（热能工程专业论文）压缩空气蓄能（caes）电站热力性能仿真分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r i dv o l u m ei sd e v e l o p i n gf a s t t h em o s td i f f e r e n c eb e t w e e np e a ka n d o f f - p e a kd e m a n do fp o w e rg e n e r a t i o n i sa b o u t4 0 i t sp e r f o r m a n c ei s d e p e n d e n to ne n e r g ys t o r a g es y s t e mb e c a u s eo ft h el o a df l u c t u a t i o n s o m e p r o b l e m sc a nb es o l v e db ye l e c t r i c a le n e r g ys t o r a g es y s t e m ，f o re x a m p l e ，t h e i m p r o v e m e n to fr e l i a b i l i t ya n ds t e a d i n e s so fp o w e rs u p p l y e a c ho fe n e r g y s t o r a g ew a y sh a sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e ( c a e s ) h a sa d v a n t a g e so fl o wi n v e s t m e n t ，l o wo p e r a t i o n m a i n t e n a n c ec o s ta n d l a r g ep o w e rl o a dr a n g e a c k n o w l e d g i n gt h es u p p o r tf r o m n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fb e i j i n g ( n o 3 0 5 3 0 1 9 ) & n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 4 7 6 0 6 9 ) ，t h e r m a lp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n b e n e f i t sa n a l y s i so fc a e s w a ss t u d i e di nt h e s i s m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fe n e r g ys t o r a g es u b s y s t e ma n di t s c o m p o n e n t s ，as u b s y s t e md y n a m i c - s t a t ea n ds t a t i c - s t a t e s i m u l a t i o n m o d e li s p r o p o s e db a s e do nu n i t sm o d e l i n gs y s t e m e q u i p m e n t ss e l e c t i o na n dt h e i rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ed y n a m i c s t a t ea n d s t a t i c - s t a t et h e r m a lp e r f o r m a n c ea r es i m u l a t e df o ra ne n e r g ys t o r a g es u b s y s t e m t h e s i m u l a t i o nd i a g r a mo fc l l l v ei sp l o t t e d t h ec o n c l u s i o ni sd r a w na sf o l l o w s ：w i t ht h e s t o r a g eo fc o m p r e s s e da i r , t h ep r e s s u r eo fs t o r a g ev e s s e li sv a r i e df r o m3 0 b a rg r o w s t o1 4 4 b a r , t h em a s sf l u xo fc o m p r e s s i n ga i ri sr e d u c e dt o4 0 3 7 k g sf r o m4 1 1 2 k g s ， t h ew o r ku s a g eo fc o m p