非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能研究及工程實(shí)踐以金壇國(guó)家示范項(xiàng)目為例

　　摘 要：儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、支撐能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的關(guān)鍵技術(shù)，而非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能是極具發(fā)展前景的新型大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有大容量、高效率、長(zhǎng)壽命、零排放等優(yōu)點(diǎn)。該文以某 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電國(guó)家示范項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的基本原理、技術(shù)路線、裝備研發(fā)和工程實(shí)踐。該項(xiàng)目的成功實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得重大進(jìn)展，將為構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)提供儲(chǔ)能新方案。

　　關(guān)鍵詞：可再生能源;新型儲(chǔ)能技術(shù);壓縮空氣儲(chǔ)能;鹽穴儲(chǔ)氣;金壇國(guó)家示范項(xiàng)目

　　隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，可再生能源將成為未來(lái)電力供應(yīng)的重要組成部分，但是由于可再生能源固有的間歇性和不確定性，導(dǎo)致并網(wǎng)消納困難，每年棄風(fēng)、棄光嚴(yán)重[1]，電網(wǎng)峰谷差逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)使得該問(wèn)題進(jìn)一步惡化。電力系統(tǒng)迫切需要先進(jìn)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決可再生能源接入問(wèn)題，以提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)的效率、安全性及經(jīng)濟(jì)性。壓縮空氣儲(chǔ)能具有容量大、壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是支撐我國(guó)大規(guī)模發(fā)展可再生能源、保障能源安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)家“十四五”規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確指出要實(shí)施的儲(chǔ)能技術(shù)之一。因此，開(kāi)展壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究，對(duì)解決電能的大規(guī)模工程化存儲(chǔ)難題、推動(dòng)可再生能源的蓬勃發(fā)展具有重大意義。

　　1 壓縮空氣儲(chǔ)能

　　1.1 壓縮空氣儲(chǔ)能基本原理

　　壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage,CAES)系統(tǒng)采用壓縮空氣作為儲(chǔ)能載體，是一種以機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)及跨時(shí)間、空間轉(zhuǎn)移和利用的物理儲(chǔ)能技術(shù)[2-4]。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為儲(chǔ)能和釋能兩個(gè)工作過(guò)程：儲(chǔ)能時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將環(huán)境空氣壓縮至高壓狀態(tài)并存入儲(chǔ)氣裝置，電能在該過(guò)程中轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能和壓力勢(shì)能(步驟 1 和 2);釋能時(shí)，儲(chǔ)氣裝置中存儲(chǔ)的壓縮空氣進(jìn)入空氣透平膨脹機(jī)中膨脹做功發(fā)電，壓縮空氣中蘊(yùn)含的內(nèi)能和壓力勢(shì)能在該過(guò)程中重新轉(zhuǎn)化為電能(步驟 3 和 4)。作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮?chǔ)能技術(shù)，壓縮空氣儲(chǔ)能可廣泛應(yīng)用于電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，一般可用于以下場(chǎng)景[5-6]：

　　(1)負(fù)荷中心削峰填谷。我國(guó)區(qū)域電網(wǎng)峰谷差呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大趨勢(shì)，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)可以高效利用谷段、平段等閑置時(shí)段電網(wǎng)剩余通道，削減電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差，提高電網(wǎng)通道利用水平。(2)消納大規(guī)�？稍偕�能源發(fā)電。實(shí)現(xiàn)大規(guī)�？稍偕�能源的高效消納是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的必然途徑。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有能量?jī)?chǔ)存及跨時(shí)間、空間轉(zhuǎn)移利用的特征，可有效調(diào)節(jié)可再生能源出力特性，增加其可調(diào)度水平，促進(jìn)可再生能源高效消納。

　　(3)智能電網(wǎng)輔助服務(wù)。除削峰填谷外，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，可為智能電網(wǎng)提供多樣化的輔助服務(wù)，提高電網(wǎng)利用水平。(4)綜合能源系統(tǒng)能量樞紐。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以與光熱、地?zé)峄蚬�業(yè)余熱相耦合，以其作為綜合能源系統(tǒng)的能量樞紐，可發(fā)揮其多能聯(lián)儲(chǔ)多能聯(lián)供性，顯著提高系統(tǒng)布置的靈活性和利用效率。

　　1.2 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)自 1949 年 Stal Laval 提出利用地下洞穴實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)圍繞壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐工作，其中最先發(fā)展起來(lái)的是補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能。通過(guò)借鑒燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能在膨脹機(jī)前設(shè)置燃燒器，利用天然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度。

