、負荷分類，重點研究在失去交流工作電源，發生事故緊急停機時輔機的保安電源需求，并提出合適的供電方案。

參照DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》[5]，300 MW級壓縮空氣儲能電站的站用電負荷按其對人身安全和設備安全的重要性，分為0類負荷和非0類負荷。站用電負荷的重要性由其所屬的工藝系統確定。

2 壓縮機配套輔機負荷分類及供電方案研究

通過調研國內主要大型壓縮機制造廠，對10～80 MW級壓縮機配套輔機設置及運行特性分析如下。

2.1 壓縮機配套輔機負荷的設置

為滿足壓縮機事故停機時的潤滑油需求，通常可采用高位油箱方案或者直流潤滑油泵。高位油箱容積設置一般為滿足壓縮機6 min惰轉的油量需求，可保證壓縮機正常惰轉停車。目前各已建或在建300 MW級壓縮空氣儲能電站項目均未采用高位油箱方案，而是設置直流潤滑油泵和蓄電池直流電源系統，以滿足壓縮機事故停機時的潤滑油需求。

不設高位油箱時，對于10～80 MW級壓縮機，交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、盤車電動機、油箱排煙風機為必需的配置。交流潤滑油泵、油箱排煙風機一般配置2臺，一用一備。直流潤滑油泵、盤車電動機一般均配置1臺。頂軸油泵可根據壓縮機軸承比壓確定配置方案，大容量壓縮機電動機的潤滑油及頂軸油與壓縮機共用，不單獨設置油泵及電動機。

2.2 壓縮機配套輔機負荷分類

壓縮機機組正常停機時，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機均需運行，按照設定的邏輯自動啟停。

當失去交流工作電源發生事故緊急停機時，僅直流潤滑油泵需設置直流保安電源。聯鎖邏輯為判定主輔交流潤滑油泵同時斷電時，直流潤滑油泵啟動。僅需要確保壓縮機軸承有潤滑油，以便機組惰轉停機，直流潤滑油泵運行時間不小于30 min。事故緊急停機過程中，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機無須供電。為防止壓縮機發生大軸損壞，需進行盤車。由于失去工作電源，需要人工手動盤車，每隔半小時盤車轉動半圈約180°。

壓縮機正常運行時潤滑油系統必須運行。在不考慮直流油泵啟動的情況下，交流潤滑油泵短時失電會造成壓縮機機組緊急停機、生產停頓，建議交流潤滑油泵按照Ⅰ類負荷考慮。

在壓縮機組啟停機過程中，頂軸油泵、盤車電動機需要運行，若其短時失電，機組依然可以完成啟停機，但這種情況有次數限制，會對機組使用壽命產生不利影響或需要提前進行機組大修，建議頂軸油泵和盤車電動機按照Ⅰ類負荷考慮。

壓縮機配套輔機負荷特性如表1所示。

表1 壓縮機配套輔機負荷特性參考表

2.3 壓縮機配套輔機負荷供電方案

根據壓縮機配套輔機負荷特性分析結果，供電方案如下：

直流潤滑油泵為0Ⅱ類負荷，應由蓄電池直流電源系統供電，供電時間不小于30 min。

交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機為Ⅰ類負荷，油箱排煙風機為Ⅱ類負荷，應分別按照負荷類別從機組工作PC或壓縮機MCC供電。

另外，在電站配置了交流保安電源的情況下，可考慮頂軸油泵、盤車電動機由保安電源供電，以代替事故緊急停機時的人工手動盤車，提高運行的便利性。但該方案會增大柴油發電機組的容量，小幅提高交流保安電源系統的設備造價，具體可根據建設方的運行需求確定。

3 儲換熱系統負荷分類及供電方案研究

3.1 儲換熱系統負荷的設置

300 MW級壓縮空氣儲能電站的儲換熱系統，根據不同的工藝路線，目前主要有基于中溫熱水的中溫儲熱系統和基于低溫熔融鹽的高溫儲熱系統[6-7]兩種方案。

基于中溫熱水的中溫儲熱系統，站用電負荷主要包括熱水循環水泵、冷水循環水泵、閉式循環冷卻水泵、球罐電伴熱系統。熱水循環水泵、冷水循環水泵一般設置3臺，兩用一備；閉式循環冷卻水泵一般設置2臺，一用一備；球罐電伴熱系統一般按照熱水儲罐設置，每個熱水儲罐設置1套電伴熱系統。

基于低溫熔融鹽的高溫儲熱系統，另外還有熔融鹽儲罐電加熱器、儲熱區熔融鹽電伴熱、換熱區熔融鹽電伴熱、熔融鹽電加熱爐、熔融鹽空冷器、熱熔融鹽泵、冷熔融鹽泵、熔融鹽疏鹽泵等電負荷。熔融鹽電加熱爐一般設置1臺；熔融鹽空冷器一般設置2臺，一起運行；熱熔融鹽泵、冷熔融鹽泵一般設置3臺，兩用一備；熔融鹽疏鹽泵一般設置2臺，一用一備；熔融鹽儲罐電加熱器、儲熱區熔融鹽電伴熱、換熱區熔融鹽電伴熱按照熔融鹽儲罐和換熱器的布置方案確定數量。