r e s s i n ga i ri sr e a c ht o7 0 6 k j k gf r o m4 1 2 8 k j k g l i n k e dw i t ht h ef l o ws t r u c t u r ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fm a k i n ge l e c t r i c i t y s u b s y s t e ma n di t sc o m p o n e n t s ，ad y n a m i c - s t a t ea n ds t a t i c - s t a t es i m u l a t i o nm o d e lo f m a k i n ge l e c t r i c i t ys u b s y s t e mi sp r o p o s e d d y n a m i c s t a t ea n ds t a t i c s t a t et h e r m a l p e r f o r m a n c eh a v eb e e ns i m u l a t e dw i t hc o n s t a n ta i rm a s sf l u xa n dc o n s t a n tg a s c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e s o m es i m u l a t i o nd i a g r a m so fc u r v ea r e p l o t t e da l s o t h e c o n t r a s t i o no fv a r i e do p e r a t i o nm o d et h e r m a lp e r f o r m a n c ei sm a d eb e t w e e nc a e s p o w e rp l a n ta n ds i m p l eg a st u r b i n ep o w e rp l a n t t h ec o n c l u s i o ni sd r a w n a sf o l l o w s ： w i t ht h el o a dv a r i a t i o no fg a st u r b i n ef r o m1 0 0 t o4 0 ，t h et h e r m a le f f i c i e n c yo f g a st u r b o g e n e r a t o ri sv a r i e df r o m3 3 8 t o0 ，t h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t o fc a e sp o w e rp l a n ti s c h a n g e df r o m5 3 6 - 4 9 5 w i t h c o n s t a n t g a s t e m p e r a t u r e & c h a n g e df r o m5 3 6 - 3 4 3 w i t hc o n s t a n tm a s sf l u x o nt h eb a s i so f e n e r g ys t e pu t i l i z a t i o n p r i n c i p l ea n dl a y i n ge m p h a s i so n i l 华北电力大学博士学位论文 c h a r a c t e r i s t i co fc a e s p o w e rp l a n t ，t h es y s t e mi n t e g r a t i o na n do p t i m i z a t i o nm e t h o d i sp r o p o s e da n dt h es y s t e mi n t e g r a t i o no fc a e sp o w e rp l a n ti sm a d e t h e r m a l p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc a e sp o w e rp l a n t si sc a l c u l a t e 呜c o n t r a s t e da n da n a l y z e d a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r e m a d e o nt h eb a s i so f7 eg a st u r b i n e ，t h ep o w e ro fc a e s p o w e rp l a n ti s2 3 9 - 3 3 3t i m e so fs i m p l eg a st u r b o g e n e r a t i o r t h ee n e r g y t r a n s f o r m a t i o nc o