贾明祥，骆贵兵，舒 进，都劲松，陈 坤，刘丽春

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

近年来，各类储能技术大力发展，压缩空气储能以其储能容量大、电能转换效率高、安全可靠等特点被视为一种极具潜力的大规模储能技术，该技术对可再生能源接入和电网负荷调节以及保障电力系统安全具有重要意义[1]。

传统的压缩空气储能系统需要补充化石燃料，排放有一定的污染。国外投产运营的储能电厂需要天然气的补燃才能达到一定循环效率，该系统有专门的燃烧室，也有温室气体排放[2-4]。德国Huntorf电站补燃条件下电站循环效率可达到42%，美国McIntosh 电站在补燃条件下的系统总效率可达到54%，但是非补燃条件下2 个电站系统总效率低于20%。非补燃压缩空气储能系统能够用在消纳可再生能源、削峰填谷、电厂黑启动、增加电力系统的灵活性、节能减排等方面[3-6]。该系统不仅可以实现分布式系统和智能电网的负荷平衡，提高电网的可靠性与稳定性，还可以提高火电机组实际运行效率，增强电网的输电能力，也可作为工业节能、应急电源的关键支撑技术[7-9]。

目前，我国已经在安徽芜湖成功开发搭建了500 kW 非补燃压缩空气储能发电示范系统，该系统在试验阶段已实现励磁发电。对该500 kW 非补燃压缩空气储能发电示范系统建模仿真，分析各环节的能量损耗，有利于对系统进行优化及针对性地提高系统效率。

1 非补燃压缩空气储能系统工作原理

非补燃压缩空气储能电站在储能时充分利用各阶段压缩所产生的热量，将其储存在蓄热装置内。在释能时利用压缩产生的热进一步加热储气装置的空气，被加热的高压空气再进入透平中膨胀做功[10-12]，图1 为非补燃压缩空气储能系统原理。

图2 和图3 分别为非补燃压缩空气储能系统结构及系统介质控制状态示意。由图2 和图3 可见，非补燃压缩空气储能系统分为充电系统、蓄能系统、放电系统、控制系统等[13-16]。

本文搭建的500 kW 非补燃压缩空气储能系统采用五级间冷活塞式压缩机，压缩机级间的排气温度为150 ℃，排气压力为10 MPa。其中回热系统由常温、中温、高温水罐、水泵以及换热器等部件组成，储热介质为加压水。储气系统由2 个容量50 m3的钢结构压力储气罐组成，共可以贮存100 m3的气体。透平发电系统包括空气透平、减速器和发电机等。空气透平采用三级同轴布置，级间有再热循环，空气透平的转速为30 000 r/min，通过减速器将其转速减至1 500 r/min后带动发电机对外输出电能。

2 500 kW 非补燃压缩空气储能系统的建模与仿真

2.1 压缩过程模拟仿真

500 kW 储能系统压缩过程采用5 级压缩，每级压缩机后设置了1 台换热器，空气经过压缩机后将热量传给换热介质，继续进入下一级压缩机。换热介质经过换热器后升温，各级压缩机将压缩热收集后经蓄热环节储存。工作介质空气逐级加压后存入储气室，在发电时再对其加热利用，其压缩过程模型如图4 所示。图4 中工作介质是空气，换热介质是水，COMP 表示压缩机，H 表示换热器，箭头表示物流方向。

2.2 膨胀过程模拟仿真

500 kW 储能系统膨胀过程采用三级膨胀，3 台膨胀机串联，中间设置间冷换热系统，用来吸收压缩热量。其膨胀过程模型如图5 所示。图5 中物流分为2 种，其中17、18、21、22、25、26 为工质物流，19、20、23、24 为换热介质物流；另外配有3 台膨胀机，用Turbine 表示，2 台换热器用H5 和H6表示。

2.3 模拟结果和试验运行数据对比

模拟时压缩过程和膨胀过程基础数据分别见表1 和表2。

表1 压缩过程基础参数Tab.1 Basic parameters in compression stage

表2 膨胀过程基础参数Tab.2 Foundation parameters in expansion stage

系统压缩过程和膨胀过程轴功率的模拟值和实际值对比分别如图6 和图7 所示。按照示范工程的介质进行模拟，各级压气机进口温度严格按照实际运行数据进行初始化。

由表1、表2 及图6、图7 可见，各级排气温度均存在偏差，原因在于模拟过程把空气当做理想气体，导致理想密度与实际密度有一定的误差。但是对于轴功率的影响较小，对比2 个轴功率，两者的相对误差在2%以内，在工程误差允许范围之内。