3.2 儲換熱系統負荷分類

基于中溫熱水的中溫儲熱系統中，熱水循環水泵在發電工況下運行，冷水循環水泵及閉式循環冷卻水泵在儲能工況下運行。球罐電伴熱系統在第一次啟機及熱水溫度低于整定值時運行。

基于低溫熔融鹽的高溫儲熱系統中，熔融鹽電加熱爐、熔融鹽空冷器在第一次啟機時運行。冷熔融鹽泵在儲能工況下運行，熱熔融鹽泵在發電工況下運行。儲熱區熔融鹽電伴熱、熔融鹽儲罐電加熱器、換熱區熔融鹽電伴熱在熔融鹽溫度低于整定值時運行。在儲熱系統第一次運行之后，由于熔融鹽的固有特性，其溫度必須始終保持在析晶點之上，而不能降低至析晶點以下，否則會發生不可逆的系統損壞，造成經濟損失。儲熱區熔融鹽電伴熱、熔融鹽儲罐電加熱器不允許較長時間停電。考慮極端情況下，在送出線路發生較長時間故障時，保障高溫儲熱系統安全的需求，建議將儲熱區熔融鹽電伴熱、熔融鹽儲罐電加熱器按照交流保安負荷考慮。

儲換熱系統負荷特性如表2所示。

表2 儲換熱系統負荷特性參考表

3.3 儲換熱系統負荷供電方案

根據儲換熱系統負荷特性分析結果，供電方案如下：

對于基于中溫熱水的中溫儲熱系統，熱水循環水泵、冷水循環水泵及閉式循環冷卻水泵為Ⅰ類負荷，球罐電伴熱系統為Ⅲ類負荷，高壓負荷應從機組高壓站用母線供電，低壓負荷應分別按照負荷類別從儲換熱PC或儲換熱MCC供電。

對于基于低溫熔融鹽的高溫儲熱系統，熱熔融鹽泵、冷熔融鹽泵、熔融鹽疏鹽泵為Ⅰ類負荷，熔融鹽電加熱爐、熔融鹽空冷器為Ⅱ類負荷，換熱區熔融鹽電伴熱為Ⅲ類負荷，高壓負荷應從機組高壓站用母線供電，低壓負荷應分別按照負荷類別從儲換熱PC或儲換熱MCC供電。儲熱區熔融鹽電伴熱、熔融鹽儲罐電加熱器為0Ⅲ類負荷，應從交流保安電源供電。

4 空氣透平配套輔機負荷分類及供電方案研究

通過調研國內主要大型汽輪機制造廠，對300 MW級空氣透平配套輔機設置及運行特性分析如下。

4.1 空氣透平配套輔機負荷的設置

空氣透平發電機組與常規火力發電廠的汽輪發電機組原理相同，主要配套輔機也相同，主要區別在于做功介質不同。與汽輪機相比，空氣透平的做功介質不是高溫高壓蒸汽而是壓縮空氣，主汽溫度相對較低，根據不同工藝路線，主汽溫度范圍為170～330 ℃。由于上述區別，同等功率等級的空氣透平轉子的重量要遠大于汽輪機。因此，空氣透平配套輔機的負荷分類與汽輪機不完全一致。

參考DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》[5]中 “附錄B 火力發電廠常用廠用負荷特性參考表” 內容：200 MW級及以上機組，汽輪機盤車電動機、頂軸油泵、交流潤滑油泵作為0Ⅲ類負荷（即交流保安負荷），需要交流保安電源；125 MW級及以下機組，汽輪機盤車電動機、頂軸油泵、交流潤滑油泵作為Ⅱ類負荷，不需要設置交流保安電源。

300 MW級空氣透平的重要配套輔機主要包括交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機等。交流潤滑油泵、頂軸油泵、油箱排煙風機一般設置2臺，一用一備；盤車電動機一般設置1臺。

直流電源只能保證事故緊急情況下空氣透平發電機組能夠正常惰走停機，停機后為防止汽缸溫差損害轉軸，需要對轉軸進行盤車，盤車到汽缸最高溫度降到安全溫度以下，才可停止盤車。在整個盤車期間，交流潤滑油泵、頂軸油泵、油箱排煙風機和盤車電動機需要持續運行。

當機組失去正常交流站用電時，機組應立即停機。由于柴油發電機自啟動并達到滿足加載負荷需要約15 s的啟動時間，系統會自動先啟動直流潤滑油泵，待交流保安電源準備就緒后依次自動啟動交流潤滑油泵、油箱排煙風機、頂軸油泵、盤車電動機。此時，運行人員可以手動關閉直流潤滑油泵。從緊急停機觸發到允許停止盤車，機組需要持續供電約24 h。

4.2 空氣透平配套輔機負荷分類

1）交流、直流潤滑油泵。對于空氣透平，潤滑油系統設置2臺100%容量的交流潤滑油泵和1臺直流潤滑油泵，2臺交流潤滑油泵，一用一備。機組正常運行時，交流潤滑油泵投運，切換油泵或交流潤滑油泵故障時啟動直流潤滑油泵。