e f f i c i e n to fc a e sp o w e r p l a n ti s3 8 2 - 5 4 4 as t a t i ca n dd y n a m i cb e n e f i te v a l u a t i o nm o d e lo fc a e si se s t a b l i s h e d t h e o v e r a l lb e n e f i to f1 2 0 0 m wc a e sp o w e rp l a n ti sa b o u t1 5 5b i l l i o n ￥n e g l e c t i n go f e l e c t r i c a lp r i c ed i f f e r e n c e c o n s i d e r i n gp o w e r l o a d f l u c t u a t i o n ，o p e r a t i o n m o d e sa r ed i f f e r e n to f m i c r o c a e se l e c t r i c g e n e r a t i n gb a s e do nd i s t r i b u t e de n e r g ys y s t e m t h en e tp o w e r i s 1 5 5 9 - 1 5 2 4 5 k ww i t hd i f f e r e n tm o d e l s as i m p l ea n dp r a c t i c a le c o n o m y e v a l u a t i o nm e t h o da n de c o n o m ye v a l u a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e da n dr e l a t e d c a l c u l a t i o n sa r em a d e t h ee c o n o m yi sb e s to fu s i n go f f - p e a ke l e c t r i ct oc o m p r e s sa i r a n d u s i n gc o m p r e s s i n ga i rt om a k ee l e c t r i c , t h ec o s ts a v i n gi s1 9 2 c o n s t r a s t e dw i t h b u y i n ge l e c t r i cf r o mg r j do v e r a l l b yc o n s i d e r i n gt h e f a c t o r s i n c l u d i n ge c o n o m y , r e l i a b i l i t y , e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n , a n dc 0 2e m i s s i o n ，af u z z yo v e r a l le v a l u a t i o nm o d e lf o rd i f f e r e n tp o w e r s u p p l ym o d ei sp r o p o s e d t h er e l a t e dc a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o na r em a d e l i n k i n gw i t hr e g e n e r a t i o np o w e r , t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fm i c r o c a e si sb e s t k e yw o r d s ：c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e ( c a e s ) ，p o w e rp l a n t ，t h e r m a l p e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o na n a l y s i s i i i 华北电力大学博士学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文压缩空气蓄能( c a e s ) 电站 热力性能仿真分析，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以 用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 选题背景及其意义 第一章绪论 1 1 1 电网的负荷特性与电力市场的关系 随着社会的进步和人们经济生活水平的提高，电网不断发展，装机容量 的不断扩大，电网调峰能力普遍不足。特别是近些年，随着居民生活用电比 例的提高，空调负荷增长迅速，家用电器越来越普及，造成我国主要电网峰 谷差越来越大，电网调峰问题日渐突出1 1 】。