　　20 世紀(jì)全球僅有的兩座商業(yè)化運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站均為補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。1978 年，全球首座壓縮空氣儲(chǔ)能電站 Huntorf 在聯(lián)邦德國(guó)投入運(yùn)營(yíng)，發(fā)電裝機(jī) 290 MW，可連續(xù)供電2 h，標(biāo)志著壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)正式進(jìn)入能源市場(chǎng)[7];1991 年，全球第二座壓縮空氣儲(chǔ)能電站 McIntosh 在美國(guó)投入運(yùn)營(yíng)，發(fā)電裝機(jī) 110 MW，最長(zhǎng)可連續(xù)供電 26 h[8]。補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟度高、設(shè)備運(yùn)行可靠、投資成本低、使用壽命長(zhǎng)，具備與燃?xì)怆娬绢愃频目焖夙憫?yīng)特性。然而，在當(dāng)前大力發(fā)展綠色能源、控制碳排放量的大背景下，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的碳排放已成為其最大弊端。隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保壓力增大，開(kāi)發(fā)完全不依賴天然氣的清潔高效壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已成為儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

　　1.3 清潔壓縮空氣儲(chǔ)能研究進(jìn)展和補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)不同，清潔壓縮空氣儲(chǔ)能通過(guò)非燃燒、無(wú)化石燃料的技術(shù)手段來(lái)滿足膨脹過(guò)程中的加熱需求，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電力存儲(chǔ)和再生。根據(jù)熱能來(lái)源和應(yīng)用方式的不同，清潔壓縮空氣儲(chǔ)能又可進(jìn)一步劃分為絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能和液態(tài)空氣儲(chǔ)能等不同的技術(shù)路線。

　　1.3.1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能在壓縮過(guò)程中通過(guò)提升壓縮機(jī)單級(jí)壓縮比獲得較高溫度的壓縮空氣和較高品位的壓縮熱能，并將壓力勢(shì)能和壓縮熱能解耦儲(chǔ)存。釋能時(shí)，利用儲(chǔ)熱裝置將壓縮熱反饋給高壓空氣，實(shí)現(xiàn)空氣壓力勢(shì)能和壓縮熱能的耦合釋能，提高系統(tǒng)的整體效率。根據(jù)儲(chǔ)熱溫度的不同，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能又可分為高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能和中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能以德國(guó)萊茵電力公司(RWE)的ADELE 項(xiàng)目為代表[9]，該項(xiàng)目采用高溫壓縮機(jī)將空氣壓縮至 10 MPa、600 ℃，以達(dá)到 70%的理論儲(chǔ)能效率。然而高溫壓縮和高溫高壓固體蓄熱技術(shù)難度極大，該項(xiàng)目自 2010 年后處于停滯狀態(tài)并最終被取消。中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能適當(dāng)降低了壓縮機(jī)排氣溫度(< 400 ℃)，可基于當(dāng)前成熟的關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和工藝水平開(kāi)展設(shè)計(jì)和制造，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。截至 2020 年底，全球已開(kāi)展的壓縮空氣儲(chǔ)能工程實(shí)踐大部分采用了中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線。

　　1.3.2 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)[10]在準(zhǔn)等溫壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換，在壓縮過(guò)程中實(shí)時(shí)分離壓縮熱能和壓力勢(shì)能，使壓縮空氣不發(fā)生較大的溫升;相應(yīng)地，在膨脹過(guò)程中，實(shí)時(shí)將存儲(chǔ)的壓縮熱能回饋給壓縮空氣，使壓縮空氣不發(fā)生較大的溫降。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行參數(shù)低，但其裝機(jī)功率一般較小，僅適用于小容量的儲(chǔ)能場(chǎng)景，例如分布式儲(chǔ)能。

　　1.3.3 液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能液態(tài)空氣儲(chǔ)能在絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了低溫過(guò)程和蓄冷裝置，將空氣液化后常壓存儲(chǔ)，可大幅提升儲(chǔ)能密度，減小系統(tǒng)儲(chǔ)氣容積，減少電站對(duì)地形條件的依賴[11]。但由于增加了蓄冷系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。同時(shí)，由于蓄冷系統(tǒng)在儲(chǔ)能和釋能過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)損失，導(dǎo)致系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率偏低。和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能相比，液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)還是一項(xiàng)有待深入研究和完善的技術(shù)。

　　2 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)

