中国能建广东电力设计院楚攀：发电侧大容量储能电站的关键技术之压缩空气储能

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会产业政策研究中心统计数据显示，截止到2017年底，全球光热及风光发电并网储能项目共计246个，装机总规模达10.3GW。新能源发电侧建大型储能电站对促进可再生能源消纳，缓解日益突出的弃风、弃光问题，提高电网安全稳定运行水平意义重大，备受行业关注。

9月19日-20日，2018首届全国发电侧储能技术与应用高层研讨会在西安召开，就进一步推进储能在发电侧上的项目规划、安全施工、系统集成技术应用、运营模式、电网接入、标准体系、风光储电站考核机制、调度模式、储能项目备案、审批流程和体制机制等方面展开深入讨论。

中国能建广东电力设计研究员设计总工程师楚攀出席会议并发表专题演讲《发电侧大容量储能电站的关键技术研究》。

以下为发言实录：

主持人：我们感谢王总做了发电侧储能的技术介绍，下面有请中国能建广东电力设计研究院设计总工程师楚攀，演讲的题目是《发电侧大容量储能电站的关键技术研究》，大家掌声欢迎！

楚攀：我今天给大家介绍一下压缩供给方面的技术，我主要介绍一下已经在运行的，在国外美国阿拉巴马州的一个技术，储能技术在2018年发展得非常快，很多大容量在江苏、河南已经开展起来，大家也发现了一个现象，比如说最近韩国、国内出的一些问题，还有电动车经常出现着火，对电储能的发展前景业内人士有一些担忧，这就带来了越来越多人会想，有没有另外一条技术路线，我觉得物理储能也是一个方向，就是压缩空气、抽蓄储能等。

2018年很火的一个市场就是储能调频市场，就是联合火电厂进行调频，用的是纯粹的锂电池，这个市场2018年很快就做的没有了，国家不断的下调调频的价格，我觉得应用这个电池不是最合适的，因为它需要大功率的放电，至于压缩空气在国内储能有什么场景，我们还需要进一步的探索，我觉得现在每一项储能技术都不会横扫每一个应用场景，每个技术都有自己的生存空间。

假设我们要储存300兆瓦12小时的容量需要，分别需要的压缩空气和抽水蓄能的要求，压缩空气需要28万立方米的空气，抽水蓄能技术需要700万立方的水。储能的两种类型主要指的是大规模储能，就是压缩空气储能和抽水蓄能，我把其他列为分布式储存，像飞轮等这些都是小规模，压缩空气储能的应用，大部分的应用场景都很常见，像第四个就是电网调频和同步调相，可能其他技术实现起来就没有压缩空气这个技术实现起来这么方便，这个是工作原理，大部分业内人士都比较清晰，左边是能量储存，右边是能量释放。

这个图是美国1991年运行的，在阿拉巴马州运行的压缩空气储能的电站，只用了一根轴，这个对机械方面的要求比较高，国内现在在研究压缩空气储能的都没有采用这个路线，这个是压缩模式下，分了三级压缩、四级压缩，最后用一个连接器，压缩的时候就当做一个电动机来使用。这是发电模式，发电模式又变成了发电机，这么长的轴可以快速的切换，这对机械制造对工业控制方面的要求都非常高。

简单介绍一下压缩空气储能的两个项目，一个是1978年就开始运行的，建造方是曼透平，第二个就是德莱赛兰与美国电力研究院联合设计了位于美国阿拉巴马州的压缩空气储能方案，这是目前世界上运行的两个储能商业项目。阿拉巴马储能电站运行了21年，1991年投入商业运行，一共进行了3000多次启动，压机进行了2000多次启动，现在发电量已经接近了70万，这是外景的图片，这是内部的图片，这边就是压缩部分，右边部分是发电组，这些比较小的管道是它的补燃装置，这么高压的空气，发电进入发电机的压力是42到44公斤，这样的高压空气为了更好的提高效率和发挥性能，有一定程度的补燃，所以整体的功率比较高，大概是110兆瓦，大概可以发220多个小时。

上面这个结构就是美国压缩储能电站现在运行的结构，下面分轴系的结构，是国内做压缩空气储能几家做的，这个对于机械制造、工业控制方面的要求会低一些，但是多用了一个电机，所以成本上相对来说会高一些。