这主要是因为电网的负荷特性造 成的。 描述电网负荷特性指标有：日负荷率、月负荷率、季负荷率、年负荷率、 年最大负荷利用小时数等。其中描述典型日负荷特性的参数有：日平均负荷 巴、日最小负荷厶跏、日最大负荷厶m 日平均负荷率f = e a p m m 日最小负 荷率夕= 岛厶甜，系统调峰需求量是按日峰谷差率( 1 - 1 3 ) 计算。 据资料统计，对不同电源结构的电网，夏季) ，值在o 8 4 0 9 0 之间，户 值在o 7 0 o 7 7 之间；冬季) ，值在o 7 9 一o 8 7 之间，夕值在0 6 一o 7 2 之间。可 看出冬季最大峰谷差率达到4 0 ，夏季最大峰谷差率达到3 0 。表1 - 1 是某 年我国大区电网负荷特性参数，图1 1 和表1 2 是某电网日负荷特性。 2 0 0 3 年我国新的电力体制开始运作，重组后的发电公司，已经成为独立 的市场竞争主体，受自身经济利益驱使，一般情况下不愿意自己的机组参与 电网深度调峰，更加剧了电网调峰的难度。在这种情况下就要探索对电力工 业进行改革，完善电价的形成机制，建立适合我国特色的电力市场。 目前几乎在世界上所有国家，都在探索对电力工业进行改革，建立电力 市场的途径和办法。电力市场的实质是通过建立一个充满竞争和选择的电力 系统运营环境来提高整个电力工业的经济效益，竞争和选择是市场机制互相 依存的两个方面，从“供电厂家的角度来看，电力市场的本质是引入竞争 机制，各个“厂家 可以充分挖掘各自的潜力，千方百计地降低供电成本， 以获得更大的经济效益；从“用户”的角度来看，电力市场的本质是为他们 提供了更多的选择机会，他们可以通过选择使用供电价格最低的电能来降低 其产品的成本，使其更具竞争力。 第一章绪论 表1 - 1 某年我国大区电网负荷特性参数 电网东北华北华东华中 西北 1 30 6 50 6 8 40 6 6 50 6 1 60 7 1 3 图1 1 ：某大区电网日负荷特性曲线 表1 2 ：某大区电网日负荷特性参数( 单位：m w ) 2 华北电力大学博士学位论文 在市场经济里，价格作为联系供求双方和引导消费的桥梁，起调节作用， 是市场机制的核心。电能和一般商品一样都是计量和有价交换的。但是电能 不能大规模长时间存储，产、供、销一次完成，基本上是瞬时平衡的。电力 行业是一个资金和资产高度密集的产业，电能应当在有效经营的基础上为用 户提供良好的服务，电能价格的制定应根据客观的标准明确地计算，同时接 受政府的监督，为保证公平对待用户。因此，电价应当具备下述三个最基本 的功能1 2 j 。 l 、电价应当正确地反映它的生产成本，以维持简单再生产。这对一般商 品来说是不困难的。但是电力工业的投资环境受到政治社会和经济大环境的 直接影响，即便用折现到同一年的方法也缺乏可比性，也即在电力资源的利 用上，不能简单相加求和。 2 、具有筹资和投资功能以扩大再生产，满足用户发展的需要。电价和电 量不仅应当满足短期电能简单再生产的需要，而且应当满足长期电能扩大再 生产的资金需要，以便保证电力工业持续稳定地发展。 _- 3 、具有调节功能。电价应当具有调节功能，引导用户合理用电和引导发 电厂顶峰压谷。电力系统在峰负荷时段，电力系统危险地逼近电力容量的极 限，由于必须使用高燃料成本和利用小时数很低的调峰机组，故其电力生产 成本可能成倍增加。另一方面，在低谷时段往往要压火停机，同样危及系统 的经济性和安全性。因而，在峰时段应高电价，鼓励发电厂顶峰发电，引导用 户转移部分负荷；在谷时段应低电价，以便一方面鼓励用户用电，另一方面 促使发电厂压低负荷。从而更有效地来利用电力资源，降低系统的峰容量要 求，并改善系统的负荷率。 因此电价在电能生产消费交换的各个环节都能起到间接调控的作用，这 就需要引入峰谷分时电价。 1 1 2 峰谷分时电价 在电力市场中，电能是一种商品，电价是电能价值的货币表现。商品价 格围绕商品价值上下波动，决定和影响电价的因素是多方面的。首先，由于 商品的价格是由商品价值决定的，因而电能的价值决定了电价。在其他条件 不变的条件下，单位商品价值提高或降低必然导致其价格的相应上升或下 降。其次，供求关系影响电价。第三，国家经济政策影响电价。国家可以采 用最低限价来保护生产者的利益或通过制定最高限价来保护消费者的利益。 3 第一章绪论 商品的价格既要以商品价值为基础，又要以供求变化因素为转移，而且价格 的变化反过来影响供求关系的变化，因此价格是调节资源配置的重要经济杠 杆之一。同样，在电力市场中，发挥好电价的作用，对我国电力工业健康稳 定可持续发展有重要作用1 3 j 。 但电力行业是一个资金和技术密集性的行业，由于在规模、资金、市场、 原料等进入厂商难以和原有厂商竞争，因而其他厂商的进入是相当困难的。 而且由于原有厂商相互依存，所以厂商也是难以退出的。电力市场中的发电 企业相对于其他市场很少，每个发电企业在市场中都对电价有着很大的影 响。任一发电企业都不是价格的制定者，也不是价格的接受者，而是价格的 寻求者。又由于电力产品的同质，所以电力市场应该是一个寡头垄断市场。 在电力市场中，为了保证效率的优先、资源利用的最大化，可以视为一个垄 断竞争市场。