科学技术与工程动力技术压缩空气储能储气装置发展现状与储能特性分析刘金超1>2徐玉杰1陈宗衍1张新敬1陈海生1谭春青1（中国科学院工程热物理研究所\北京100190；中国科学院大学2，北京100190）用现状，包括储气装置的分类、不同类型储气装置的技术特点及应用情况，并详细分析了储气装置的储能特性。研究为储气装置的设计选型提供理论。
中图法分类号TK02；标志码A为了满足能源与环境的可持续发展，世界各国纷纷大力发展可再生能源，特别是风能和太阳能成为开发利用的重点E―3.但风能与太阳能存在间歇性和不稳定的致命缺陷，上网过程中容易对主电网的运行方式、电能品质等带来冲击，增加了电网的调控压力。这种方式被认为是比较经济的储气方式，典型结构的估算成本*低可达2 /kW*h，通常情况下的估计成本为6~10 /kW，h.这种储气装置应用较早，1978年德国Huntorf电站使用位于地下600m深处的穹顶状盐岩洞存储压缩空气，其设计储气压力为（4.8 ~6.6）MPa；美国McIntosh压缩空气储能电站同样使用废弃的盐岩洞进行存储，储气室位于地下450 m深处，*高储气压力可达7.5MPa. 1.2. 2硬岩层结构的矿井或洞穴与盐岩洞结构相比，硬岩层结构的矿井或洞穴抗压强度较高，耐压能力强和安全性高是它的突出优点。缺点是由于岩石坚硬导致施工难度大和施工费用高50一52.研究表明，建设全新的硬岩层结构储气装置的成本约为30 KkW*h）48，而使用废弃的硬岩层结构矿井，成本约为10然略高于盐岩洞结构。美国Ohio州的Norton在建压缩空气储能项目使用位于地下670 m深处的废弃石灰岩矿井储存压缩空气，洞穴容量为9.6气压力为（5.5 1.2.3地下含水层地下含水层是除盐岩洞外另一种比较经济的储气方式，甚至地质结构特性好的地区预期建设成本科学技术与工程14卷会接近或者低于盐岩洞方式M.并且增加附加储存容量的成本较为低廉，在井坑足够的条件下，增加的成本约为。11/（kWMi），比盐岩洞方式低一个数量级，比硬岩层方式低两个数量级以上6759.它的主要缺点是选址困难和垫气层耗气较大。虽然目前还没有商业化的含水层储气项目，但已经存在些研究性项目或建设中的项目。如意大利Sesta的25MW多孔岩层压缩空气储能系统和美国Iowa州白勺IMAU（Iowaassociationofmunicipalutilities）在建项目M.其中IMAU在建项目使用位于地下279m深度的多孔砂岩结构的斜背层储存压缩空气，建成后将为风电资源丰富的达拉斯地区风力发电厂服务。
1.2.4废弃的天然气储气室或者石油储气室这种储存方式是对现有的储气室进行改造，改造费用需要预先评估，通常投资成本不高。但是存在一定的安全隐患，因为原有储气室的保护层气体或者残余的气体可能会引起燃烧甚至爆炸。
尽管地下储气装置成本优势明显，但面临着选址困难、建设工程量大、建设周期长甚至会引起生态移民等问题，这些限制了它的广泛应用。
1.3地面储气装置地面储气装置应用灵活，适用于无法建设地下储气装置或者规模较小的压缩空气储气系统。根据结构形式的不同，地面储气装置可以分为储气罐、钢瓶组和储气管道三种类型。
1.3.1储气罐储气罐是应用*广泛的地面储气装置，目前常用的结构有圆筒形和球形两种。是一种典型的圆筒形储气罐，由筒体、球形封头、法兰、密封元件、底座及安全附件等组成。优点是可以实现高压储气和长时间储气，通常单台储气罐的设计直径小于3m，设计长度小于20m.球形储气罐（）是另种常用的储气罐，相比于圆筒形储气罐，球形储气罐具有单个罐体存储容量大和单位投资成本低的优点，缺点是承压较低。由于单个罐体容积较大，球形储气罐通常在用户现场进行组装。