　　2.1 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理2011 年，本團(tuán)隊(duì)提出了基于壓縮熱回饋的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線[12]，以實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與國(guó)產(chǎn)化設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平的契合，從而降低投資成本、促進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能在國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用。其工作原理是，利用棄風(fēng)棄光或低谷電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓至儲(chǔ)氣室，同時(shí)利用換熱器將壓縮熱存至儲(chǔ)熱裝置，實(shí)現(xiàn)電能向壓力勢(shì)能和壓縮熱能的解耦存儲(chǔ)。發(fā)電時(shí)，釋放高壓空氣，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存的壓縮熱加熱，形成高溫高壓空氣驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)發(fā)電。同時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)存的壓縮熱可以對(duì)外供熱，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行工況，透平出口的低溫空氣可以對(duì)外制冷。因此，非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能是一個(gè)冷熱電聯(lián)供的系統(tǒng)，全過(guò)程沒(méi)有碳排放，綜合效率高。從技術(shù)分類上，非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能屬于中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線。

　　2.2 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　2012 年，在國(guó)家電網(wǎng)公司大力支持下，清華大學(xué)(Tsinghua University)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所(Technical Institute of Physics and Chemistry，TIPC)及中國(guó)電力科學(xué)研究院(China Electric Power ResearchInstitute，CEPRI)，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)驗(yàn)證和工程實(shí)踐工作，于 2014 年在安徽省蕪湖市建成了 TICC-500(500 kW Tsinghua-IPCCASCEPRI CAES)電站[13]。

　　電站采用 5 級(jí)壓縮、3 級(jí)膨脹的布置方式，儲(chǔ)熱系統(tǒng)以加壓水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，蓄熱溫度為 120 ℃。儲(chǔ)氣系統(tǒng)采用兩個(gè)鋼制臥式儲(chǔ)氣罐并聯(lián)，單個(gè)儲(chǔ)氣容積為 50 m3，共計(jì) 100 m3。電站設(shè)計(jì)發(fā)電功率為 500 kW，最大連續(xù)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)為 1 h，電-電效率 41%，能量綜合利用效率 72%。TICC-500電站的建成和成功并網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)化壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和工程應(yīng)用技術(shù)等多方面取得突破。為了進(jìn)一步提升壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，清華大學(xué)提出了光熱復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線，并借助我國(guó)西部地區(qū)極為豐富的光熱資源開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

　　2017 年，清華大學(xué)聯(lián)合青海大學(xué)在青海西寧搭建了 100 kW 光熱復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能工業(yè)試驗(yàn)電站[14]，并成功實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電，系統(tǒng)電-電效率51%，能量綜合利用效率達(dá) 80%。該電站將非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與光熱集熱系統(tǒng)復(fù)合起來(lái)，利用光熱系統(tǒng)取代絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，采用導(dǎo)熱油作為蓄熱介質(zhì)存儲(chǔ)太陽(yáng)能光熱并加熱空氣透平進(jìn)氣，蓄熱溫度為 260 ℃，大大提高了系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。該電站為太陽(yáng)能的綜合利用和消納提供了新的思路，在西部光熱資源豐富地區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景。

　　3 金壇國(guó)家示范項(xiàng)目

　　非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能全過(guò)程無(wú)污染和排放，具有大容量、高效率、長(zhǎng)壽命、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域極具潛力的發(fā)展方向之一。然而，其在推廣應(yīng)用中受到了儲(chǔ)氣系統(tǒng)容量及成本的限制，采用鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題。中鹽金壇鹽化有限公司自 2003 年起，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)始建造天然氣鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)，形成了集鹽穴采礦、造腔、利用于一體的新型鹽產(chǎn)業(yè)模式。鑒于清華大學(xué)在非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能方面取得的研究成果及中鹽金壇在鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，2017 年 5 月 27 日，國(guó)家能源局批復(fù)立項(xiàng)了江蘇金壇 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電國(guó)家示范項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“金壇國(guó)家示范項(xiàng)目”)。項(xiàng)目一期將建設(shè) 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，未來(lái)將分期建設(shè)總裝機(jī)容量達(dá)到 1 000 MW 的壓縮空氣儲(chǔ)能電站群，打造大規(guī)模清潔物理儲(chǔ)能基地。

　　3.1 鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)