一个典型的日负荷可划分为峰荷、基本负荷和谷负荷。在基本 负荷，电力市场应处于平衡运行中，各台发电机组处于正常的运转中，电力 市场处于一种短期均衡状态。在峰负荷，为了满足用户对电量的需求，参与 发电的机组都危险地逼近机组的最大功率。系统中机组的运行成本和维护成 本必然会迅速增加，而机组的可靠性则迅速降低，整个系统的电量不足系数 会直线变大。相应地输电网络由于输电量的大量增加也导致网络阻塞的可靠 性加大，输电成本也进一步提高【4 1 。因此必须考虑不同电力负荷时的成本， 进而采取不同的电价。 峰谷分时电价是依据电网日负荷曲线的峰荷时段、基本负荷时段和谷负 荷时段系统发电成本的不同，由此来确定具有一定价差的电价体系，是世界 各国广泛采用的一种电价制度。我国国发( 1 9 8 5 ) 7 2 号文规定：低谷电价可 比现行电价低3 0 。5 0 ，高峰电价可比现行电价高3 0 - 5 0 。而现在在北京、 上海等大城市，高峰电价已经达到低谷电价的4 6 倍p j 。 在峰负荷时，用户对用电量的需求增大，而要求发电机组相应的增大供 给。相对于传统的两部制电价，峰负荷的价格要高一些，此时的发电量小于 两部制电价下的电量。因而在电力市场中，分时电价有效地削减了峰负荷， 改善了发电机组的运行环境。 在谷负荷时，用户的用电量又急剧下降许多电厂又不得不压火甚至停机。 这样，只有煤耗低的电厂能继续供电。系统中机组的运行成本和维护成本必 然会相应降低，机组的可靠性也会升高。输电线路也不会出现阻塞，供电成 本下降。在电力市场中，用户对用电量的需求的减少，相对于两部制电价， 4 华北电力大学博士学位论文 谷负荷电价要更低一些，而用电量比两部制电价时的用电量大。因而电力市 场能有效地利用现有的发电机组，减少峰负荷和谷负荷的差距，使发电机组 能平稳地运行，增大了全社会的福利。由以上分析可知，采用分时电价的电 力市场在不同的时段会有着不同的电价。在高峰时段电力市场可以降低峰负 荷，而在谷负荷，低电价促使用户增加用电量。采用电力市场，采用分时电 价体制，很明显地起到了削峰填谷的作用，从总体上看，是有利于我国电力 工业的发展的。 在峰谷分时电价体制下，采用合适的蓄能方式用于提高供电质量、调峰 填谷，并且保证机组运行的经济性提供了可行性。压缩空气蓄能( q 垣s ) 电站 因具有多种优势，在世界范围内受到了广泛的关注，被认为是新世纪非常有 前景的能量存储系统。 其中压缩空气蓄能电站是以燃气轮机为核心的能量存贮系统，而实践证 明，天然气是燃气轮机的最合适的燃料，燃用天然气的燃气轮机联合循环电 站优势明显，运行可靠性高、维修费用低、污染物排放量( 含温室气体c 0 2 等) 少，目前只有它能同时做到：供电效率 5 5 ，运行可用性 9 0 ，n o x 排放量 1 0 p p m 。现在，天然气已逐渐成为燃气轮机的主要燃料，据统计，2 0 0 1 年度订货的1 3 5 台世界非航空燃气轮机中，燃用天然气或以天然气为主的 双燃料机组占8 5 ，其中1 2 0 m w 以上的大型机组占9 9 。下面分析一下天 然气的战略地位。 1 1 3 天然气在未来能源中的战略地位 在2 1 世纪的今天，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战， 能源是人类社会生存的基础，能源的开发和利用是人类社会发展的基本动 力，而能源的开发和利用水平是人类社会文明的重要标志之一。随着经济发 展和人民生活水平的提高，对能源的需求必然会增加，能源的生产和利用又 是造成环境污染的重要原因之一，因此在有限的资源和环保要求的制约下如 何合理利用能源资源是实现可持续发展战略的关键所在p 川。 二十一世纪是全球经济大发展时期，也必将是能源消耗大增长时期。预 计到2 0 2 5 年世界能源总消耗量将是1 9 9 0 年的2 倍；2 0 5 0 年将接近2 4 倍； 而2 1 0 0 年将是1 9 9 0 年的3 2 倍。也就是说，今后1 0 0 年能源消费还要大幅 度增长。那么在能源问题上如何体现可持续发展战略呢? 地球上存在各种形式的能源，其中清洁能源是指对环境无污染或污染很 第一章绪论 小的能源，如太阳能、风能、水能、海洋能等，可再生能源是指不会因为开 发利用而减少，具有天然恢复能力的能源，如太阳能、风能、水能、生物质 能等。当然与之对应的是非再生能源与非清洁能源，如煤、石油、天然气等。 在可再生能源中，水力占有重要的地位：根据地区情况，它在目前就有 可能在能源结构中起到主导或重大作用。我国是世界上水力资源最丰富的国 家，水电的总蕴藏量居世界第一，可能开发的水力资源达到3 7 8 亿k w 。所 以为了实施可持续发展战略，我国采取了优先开发水力资源政策。我国正在 执行的三峡电力工程、西部大开发、“西电东送 正是这一政策的体现。大 型水电，属于集中式的能量系统，它的开发建设，明显地改变了我国的能源 结构。到2 0 2 0 年，我国水电的装机总量将接近2 亿k w ，届时我国的水电开 发率将达到5 0 以上，与发达国家水电开发率相近。 以我国而论，1 2 个大型水电基地规划总的建设规模为2 2 亿k w 左右， 但是即使这么大的规模也只能满足我国经济建设需要的四分之一，其他的四 分之三的能源需求仍要由化石燃料等非清洁能源来满足。