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壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage，CAES）作為一種壽命長(zhǎng)、效率高、布置靈活的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛢?chǔ)能方式之一。國(guó)外已經(jīng)投產(chǎn)商運(yùn)的壓縮空氣儲(chǔ)能電廠有Huntorf和McIntosh電廠，均為補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能電廠。

我國(guó)主要推行非補(bǔ)燃的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，雖起步較晚，但工程應(yīng)用方面已經(jīng)走在世界前列。清華大學(xué)會(huì)同相關(guān)單位，在安徽蕪湖建成TICC-500試驗(yàn)裝置；并提出了光熱復(fù)合技術(shù)，在青海西寧建成了100kW試驗(yàn)裝置；在此基礎(chǔ)上，江蘇金壇60MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目于2022年5月正式投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)換效率約60%。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所提供研發(fā)技術(shù)，在河北廊坊建成投產(chǎn)1.5MW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；并在貴州畢節(jié)和山東肥城分別建成投產(chǎn)10MW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；河北張家口100MW壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目于2021年底帶電試運(yùn)行，轉(zhuǎn)換效率約70%。此外，國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)300MW級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目已開(kāi)展可行性研究，包括湖北應(yīng)城、山東泰安、甘肅金昌、遼寧朝陽(yáng)、福建永春等項(xiàng)目。

本論文通過(guò)300MW級(jí)不同壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)路線的比選，得到了推薦的技術(shù)方案，以及推薦方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于福建省永春縣某鎮(zhèn)，本期擬建設(shè)1套300MW/1800MWh非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站，并預(yù)留有擴(kuò)建條件。本工程的設(shè)計(jì)充氣放電時(shí)間為9h和6h，壓縮空氣存在地下人工硐庫(kù)內(nèi)，硐庫(kù)腔容積約為20.1萬(wàn)立方米；并配套采用熱媒水作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。根據(jù)福建省電力系統(tǒng)2030年前調(diào)峰需求及調(diào)峰機(jī)組裝機(jī)規(guī)模初步預(yù)測(cè)，本工程儲(chǔ)能過(guò)程設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)約為1990h，發(fā)電年利用小時(shí)約為1320h。

1.2 工程氣象條件

根據(jù)壓縮空氣儲(chǔ)能電站工作特點(diǎn)，收集項(xiàng)目所在地2018—2021年逐月平均白天和夜間氣溫、氣壓、濕度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中白天取值時(shí)段為07∶00～20∶00，其余為夜間時(shí)段。


2 技術(shù)路線及裝機(jī)方案比選

2.1 技術(shù)路線比選

按照儲(chǔ)熱溫度劃分，非補(bǔ)燃的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可分為中溫和高溫系統(tǒng)。一般而言，中溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣溫度在195～200℃左右，通常用高壓水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)；而高溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣溫度在335～340℃左右，通常用熔鹽或?qū)嵊?水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)。對(duì)于300MW級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，2種技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。其中中溫、高溫技術(shù)路線的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比見(jiàn)表3。
根據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)，高溫方案相對(duì)中溫方案效率提高約3%，但由于高溫方案需增設(shè)導(dǎo)熱油或者熔鹽系統(tǒng)，且需考慮熔鹽或?qū)嵊偷氖状纬溲b費(fèi)用，另外由于相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)溫度的提高也會(huì)造成投資成本增加。按照年發(fā)電時(shí)間1320h和2個(gè)方案的供電效率測(cè)算年購(gòu)電成本，每年高溫方案由于效率提升而減少的購(gòu)電成本約620萬(wàn)元，則增加投資的靜態(tài)回收年限約31.5a，在電站的運(yùn)營(yíng)壽命期末期才能回收投資。具體比較見(jiàn)表4。
 

由表4可以看出，為了降低造價(jià)、節(jié)約投資成本，同時(shí)也從系統(tǒng)運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、運(yùn)維方便、安全性高等角度考慮，推薦中溫方案的技術(shù)路線。

2.2 機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)比選

對(duì)于中溫水儲(chǔ)熱方案，采用水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，儲(chǔ)熱水溫度約為175℃，儲(chǔ)氣空間采用巖體中開(kāi)鑿人工硐庫(kù)。考慮到人工硐庫(kù)的承壓能力（最高約18MPa）以及人工硐庫(kù)到電站的沿程壓損，方案擬在膨脹機(jī)入口壓力為15MPa、17MPa，壓力波動(dòng)范圍2～6MPa之間比選產(chǎn)生。主要從購(gòu)電成本，人工硐庫(kù)造價(jià)，主要設(shè)備投資等方面進(jìn)行分析，具體比較方案如表5所示。


根據(jù)上述比選，300MW中溫壓縮空氣儲(chǔ)能電站壓力變化范圍6MPa比壓力變化范圍4MPa、2MPa方案所需的硐庫(kù)容積分別減小約10萬(wàn)立方米、40萬(wàn)立方米，對(duì)應(yīng)的人工硐庫(kù)造價(jià)分別減少約1.5億元、6.4億元。通過(guò)分析不同方案的購(gòu)電成本、人工硐庫(kù)造價(jià)、主要設(shè)備投資等因素對(duì)年凈收益造成的影響，綜合考慮年凈收益最高，其中方案三即透平入口最高壓力17MPa、波動(dòng)范圍6MPa方案最優(yōu)。

3 推薦技術(shù)方案

根據(jù)以上的比選結(jié)果，本項(xiàng)目推薦的技術(shù)方案為：采用4級(jí)壓縮4級(jí)膨脹，利用水為儲(chǔ)熱介質(zhì)的中溫技術(shù)路線方案，膨脹機(jī)透平入口壓力為17MPa，壓力波動(dòng)范圍為6MPa，裝機(jī)容量為300MW。推薦技術(shù)方案的流程圖見(jiàn)圖1。本項(xiàng)目推薦裝機(jī)方案的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。


4 結(jié)論

（1）通過(guò)中溫和高溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的比選，發(fā)現(xiàn)高溫路線帶來(lái)的效率提升不能覆蓋增加投資成本的回收，因此推薦中溫方案的技術(shù)路線。

（2）通過(guò)最大壓力、壓力波動(dòng)范圍、硐庫(kù)容積及造價(jià)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析比選，推薦透平入口最高壓力17MPa、波動(dòng)范圍6MPa的技術(shù)方案。

（3）根據(jù)指標(biāo)計(jì)算，得出了膨脹機(jī)透平入口壓力為17 MPa、壓力波動(dòng)范圍為6 MPa、300 MW級(jí)中溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

作者：汪楓，中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 

原標(biāo)題：某壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目技術(shù)路線比選