　　鹽穴是采用人工開(kāi)采方式在鹽巖層或鹽丘層中形成的腔體，其一般采用鉆井水溶法進(jìn)行建造，具有力學(xué)性能穩(wěn)定、儲(chǔ)氣壓力高、氣密性好、造價(jià)低、技術(shù)成熟、儲(chǔ)氣容量大等優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)儲(chǔ)存石油、天然氣、壓縮空氣等液態(tài)及氣體產(chǎn)品[15]。國(guó)外利用鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)的歷史最早可追溯到20 世紀(jì) 40 年代，期間加拿大首次采用鹽穴存儲(chǔ)油類制品，1949 年美國(guó)開(kāi)始采用鹽穴儲(chǔ)存液化石油氣，之后鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)在歐美得到迅速推廣。截至 2018 年底，歐美共有地下儲(chǔ)氣庫(kù)群 140 余座，總庫(kù)容量超過(guò)200 億 m3。我國(guó)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣的研究起步較晚，2007 年2 月，作為我國(guó)“西氣東輸”的重要配套項(xiàng)目，金壇儲(chǔ)氣庫(kù)工程正式運(yùn)行，成為亞洲首個(gè)地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)[16]。截至 2020 年 10 月，我國(guó)在建或規(guī)劃鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)群 12 個(gè)，在運(yùn)行鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)群 3 個(gè)，在運(yùn)行鹽穴共計(jì)44 個(gè)，儲(chǔ)氣量超 15 億 m3。

　　鹽穴儲(chǔ)氣作為一種優(yōu)良的大規(guī)模儲(chǔ)氣方式，與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，相得益彰。20 世紀(jì)投入商業(yè)運(yùn)行的德國(guó) Huntorf 電站和美國(guó) McIntosh 電站均采用地下鹽穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)。2001 年初，德國(guó) Huntorf 電站對(duì)儲(chǔ)氣鹽穴的形狀進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鹽穴體積收縮率為 0.15%/年，平均沉降速率 3.24 mm/年，鹽穴形狀與電站初建時(shí)相差無(wú)幾，未發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，充分表明了鹽穴儲(chǔ)氣技術(shù)的可靠性。

　　3.2 項(xiàng)目概況及技術(shù)路線

　　金壇國(guó)家示范項(xiàng)目位于江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)，毗鄰茅山，距常州市約 65 km，距南京市約 100km。金壇鹽礦是 20 世紀(jì) 60 年代由華東石油地質(zhì)局在該地區(qū)進(jìn)行石油普查時(shí)發(fā)現(xiàn)的，但直到 80 年代末才進(jìn)行勘探和開(kāi)發(fā)。金壇鹽礦鹽盆占地約 60.5 km2，探明儲(chǔ)量 162.42 億 t，年產(chǎn)鹽達(dá) 200 多萬(wàn) t。金壇鹽礦一般儲(chǔ)藏于地表下 800~1 000 m，鹽層厚度可達(dá) 230 m，一般在 150~170 m，鹽盆邊緣厚度為 50~80 m。在這個(gè)厚度巖鹽層中完全可以建造一個(gè)單體高 120~135 m，直徑 80~100 m、容積 10 萬(wàn)~40 萬(wàn) m3 的單體鹽穴群。此外，金壇鹽礦 NaCl 含量高、泥鹽夾層少、礦層頂?shù)装宸植挤�(wěn)定、密封性好，具有建造鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的良好地質(zhì)條件。

　　金壇國(guó)家示范項(xiàng)目由中鹽集團(tuán)、華能集團(tuán)和清華大學(xué)共同建設(shè)，采用優(yōu)化的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線。該系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)組、鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)、蓄熱系統(tǒng)、膨脹機(jī)組、發(fā)電機(jī)、調(diào)度控制系統(tǒng)和送出系統(tǒng)組成。其中，壓縮機(jī)組采用兩級(jí)離心式壓縮機(jī)組，各級(jí)出口均布置蓄熱換熱器;膨脹機(jī)組采用兩級(jí)軸流式空氣透平膨脹機(jī)，各級(jí)前均布置回?zé)釗Q熱器，用于加熱透平進(jìn)氣。蓄熱系統(tǒng)采用高溫合成導(dǎo)熱油作為儲(chǔ)熱和換熱工質(zhì)，最高蓄熱溫度可達(dá) 360 ℃。高壓空氣儲(chǔ)存于地下鹽穴中，鹽穴容積為 22.4 萬(wàn) m3，可大幅節(jié)省占地空間和建設(shè)成本。項(xiàng)目經(jīng) 1 回 110 kV 專線接入 220 kV 塢家變，能夠有效提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，支撐電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　金壇國(guó)家示范項(xiàng)目為日調(diào)度的調(diào)峰電站，根據(jù)當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷狀況，電站的運(yùn)行模式如下：