可见在相当的一个 时期内，化石燃料仍是能源结构中的主角。 化石燃料中，天然气主要成分中8 5 9 5 为甲烷( c i - 1 4 ) ，为一种洁净气体 燃料。首先，它没有人工煤气制造过程中所产生的含有s 0 2 、n o x 、c o 等有 害物的大量废气；其次，与其它燃料相比，还具有更多的优点：热值大、燃 烧效率高、容易燃烧、清洁无灰渣、不会产生灰尘和烟炱、基本上没有导致 酸雨的s 0 2 、n o x 排放量很小；与产生同热量的煤和油相比，所产生的c o , _ 0 n 剧温室效应的主要原因) 最少。因此，天然气是一种最清洁的高能优质天然燃 料，并同时具有转换效率高，环境代价低，投资省和建设周期短等优势，近 年来世界上天然气的消费总量和相对量均有大幅度增长，2 0 0 1 年世界天然气 的总消费量达到2 4 0 4 9 x 1 0 9m 3 。 大量研究表n t 7 1 t 1 4 】，在2 0 5 0 年左右世界能源结构变化将出现第四个波 峰天然气能源开发应用的高峰，那时化石燃料仍占能源总量的大半 ( 6 0 一7 0 ) ，而天然气的相对应用比例会不断提高至3 0 4 0 。图1 2 给出 世界2 0 5 0 年能源发展趋势与预测的典型结果。因此，世界能源专家普遍认 为，2 1 世纪将是天然气的世纪，预计到2 0 4 0 年世界天然气的消费量将超过 石油和煤炭。我国天然气消费量在能源消费结构中比例也将大幅度上升，它 将为改善我国能源结构、满足能源需求和环境保护等方面发挥重要的作用。 我国近期不断发现和建设大型天然气田，如南海、陕甘宁、塔里木等大气田。 6 华北电力大学博士学位论文 还将从国外进口大量的天然气和液化天然气( l n g ) ，特别是“西气东输”国家 重大工程已经启动。从我国一次能源消费结构看，大部分天然气将用于发电， 而以燃气轮机为核心的压缩空气蓄能电站则可以把燃气轮机的特性以及调 节电网负荷特性紧密结合。 图1 - 2 各种形式能源在总能源结构中所占份额的变化趋势 1 2 能量存储系统及性能 1 2 1 不同形式能量存储系统概况 能量的存贮方式有很多，但各有其特点，现在介绍一下目前世界上各种 蓄能技术的概况【1 5 _ 1 7 1 。 1 2 1 1 抽水蓄能 抽水蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由抽水蓄能机组作水 泵工况运行，将下水库的水抽至上水库，即将不可储存的电能转化成可储存 的水的势能并储存于上水库中。当电网出现峰荷时，由抽水蓄能机组作水轮 机工况运行，将上水库的水用于发电，满足系统调峰需要，能量转换效率约 为6 0 一7 0 。 优点：运行方式灵活，启动时间较短，增减负荷速度快，运行成本低。 缺点：初期投资较大，工期长，建设工程量大，远离负荷中心，需要额外的 7 第一章绪论 输变电设备以及一定的地质和水文条件。 应用情况：我国已建天荒坪抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站、广州 抽水蓄能电站、台湾日月潭抽水蓄能电站等。 1 2 1 2 压缩空气蓄能 压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空 气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的 电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。当系统发电量 不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机作功发 电，满足系统调峰需要。 根据美国电力科学研究报告：一个压缩空气蓄能电站能运行3 0 年，可 在6 m i n 内启动发电，也可快速甩负荷停运。能量转化规律为：0 8 k w h 的 低谷电加3 7 9 4 k j 的天然气能提供l k w h 的高峰电，能量转换效率为 6 5 - 7 5 。 优点：运行方式灵活，启动时间短，污染物排放量、运行成本均只有同 容量燃气轮机的1 3 ；可在短时间内以模块化方式建成；投资相对较少，单 位蓄能发电容量的投资费用为抽水蓄能电站的一半。特别适合缺乏自然条件 建造抽水蓄能电站的电网蓄能。缺点：远离负荷中心，需要一定的地质条件。 1 2 1 3 超导电磁蓄能 超导电磁蓄能是将超导体材料制成超导螺旋管，通过功率调节器，将低 谷电转化成直流电，以磁场形式储存于超导螺旋管中。当系统负荷超过可发 电量时，通过功率调节器的逆向输送将储存于超导螺旋管中的磁场能转换成 交流电以补充电网电力。 优点：不经过其他形式的能量转换，可长期无损耗地储存能量，蓄能效 率可达9 2 9 5 ；蓄能密度可达4 0 m j m 3 ；不受地形限制，占地面积少； 反应速度快，操作和维护方便。缺点：初期投资大，但单位蓄能量的造价低； 冷却技术较复杂；强磁场对环境可能有影响。 研究表明：o 1 m w - h 等级的小型超导蓄能装置主要用于改善电网稳定 性、小波动负载调平、电压波动调平、间断型电源调平输出。