在失去正常廠用電源且事故停機時，首先直流事故油泵投入運行，當保安柴油發電機組提供電源時，交流潤滑油泵啟動，以保證長時間潤滑油系統正常運行，直到空氣透平盤車停運后，才可停止交流潤滑油泵。直流事故油泵運行時間建議不小于2 h。

2）頂軸油泵。空氣透平的頂軸系統向每個軸承注入高壓潤滑油，支承轉子，使軸承潤滑油形成油膜。頂軸系統設置2臺全容量交流頂軸油泵，一用一備。

空氣透平停機惰走，轉速下降到一定值時，頂軸油泵啟動，直到盤車裝置停運后，才可關閉頂軸油泵。

3）盤車裝置。為防止停機時汽缸內的溫差導致轉子彎曲，在空氣透平轉子惰轉停止前，啟動盤車裝置帶動轉子旋轉，直到汽缸內達到制造要求的安全溫度，才允許盤車裝置停運。

4）油箱排煙風機。對于空氣透平，潤滑油系統的主油箱上設置2臺全容量的交流電動機驅動的油箱排煙風機，一用一備。該設備可以防止油霧/潤滑油從油封環逸出而進入廠房。空氣透平啟動和運行過程中，油箱排煙風機需要運行。事故停機時，考慮到防爆要求及潤滑油系統須連續運行約24 h，推薦油箱排煙風機由交流保安電源供電。

另外，某在建300 MW壓縮空氣儲能電站中，空氣透平主機廠確認，該項目的空氣透平參數較低，軸承載荷小，空氣透平及發電機共用一套油系統，在全廠失電緊急停機時，啟動直流事故油泵提供潤滑油和頂軸油，不會造成軸瓦磨損，可保障機組安全停機。停機時高壓油系統運行，進行手動盤車。該項目采用直流供電以滿足事故停機要求，未設置交流保安電源。

壓縮空氣儲能電站可通過設置交流保安電源和增大直流及UPS系統容量兩種方案來給保安負荷供電。具體工程項目需根據制造廠或工藝系統的要求，經過技術經濟比較確定方案。

電站內未設置交流保安電源時，頂軸油泵、盤車電動機、交流潤滑油泵、主油箱排煙風機應按Ⅰ類負荷考慮。電站內設置交流保安電源時，空氣透平配套輔機負荷特性如表3所示。

表3 空氣透平配套輔機負荷特性參考表

4.3 空氣透平配套輔機負荷供電方案

根據空氣透平配套輔機負荷特性分析結果，供電方案如下：

直流潤滑油泵為0Ⅱ類負荷，應由蓄電池直流電源系統供電，供電時間不小于2 h。

電站內設置交流保安電源時，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機為0Ⅲ類負荷，應由交流保安電源供電，運行時間可按24 h考慮。電站內未設置交流保安電源時，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機應按Ⅰ類負荷考慮。

5 結論

根據對設備制造廠的調研情況，結合工程實際需求，本文分析了300 MW級壓縮空氣儲能電站的系統配置情況，分析研究了配套輔機站用電的設置和負荷分類，提出了適用于300 MW級壓縮空氣儲能電站的輔機站用電供電方案，提出了推薦性的壓縮機配套輔機、儲換熱系統、空氣透平配套輔機的站用電負荷特性。

1）壓縮機配套輔機供電方案如下：

直流潤滑油泵為0Ⅱ類負荷，應由蓄電池直流電源系統供電，供電時間不小于30 min。

交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機為Ⅰ類負荷，油箱排煙風機為Ⅱ類負荷，應分別按照負荷類別從機組工作PC或壓縮機MCC供電。

2）儲換熱系統負荷供電方案如下：

對于基于中溫熱水的中溫儲熱系統，熱水循環水泵、冷水循環水泵及閉式循環冷卻水泵為Ⅰ類負荷，球罐電伴熱系統為Ⅲ類負荷，高壓負荷應從機組高壓站用母線供電，低壓負荷應分別按照負荷類別從儲換熱PC或儲換熱MCC供電。

對于基于低溫熔融鹽的高溫儲熱系統，熱熔融鹽泵、冷熔融鹽泵為Ⅰ類負荷，熔融鹽電加熱爐、熔融鹽空冷器為Ⅱ類負荷，高壓負荷應從機組高壓站用母線供電，低壓負荷應分別按照負荷類別從儲換熱PC或儲換熱MCC供電。儲熱區熔融鹽電伴熱、換熱區熔融鹽電伴熱為0Ⅲ類負荷，應從交流保安電源供電。

3）空氣透平配套輔機供電方案如下：

直流潤滑油泵為0Ⅱ類負荷，應由蓄電池直流電源系統供電，供電時間不小于2 h。

電站內設置交流保安電源時，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機為0Ⅲ類負荷，應由交流保安電源供電，運行時間可按24 h考慮。電站內未設置交流保安電源時，交流潤滑油泵、頂軸油泵、盤車電動機、油箱排煙風機應按Ⅰ類負荷考慮。