1为罐体，2为支撑柱，3为人孔，4为拉杆，5为爬梯，6为安全附件球形储气罐结构1.3.2钢瓶组钢瓶组由数量较多的单个钢瓶以串联或者并联的方式组成。钢瓶是压力容器的一种，也称为气瓶，有焊接、无缝两种结构，常规钢瓶的公称工作压力在（8~30）MPa，公称容积为（0.4~80）L，在CNG运输和储气领域应用较多。市场上常用的钢瓶组分为立式和卧式两种，通过专用钢瓶支架固定。个完整的钢瓶组结构包括钢瓶、钢瓶支架、阀门、仪表和管路等部件。是种卧式钢瓶组，采用并联方式连接，连接管路为高压不锈钢材质。钢瓶组的主要优点是使用灵活，可以根据用户需要进行布置。缺点是进行大容量存储时的数量较多，带来操作复杂和可靠性降低的问题。
钢瓶组形式1为筒体，2为球封头，3为安全阀接口，4为人孔法兰，5为气体进口，6为人口螺栓，7为底座，8为铭牌，9为排污管，10为气体出口，11为压力表接口圆筒形储气罐结构3管道管道储气是使用若干根大口径、高强度的结构钢管按照一定间距布置来储存气体。是一种类35期刘金超，等：压缩空气储能储气装置发展现状与储能特性分析储气管道形式Fig.似于气瓶组结构的管道布置，管道首尾端通过变径和弯头与外部接口连接。这种储气方式的优点是能够高压、大容量储存，布置灵活、施工方便，采用通用规格的钢管则经济性更好，若进行埋地放置，则可以节省大量的地上空间。缺点是目前在储能领域的应用较少。管道储气方式的应用较早，20世纪60年代，美国建设了一条长度约5.28km的储气管道，储气压力6.26MPa，管道材料为X60系列钒钢管。由于当时结构钢管技术较为落后，使储气管道的应用受到了技术限制，尽管如此，人们还是对这种储气方式投入了较多的科研精力fo‘65’74|78.79设计了一种直径6 m、总长25 km的储气管道，能够满足8GW*h的压缩空气储能电站使用。80设计了一种承压大于8. 3MPa的储气管道，用于小规模CAES电站使用。目前，随着大口径管线钢技术的快速发展，钢管材料的屈服强度得到较大提升，管材壁厚和单位用钢量减少，工程建设成本不断降低，这种类型的材料引起了人们的广泛关注。目前我国在长输管道末端和城市输气管网中使用X系列管线钢储存压缩天然气，它具有强度高、韧性高和单位成本低等优点60，1. 2CAES储气装置储能特性分析对于所示的CAES系统，其释能阶段的工作流程是：压缩空气从储气装置中释放，经减压阀降压后进入燃烧室燃烧吸热，然后进入膨胀机做功。
在这个过程中，储气装置内部压力从初始时刻的储气压力逐渐降低至终了时刻的膨胀机进口额定压力，当储气压力低于膨胀机进口额定压力时，储气装置停止输出气体，此时释能过程结束。因此，实际参与膨胀机做功的压缩空气只是储气装置中压缩空气的一部分，即释能阶段初始时刻的压缩空气内能与终了时刻的压缩空气内能的差值*终参与到能量转换过程。
为方便计算，不对释能阶段复杂的热力过程作深入研究，视压缩气体为理想气体，忽略管道、阀门处的气量损失，不考虑储气装置降压膨胀过程中的温度变化（由于释能过程中，压缩空气与储气装置本体及环境存在较强的热交换，因此忽略储气装置内部温度变化，视为等温膨胀过程）、减压阀前后的温度变化（减压阀工作过程为等焓节流过程，其相对温度降变化较小）以及减压阀后压缩空气燃烧吸热的压力变化。储气装置的性能指标包括储气装置容积、储气量和储能密度，本文重点研究在不同储气温度和储气压力条件下上述性能指标的变化规律。2.1储气装置容积根据理想气体状态方程，释能阶段储气装置初始时刻和终了时刻的状态参数关系为表示压力、温度和质量，单位分别为MPa、K和kg；下标s0、si分别表示释能初始时刻和终了时刻，与Tri相等。
式（3）中：Am为经过减压阀降压后*终参加膨胀机做功的压缩空气质量，单位kg.根据膨胀机额定工况下的质量流量和释能工作时间，可以给出Am的计算公式式（4）中：m为膨胀机额定工况下的压缩空气质量流量，单位kg/s；t为膨胀机释能工作时间，单位s. 2.2储气量储气量指储气装置在标准状况下的实际储气体积，单位N*m3.根据质量守恒定律，可以将储气装置中的压缩空气总量折算成标准状况下的储气量。
式（6）中：Ps0为p0、Ts.条件下的密度，由理想气体状态方程计算得出。