i o m w h 等级 的中型超导蓄能装置主要用于负载调平后减少传输容量和小电站建设、大波 动负载调平、电压波动调节、减少无功功率调节、减少频率调节装置和瞬时 8 华北电力大学博士学位论文 备用功率、改善电源可靠性、防止中间连接功率波动等。1 g w h 等级的大 型超导蓄能装置，除了具有中型装置的功能外，还具有负载调平后减少峰值 电源装置、减少传输损失、改善发电设备的热效率等。应用情况：美国于 1 9 8 1 年投运了1 0 4 0 m w h 的地面装置。目前，美国、日本均在研制 5 0 0 0 5 5 0 0 m w h 的地下式超导蓄能装置，效率约为9 1 。 1 2 1 4 飞轮蓄能 飞轮蓄能是机械蓄能的一种蓄能方式，是将电能转化成可储存的动能或 势能。当电网电量富裕时，飞轮蓄能系统通过电动机拖动飞轮加速以动能的 形式储存电能；当电网需要电量时，飞轮减速并拖动发电机发电以放出电能。 飞轮转子选用比强度( 拉伸强度密度) 较高的碳素纤维材料制造，运行于密闭 的真空系统中。系统中的高温超导磁悬浮轴承是利用永磁铁的磁通被超导体 阻挡所产生的排斥力使飞轮处于悬浮状态的原理制造的。 优点：效率较高，可达8 0 ；建设周期短，仅需几个月；可安装在负 荷中心附近，不增加输变电设备；可进行模块化设计制造；单位建设成本约 为抽水蓄能电站的一半。缺点：技术尚未成熟；需要复杂的制冷、真空系统， 应用情况：在风力柴油系统中，飞轮蓄能装置是较理想的辅助支撑能 源装置。随着风力发电技术的成熟和推广应用，风力发电机组+ 内燃机组+ 飞轮储能的组合发电形式将承担局部冲击负荷和起调峰作用。欧洲已有 2 1 5 m w h 的飞轮蓄能装置；日本飞轮公司已将飞轮蓄能装置进行商品化生 产，进行了蓄能8 m w h 、容量1 0 0 0 k w 的飞轮蓄能装置的概念设计；美国 于1 9 9 4 年研制了飞轮直径为3 8 1 m 、1 1 3 5 k g 、极限蓄能容量为2 5 k w h 的 高温超导飞轮蓄能装置；并于1 9 9 7 年研制1 m w h ，飞轮重1 9 k g 的系统试 验装置；德国于1 9 9 7 年提出了单机储能0 5 m w h ，功率为1 0 m w ，重3 0 t ， 每个飞轮模块由4 个飞轮组成，采用碳纤维复合材料，超导磁轴承，储能 1 2 5k w h ，能量密度为4 0 w h k g ，系统效率为9 6 的电站模型。我国华北 电力大学和中国科学院电工研究所与河北省电力公司合作，开展了此项研究 工作；清华大学工程物理系也设有该项课题组。 1 2 1 5 蓄热器蓄能 蓄热器蓄能是在外界低负荷时，将多余中压蒸汽( 4 8 m p a 左右) 导入蓄 热器储存；外界需要负荷时，再将蓄热器中的蒸汽补充给汽轮机组发电；从 而保证电厂锅炉、汽轮机以最佳参数运行起到调峰机组的作用。以地下式蓄 9 第一章绪论 热器为例：蓄热器建造在地下岩体中，岩洞的深度应位于岩层静压力等于最 大蓄热压力的1 3 3 倍处，以保证岩洞受压后不会产生裂缝。 优点：投资少，运行操作方便，可节约原机组调峰所需的助燃油和气。 缺点：地上式蓄热器占用厂区面积，要确保压力容器的安全。地下式蓄热器 需特定的地质条件，密封性检验较复杂。 1 2 1 6 热水蓄能 热水蓄能是将火电或核电机组在夜间低谷时产生的部分热量以高压热 水的形式储藏起来；在白天高负荷时利用二相流的热水透平设备和闪蒸蒸汽 透平设备将储藏的热水用于发电。运行时，将热水槽中的热水直接导入热水 透平发电。热水透平的排汽导入分离装置和多级喷洒装置，并在各自的压力 下减压分离，使饱和蒸汽进入闪蒸蒸汽透平做功发电，最后进入凝汽器。对 于热水的抽出点，一般应选择在对火电或核电机组运行影响最小，且能稳定 抽出热水的管段，如设在高压给水加热器出口处。热水蓄能系统的输出功率 由蓄热发电的热水量、热水压力、火电或核电机组的最大发电功率、储藏发 电效率等决定。通过选择闪蒸蒸汽透平的级数和热水透平的形式可以增大功 率输出。 优点：工作介质是水，电厂有现成处理设备；热水管比蒸汽管小，便于 热源集中利用和大容量化：负荷响应速度比火电或核电机组快；可建在负荷 中心，减少输配电设备；建设周期较短。缺点：需在现有火电或核电站中占 用一定的场地；能量储存密度不高；设备规模较小时，建设成本较高；对于 远离电源设备的热水蓄热发电，有可能成为系统不稳定的因素。 1 2 1 7 高效电池蓄能 高效电池蓄能系统由电池、直交逆变器、控制系统、安全和环保等辅 助设备所组成。单电池输出电压为1 - 2 v 。为得到较大的蓄能效果，需按“单 电池_ 组合电池_ 电池群_ 发电单元”的程序组合。新型蓄能电池主要有硫 化钠电池、氧化还原硫电池、氯化锌电池、溴化锌电池和过锌铁氰化物电池 世 奇。 优点：储存效率高，日本研制的l o o k w 新型钠硫电池系统的充放电效 率可达9 0 以上；占地面积小，建设工期短；可建在负荷中心：负荷响应 快；无振动、噪声，符合环保要求；可作为太阳能和风能发电的补充电源； 可设计成安装在用户配电侧的用户电池蓄能装置，有利于鼓励社会投资办电 1 0 华北电力大学博士学位论文 的积极性。 