　　(1)儲(chǔ)能過(guò)程。運(yùn)行時(shí)間為 23:00 至次日 7:00，利用低谷電、棄風(fēng)電等驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)由環(huán)境中吸氣并壓縮，產(chǎn)生高溫高壓空氣進(jìn)入壓縮側(cè)油氣換熱器中與導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱，導(dǎo)熱油吸熱升溫后進(jìn)入高溫導(dǎo)熱油罐，壓縮空氣放熱降溫再經(jīng)冷水塔冷卻至環(huán)境溫度后進(jìn)入鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中進(jìn)行儲(chǔ)存。(2)能量?jī)?chǔ)存。時(shí)間為 7:00—13:00，此時(shí)壓力勢(shì)能以高壓空氣的形式儲(chǔ)存于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中，壓縮熱能以高溫導(dǎo)熱油的形式儲(chǔ)存于高溫導(dǎo)熱油罐中。

　　(3)釋能過(guò)程。運(yùn)行時(shí)間為 13:00—18:00，此時(shí)為用電高峰時(shí)段，高壓空氣從儲(chǔ)氣庫(kù)中釋放，在發(fā)電側(cè)油氣換熱器內(nèi)被高溫導(dǎo)熱油加熱后進(jìn)入帶中間再熱器的二級(jí)空氣透平膨脹做功，完成發(fā)電過(guò)程。(4)待儲(chǔ)過(guò)程：時(shí)間為 18:00—23:00，釋能過(guò)程結(jié)束后，儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)壓力降至初始狀態(tài)，導(dǎo)熱油放熱完畢后進(jìn)入常溫導(dǎo)熱油罐，等待下一個(gè)儲(chǔ)能過(guò)程開(kāi)始。此外，除釋能過(guò)程外，透平發(fā)電機(jī)組以調(diào)相模式運(yùn)行，以少量的高壓空氣及熱能損耗為代價(jià)，采用高壓空氣直接驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)組使其保持同步轉(zhuǎn)速，通過(guò)勵(lì)磁控制發(fā)出或吸收一定量的無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功電壓支撐的功能[17]。

　　3.3 關(guān)鍵裝備設(shè)計(jì)研發(fā)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能涉及電力、熱工、機(jī)械、流體、材料以及控制等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，學(xué)科深度交叉耦合，技術(shù)難度大。而在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，能量在電能、熱能、機(jī)械能以及壓力勢(shì)能等不同形式之間相互傳遞和轉(zhuǎn)換，如何實(shí)現(xiàn)能量的大規(guī)模存儲(chǔ)和高效轉(zhuǎn)換是一個(gè)非常棘手的難題。為了解決上述難題，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破了高負(fù)荷-寬工況離心壓縮、低㶲損高效蓄熱/換熱、大容量穩(wěn)定儲(chǔ)氣和寬壓力-變工況膨脹發(fā)電等四大技術(shù)瓶頸，研發(fā)了一系列的關(guān)鍵技術(shù)裝備，并成功應(yīng)用于金壇國(guó)家示范項(xiàng)目。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　國(guó)家能源局江蘇金壇 60 MW/300 MWh 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電國(guó)家示范項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在商業(yè)運(yùn)行壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域零的突破，也是國(guó)際上首座實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能工業(yè)電站。這標(biāo)志著我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用取得重大進(jìn)展，將為構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)提供儲(chǔ)能新方案，并助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在電網(wǎng)側(cè)，壓縮空氣儲(chǔ)能具備調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、旋轉(zhuǎn)備用和黑啟動(dòng)等眾多功能，可有效提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性;在電源側(cè)，壓縮空氣儲(chǔ)能可與光伏、風(fēng)電相結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)儲(chǔ)或光伏一體化系統(tǒng)，提升新能源發(fā)電消納率;在負(fù)荷側(cè)，壓縮空氣儲(chǔ)能可充分利用多能聯(lián)儲(chǔ)多能聯(lián)供特性，以其為樞紐構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，提高能源綜合利用效率。我國(guó)鹽穴、煤礦、礦井資源豐富，可以提供大規(guī)模儲(chǔ)氣空間，為發(fā)展壓縮空氣儲(chǔ)能提供了便利的條件。在我國(guó)大力發(fā)展新型電力系統(tǒng)和雙碳目標(biāo)愿景下，未來(lái)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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　　作者：梅生偉 1,2，張 通 1，張學(xué)林 1，王亞洲 1，王國(guó)華 1,3，盧 強(qiáng) 1，薛小代 1,2

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