由图7 可见，一、二、三级膨胀过程轴功率模拟值分别比实际值多0.67 kW、低2.13 kW、低5.32 kW，所有模拟值与实际值的相对误差小于3%，符合工程要求。二级和三级膨胀过程轴功率模拟值与实际值的差距大于一级，主要原因是模拟过程中的气体采用的是理想气体，并且假设空气密度恒定不变，但是实际运行过程中有气体干湿度及密度变化的影响。

试验中充电时间为5.3 h，放电时间为1 h，电换电效率为32.87%，非补燃情况下能量转换效率超过了Huntorf 电站和McIntosh 电站的效率。

3 500 kW 非补燃压缩空气储能系统系统㶲分析

㶲分析法可以兼顾能量的量和质，全方面分析能量的数量与品质，从而找到影响系统热力学性能的重要因素[17-21]。采用㶲分析法对500 kW 非补燃压缩空气储能系统进行热力学分析，通过计算得出系统各组成部分的㶲损，找到影响系统效率的主要部件，为系统的最优运行方式提供理论基础。各部件㶲损计算方法如下。

压缩机㶲损为

式中：Es,c为整个压缩机的㶲损，kW；Ec,1为压缩机入口空气的㶲，kW；Ec,2为压缩机出口空气㶲，kW；Wc为压缩机耗功，kW。

换热器㶲损为

式中：Es,j为整个换热器的㶲损，kW；Ej,1为换热器进口气体的㶲，kW；Ej,2为换热器出口气体㶲，kW；Ej,3为换热器进口液体㶲，kW；Ej,4为换热器出口液体㶲，kW。

膨胀机㶲损为

式中：Es,t为透平膨胀机的㶲损，kW；Et,1为进入透平时气体的㶲，kW；Et,2为排出透平时气体的㶲，kW；Wt为透平对外做功，kW。

物流㶲的计算公式为

式中：H为物流的焓，kW；H0为物流在环境条件下的焓，kW；T0为环境温度，K；S为物流的熵，kW/K；S0为物流在环境条件下的熵，kW/K。

500 kW 非补燃压缩空气储能系统各部件㶲损见表3。

表3 500 kW 非补燃压缩空气储能系统部件㶲损Tab.3 The component exergy loss of the 500 kW non afterburning compressed air energy storage system

五级压缩机总㶲损为65.71 kW，五级换热器总㶲损为49.37 kW，膨胀机总㶲损为97.04 kW。在五级压缩过程中随着压缩级数的增加，压缩机㶲损、换热器㶲损逐渐降低。在三级膨胀中随着膨胀级数的增加，㶲损逐渐增加。膨胀机的㶲损最大，换热器㶲损最小。膨胀机的㶲损最大，主要是由机械损失、热损失以及膨胀做功过程中产生的不可逆损失导致的。根据不同部件的㶲损比较，优化时可以首选膨胀过程进行，优先选用绝热效率高的膨胀机来减少㶲损。

4 结 论

1）通过专业软件对500 kW 非补燃压缩空气储能系统压缩过程和膨胀过程进行模拟仿真，结果与试验工程运行数据基本一致，轴功率误差均在2%以内，模拟仿真方法正确可靠，可以在此基础上进行系统优化和改进。

2）500 kW 非补燃压缩空气储能系统随着压缩级数增加，单级消耗轴功率逐渐减小；三级膨胀中从第一级到第三级，轴功率逐渐增加。

3）通过对系统部件的㶲分析，得出膨胀机的㶲损最大，三级膨胀机的㶲损达到97.04 kW；压缩过程㶲损低于膨胀过程，达到65.71 kW；换热过程㶲损最小，为49.37 kW。对系统优化时应首先考虑膨胀过程，系统运行时最大限度减小其他过程不可逆损失的同时再使用效率高的膨胀机能够有效增加系统综合效率。同理，增加压缩机效率、增强换热器换热效果都可以增加系统效率。

4）非补燃压缩空气储能系统电换电效率可达到33%左右，可以用于消纳新能源，实现调峰调频功能。若将该系统与其他新能源系统进行耦合，利用弃风弃光电驱动压缩机，可以进一步增加系统综合效率，达到节能环保的目标。