应用情况：1 9 8 7 年前西德建成2 2 5 m w 的试验电厂；美国装设的5 0 0 k w h 氯化锌电池效率可达8 0 ，并有一座4 0 m w h 级的原型装置在加利福尼亚 州运行；日本的l o o k w 新型钠硫电池的充放电效率为9 0 - 9 1 ，并有 1 0 0 0 k w 级的实验装置；英国氯化物公司拟用1 8 0 万个钠硫电池储存 i o o m w h 的电能，用作平衡电网负荷。目前，我国江门五邑大学已开展锌 溴电池的研制项目，珠海、中山等市进行的高能电池研究也有所突破。 1 2 1 8 燃料电池蓄能 燃料电池是一种新型发电技术，它不同与普通的干电池。燃料电池实际 上是个进行电化学反应的反应器，不储存燃料和氧化剂。燃料电池的种类很 多，目前世界上较流行的是质子交换膜电池，其核心是三合一电级，它由两 块涂有催化剂的电极和夹在中间的质子交换膜压合而成。质子交换膜既有质 子交换的功能，又有隔离燃料气体和氧化剂的作用。当作为燃料的氢气被通 入“氢 电极时，在催化剂的作用下，氢分子分解成电子和质子。质子穿过 质子交换膜到达“氧”电极，在催化剂的作用下与空气中的氧气发生反应， 产生水。电子通过外电路产生电流，对外供电。由于氢气的制造、储存技术 已相当成熟，燃料电池的转化效率又相当高，故燃料电池可作为一种有效的 蓄能手段。 优点：热电联供，燃烧电池的燃料总利用率可达8 0 ；可根据需要进 行串联、并联，且能量转化效率基本不变；可在几秒钟内从最低负荷升至最 高负荷，并可短时间过载运行；污染物排放很少，建设周期很短。应用情况： 我国目前已有k w 级的燃料电池装置，将成为电动汽车的主要动力装置。 1 2 1 9 蓄冷蓄能 蓄冷是用电侧的主要蓄能手段。蓄冷空调是在用户的中央空调系统上增 加一套蓄冷装置，利用夜间电网低谷时段的低价电能制冰或制冷水，即将冷 量储存起来；在白天将储存的冷量放出，从而达到少用或不用高峰时段的高 价电量的目的。优点：可用于燃气轮机。由于燃气轮机的出力随进口空气温 度的升高而降低，故可通过冰蓄冷装置降低进口空气温度，提高燃气轮机的 出力。其单位投资低于通常情况下新装燃气轮机的单位投资。 随着新材料、新技术的不断发展，新型发电方式将逐步出现，各种新型 蓄能方式也将应运而生。但除了抽水蓄能电站以及少量的小规模电池储能 第一章绪论 外，其余各种原理和方式的储能装置还都处在研究阶段，存在着巨大的技术 难点需要解决。但目前看来，各种新颖的储能方式已显示出很好的前景，正 等待进一步的探索。 1 2 2 各种能量存贮技术的性能对比 随着电网容量的扩大，大型电站的投入及单机容量的不断加大，加之核 电的兴起，要求电网中有足够的事故备用容量，以保证供电质量，提高供电 可靠性，因此各种蓄能技术在工程界和理论界受到越来越广泛的重视，并在 实践中得到很快的发展。 下表1 3 是根据某研究机构的数据1 1 8 】，整理的抽水蓄能，压缩空气蓄 能，超导电磁蓄能，飞轮蓄能，高效电池蓄能，燃料电池蓄能等能量存储技 术的投资、容量和效率等的对比数据。 表卜3 ：不同蓄能方式的性能对比 从表中数据可以看出，压缩空气蓄能电站具有投资少，运行维护费用低， 负荷范围大等优点。因此受到越来越多国家的重视，对其进行了相关的理论 和应用研究，研究的现状和动态如下。 1 2 华北电力大学博士学位论文 1 3 国内外研究现状和动态 1 3 1 国外研究现状及动态 德国于1 9 7 8 年利用2 个地下岩盐层的空洞作为储气室，洞室容积各为 1 5 万m 3 ，额定功率2 9 0 m w ，有4 h 发电能力。德国h u n t o r fc a e s 电站1 9 7 8 年投运后至1 9 9 1 年的十多年运行证明，c a e s 是一项灵活而可靠的技术，可 迅速满足各种变负荷要求，具有快速启动能力，在紧急情况下仅需6 m i n 即 可完成冷态启动到满负荷过程，有良好的负荷跟踪和频率控制特性，能实现 远距离自动控制。该电站在1 9 7 9 年1 月1 日至1 9 9 1 年1 2 月3 1 日期间共启 动并网5 0 0 0 次( 发电方式2 3 4 2 次，其它方式2 6 8 4 次) ，成功5 0 2 6 次，只有1 1 9 次失败，平均启动可靠性9 7 6 ，平均可用率8 6 3 ，容量系数平均为 3 3 0 4 6 9 【1 9 1 。 德国莱茵威斯特伐利亚发电厂与通用电气公司计划建设压缩空气蓄能电 站i u j ，打算在2 0 0 8 年完成可行性研究报告，并计划在2 0 1 2 年建立一套示范设 备。 美国第一座于1 9 9 1 年5 月投入商业运行的c a e s 电站位于阿拉巴玛州 的麦克莫扎什，美国在德国机组的基础上增加了回热加热器用以吸收余热， 使系统热效率提高了2 5 ，机组净功率1 1 0 m w ，曾顺利完成了2 6 h 发电和 4 1 h 压缩试验，机组从紧急启动到满负荷只需9 m i n 。该电站由阿拉巴玛州电 力公司的能源控制中心进行远距离自动控制。1 9 9 2 年储能耗电4 6 7 4 5 m w h ， 净发电量3 9 2 5 5 m w h ，平均负荷因数4 1 ，以高位发热量计的发电热耗为 5 5 6 5 k j ( k w h )