这个是膨胀机的性能曲线，这个是阿拉巴马州的膨胀机的性能曲线，跟火电厂的差异性是比较大的，工作范围负荷比较宽，从10%到100%的负荷都可以稳定的运行，其次在这么大的工作范围变换的时候，对它效率的影响并不大，假定在100%负荷效率是最优的，低负荷运行的时候，效率就会变差，100%负荷的时候热耗是100的话，运行负荷最低的时候，热耗就是低了10%左右，这个在火电很难做到的，这个是压缩空气储能的优势，一个是可以在宽负荷运行，一个是保持发电效率，这是三种运行模式，另外一个是启动快，压缩模式下5分钟可达到全负荷，发电模式下10分钟可以达到全负荷，这个燃起运行机是达不到这一点的，燃起运行机要达到满负荷最快也要30小时，提速快，不到3分钟就可以达到满负荷的状态，发电模式每分钟可以以70%的速度提升负荷。

阿拉巴马州的项目为了使效率提高，设计了一个新的压缩机技术，那是90年代，现在西门子将这个公司收购后，推出了性能更好的压缩机，应该是八级压缩，比这个技术要更先进，然后是空气膨胀剂，这是高速的旋转设备，我们用压缩机或者膨胀机发电，一旦开动的话，不出现状况就不希望停机，化工厂压缩机一开就是两、三年，这是旋转机械比较理想的状态，在压缩空气储能一天一个起行，如果不经过特殊的设计，对寿命影响还是很大的，这个是比较难做到的事情，在座的有很多是做火电行业的，做传统能源行业的，火电机组里面大型的蒸汽燃机，每年的起行次数都是有限制的。这个是启动时候的一个曲线，红色的曲线是转速的变化情况，大概用半分钟左右就可以进行工作，利用一分半从零转速达到额定转速，然后通过一个同步，就是跟电动机同步，负荷逐渐增加，从半分钟到4分钟，可以用3分半达到一个满负荷的状态，我们认为是一个压缩状态，转换成一个电池系统，我们理解是充电状态，这么快的速度，如果用燃气机或者其他的储能方式是很难达到的。

这个是发电时候的模式，也是从零的状态到满发的状态，大概只用10分钟，提速非常快，每分钟可以达到26兆瓦，其实这个速度既可以调峰也可以调频，这个性能和电化学和火电技术的系统相媲美。这个是燃机联合发电，这个方案是德国曼透平公司提出的，他们也没有用这种模式，他们提出的这个方案是非常可行的，压缩空气进入膨胀机才可以发电，大家知道燃气机的温度很高，用这个温度加热空气，进行联合发电，这个是提出的一个方案，这个方案好还是空气直接进入膨胀机好呢？下面有一个对比，这个是燃气联合储能技术发电的技术，回收了燃机的尾气余热，这套系统就更复杂，想法非常好。

这个曲线，实线指的是德莱赛兰提出的技术，高压空气进入膨胀机之前，补充一些类似燃烧的东西，曲线就是利用燃机的尾气加热进入膨胀机的空气，绿色的线是指对燃料的消耗，可以看到绿色这部分，对燃料的消耗肯定是德莱赛兰这个耗能更多一些，如果把这个也转化成热耗，我们再看蓝色的线，阿拉巴马州用的技术就比联合燃机的技术要低很多，两者结合起来看，红色是两者相叠加的效果，我们用了燃机加压缩空气储能，最终的热耗是要高的，效率更低一些，能耗更高一些。

这个是阿拉巴马州压缩空气储能项目用的轴流压缩机，这是以前的技术，西门子公司收购了德莱赛兰之后，西门子也是做轴流压缩机最牛的公司，他们用离心压缩机可以满足高压比的需求，这是离心式压缩机机壳，非常大，这是离心式压缩机的机心，这么大压比的，100的压比，8G的压缩，一天最起码起行一次，还需要它运行30年，还要维护量极小，目前国内的制造水平还有差异，还达不到。

这个是专门为压缩空气储能电站研究的高压及低压膨胀机，已经超过20年实际操作经验，可靠性极高，可靠性大概是96%，适应性也非常好。这个是补燃系统，了解燃起轮机组的比较熟悉，这个设计是比较巧妙的，进风口设计补燃，你要什么样的负荷，喷进去多少燃气，对补燃的控制是非常精密的要求，有点类似于我们汽车里面的发动机，你踩油门的时候，喷多少油，可以达到多少的效率，这个需要大量的数据支撑，不是想当然的就可以达到预想的效果，甚至这种控制要求，已经远超过了电池EMS系统的控制，这个难度很大，机械方面的控制有惯性，机械系统尤其是旋转系统是有惯性的。