2.3储能密度储能密度是衡量储气装置储能能力的重要指标，储能密度按照式（7）计算。
式（7）中：y为储能密度（kJ/m3）；E为储气装置中经过减压阀降压后的压缩空气可用能（kJ）；压力/MPa储气量随储气压力和储气温度的变化为储能密度随储气压力和储气温度的变化曲线。可以看出：①在储气温度一定的条件下，储能密度随储气压力的升高而增大。②在储气压力一定的条件下，储能密度随储气温度的升高而减小。③随着储气压力的增大，储气温度对储能密度的影响程度逐渐增大，对比储气温度293K和353K两条曲线，储气压力10MPa时的储能密度相差约336kJ/m3，而储气压力40MPa时的储能密度相差约10958kJ/m3.④储能密度*大值出现在储气温度293K、储气压力40MPa时，而*小值出现在储气温度353K、储气压力10MPa时。
储能密度随储气压力和储气温度的变化从以上分析可以看出，储气压力和储气温度对储气装置性能指标都具有较大影响，相比之下，储气压力影响更大。对于系统参数定的CAES系统，提高储气压力并降低储气温度，能够显著减小储气气温度对储气量的影响逐渐减小，以储气压力10MPa为例，储气温度293K时比353K时约增力卩6 217N，m3，而储气压力40MPa时，储气温度293K时的为储气量随储气压力和储气温度的变化曲线。可以看出：①储气量同时随储气压力和储气温度的升高而减小。②储气压力对储气量的影响较大，以储气温度293K为例，储气压力10MPa时约是40MPa时的2.6倍。③随着储气压力的升高，储储气装置容积随储气压力和储气温度的变化2.4储气装置性能计算根据2.1节~2.3节的分析结果，通过计算分析储气装置的性能指标在不同工况下的变化规律。CAES系统的技术参数如表1所示。
表1技术参数为储气装置容积随储气压力和储气温度的变化曲线。可以看出：①储气装置容积受储气压力的影响较大。在储气温度一定的条件下，随着储气压力的增加储气装置容积逐渐减小。②在储气压力（10 ~20）MPa范围内，储气装置容积减小的速度相对较快，20MPa之后减小的速度变缓；以储气温度293K为例，储气压力20MPa时的储气装置容积比减小约53m3.③在储气压力一定的条件下，储气装置容积随储气温度的升高而增大，但影响程度没有储气压力大。④随着储气压力的增加，储气温度对储气装置容积的影响逐渐减小；以储气压力10MPa为例，储气温度353K时的储气装置容积比293K时约增加92m3，而当储气压力达到40MPa时，储气温度353K时的储气装置容积比293K时约1委5期刘金超，等：压缩空气储能储气装置发展现状与储能特性分析装置的容积和增大储能密度，从而可以解决储气装置占地面积大、单位存储能量低的问题。但是，储气压力的选择要合理，并不是越高越好。由于膨胀机进气压力受到透平设备的设计、加工等因素影响较大，通常不会很高，若储气压力和膨胀机进气压力之间的压差过大，会对CAES系统的总体性能产生较大影响。研究表明，两者的压差越大，释能过程中损失的压力能越多，系统的热效率和火用效率越低43.因此，在进行储气装置的设计计算时，不仅需要综合考虑储气压力和储气温度的影响，还要考虑储气压力与膨胀机进气压力之间的压差对系统效率的影响。
3结论本文综述了CAES储气装置的发展及应用现状，并深入研究了储气装置的储能特性，得出如下结论：（1）依据存放位置的不同，储气装置可以分为地下储气装置和地面储气装置。地下储气装置具有存储容量大和储气成本低的突出优点，但对地质条件的过度依赖限制了它的广泛应用。地面储气装置能够摆脱地质条件的限制，具有广阔的应用前景；气装置容积、储气量和储能密度，对这三个指标的主要影响因素为储气压力和储气温度；储气装置设计选型时，需要综合考虑储气压力、储气温度对于储能特性的影响以及储气压力与膨胀机进气压力的压差对系统效率的影响。提高储气压力，可以提升储气装置性能，但储气压力与膨胀机进气压力的压差过大，会显著降低CAES系统性能。因此，合理选择储气压力非常重要。