下面介绍一下储气的方面，对压缩空气储能的项目，成本最大的部分就是如何储存空气，阿拉巴马州和德国这个项目，他们采用的都是溶盐洞，冲气之后有大气压的压力，要应用地理环境的压力和本身的压力相平衡，如果离地表比较近，冲气地就鼓包了，所以必须到比较深的深度，存在的几个问题是容量有限，洞中容易有不溶物，高纯度盐的处理麻烦，容易坍塌，不过很幸运的是，德国和美国现在运行的电站都没有出现这个情况。还有就是储水层，这种地质环境就更难找了，首先要有两个岩石层，中间夹了一个储水层，现在还没有哪个项目用的是这个地质环境。

这是美国在1991年建设的阿拉巴马州建立的压缩空气储能电站以后，他们在其他地方做了很多试点，也想寻找其他的，他们在这个地方规划了2700兆瓦的一个发电功率，大概是40多个小时的容量规模，他们准备用废弃的地下矿井，这个项目储备了好几年，储备了4、5年，做之前要对储气空间进行反复的测试，最后测试的结果就是不合适，测试的环节可能花了好几百万美金，这个只是做了测试，什么都没有动，几百万美金就花进去了，找一个溶盐洞可能就需要花好几百万美金，这也是这个技术推广的一个难度，就是成本比较高。

他们想利用原来的矿井，最后这个项目做了5、6年的可行性研究，最后得出的结论是不可行。

这个是地下资源金字塔，实际上就是我们做压缩空气储能技术路线的话，就是一个成本和风险的对比，成本最小、风险最好的就是溶盐洞，然后就是矿井，还有储水层，这个非常难找，还有废弃的油田、气田，它的储存空间很大，但是不可预知的东西也很多，最后就是海底或者地上储能的方式，海底就是异想天开了，大家可以想象成一个软的袋子，特殊材料造成的，深入到海峡200米、300米，用海水的压力平衡冲进去的空气的压力，在北欧做了一些小型的示范，但是很小，想在海底储存30万立方或者100万立方是很难的，比如说来海啸了怎么办？另外就是国内几家做压缩空气储能的公司，用了一些地上储气，就是钢质压力容器，要符合国家的技术标准，成本非常高，可能压力容器的造价要比其他部分压缩空气储能设备的造价还要高，这个跟储存时间也有关系。

10兆瓦×10小时的空气储能，单位千瓦的造价，就是投资成本、建设成本，我们设计院做了一个预估，就是接近2万块，大概是火电的4到5倍，这个是非常高的。

最后这是压缩空气储能的新技术，利用绝热的压缩空气储能性，把压缩热收集起来，压缩机压缩之后的热量收集起来，膨胀的时候置换给高压的空气，这就涉及到热的回收和传输系统，首先要有这个介质，这个介质不断循环也是要功耗的，系统更复杂了，尤其在机械领域，系统越复杂，可靠性就越低，成本是会增加的，还有对传统压缩空气储能系统的能量效率改进，这个是对压缩机不断的改进，像西门子生产的单机八级压缩，压力可以到100的压缩机，这些技术都是传统的改进，离我们现在的需求还有比较远的距离，最大的制约是成本太高，为什么我对这项技术是比较看好呢？因为储能蓬勃了发展了几年，尤其到2018年出现了很多项目，大家既要看到机会，也要看到危机，无论从成本、性能上，都面临一个新的瓶颈，真正想做大规模的，比如说做100兆瓦时，做1000兆瓦时的容量，未来面临的问题会越来越多，尤其是现在比较火的储能调频项目，最早的是睿能公司做起来，随后又产生了大概7、8家公司都加入，开始收益非常好，投入之后3000到6000万的投资，两、三年就回收了，可能能源局不断调整这个政策，这个回收周期都延长了，但是电池的寿命3年都撑不过去，5到7个满冲满放，连续运行5年是达不到，很多调频项目明年、后年的危机非常大，这是未来的一个困境，大家可以关注一下压缩空气储能，还有飞轮储能，单机国内最佳几个投资人收购了一个美国的公司，这项技术被中国人具有了，单机可以做到450千瓦的输出，一整套系统450千瓦，大概储存15秒的时间，这个作为功率性的，未来综合性的储能系统在这个市场上会越来越流行，谢谢大家！

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