壓縮空氣儲能系統(tǒng)的工作特性研究

　　設(shè)計計算??！
　　壓縮空氣儲能系統(tǒng)的工作特性研究楊啟超，劉廣彬，趙遠揚，李連生（合肥通用機械研究院壓縮機技術(shù)國家(country)重點壓縮空氣儲能系統(tǒng)是將電站非峰荷時的低價電能轉(zhuǎn)換成峰荷時的高價電能。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。即在系統(tǒng)低谷時，利用電網(wǎng)中的富余電力(electricity)，通過(tōng guò)空氣壓縮機儲存能量；在電力系統(tǒng)峰荷時，利用壓縮空氣儲存的高壓空氣通過膨脹機發(fā)電供給系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)負荷率，解決系統(tǒng)峰谷差，還可以作為備用電源(power supply)使用。
　　合燃燒，燃燒的方式與常規(guī)燃氣輪機(Turbine)相同。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉(zhuǎn)1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。大型壓縮空氣儲能系統(tǒng)(system)主要利用特定的地下礦井或洞穴儲存壓縮空氣。小型的壓縮空氣能量(energy)儲存系統(tǒng)則可利用高壓儲氣罐或管網(wǎng)儲存壓縮空氣。儲氣裝置的設(shè)計有兩種方式：恒容和恒壓。通常儲能系統(tǒng)工作在恒容條件下，高壓氣體通過節(jié)流閥降至某一恒定壓力，來保障膨脹機相對的穩(wěn)定高效運行，而此時儲氣罐內(nèi)的壓力在一定范圍內(nèi)變化。商業(yè)(business)運行的壓縮空氣儲能電站均采用這種方式，如德國Huntorf電站將壓力降至
　　4. 6MPa，儲氣空間的壓力在4.8~6.6MPa范圍(fàn wéi)內(nèi)變化。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。恒壓式儲氣裝置能夠保持電站的高效運行以及減小存儲體積，此時儲氣罐向膨脹機輸送儲氣壓力下的高壓氣體(gas)，即儲氣罐壓力恒定不變。15介紹了恒壓式儲氣系統(tǒng)的典型設(shè)計方案，本文將對這2種儲氣方式下的系統(tǒng)工作特性進行對比分析(Analyse)。
　　3熱力過程分析(Analyse)假設(shè)空氣為理想氣體，理想氣體狀態(tài)方程：Rg―空氣的氣體常數(shù)T―溫度所示為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的理論循環(huán)示意圖。圖中1-3為理想等溫壓縮過程，1-2為絕熱壓縮過程，3 -4為絕熱膨脹(inflate)過程。陰影面積1-2-3-4即為膨脹機無進口力口熱情況下循環(huán)過程的能量損失（loss)。
　　儲氣罐）壓縮(compression)空氣儲能系統(tǒng)的熱力過程(guò chéng)微小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的基本原理(yuán lǐ)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的的儲能效率定義為輸入常規(guī)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一種燃氣輪機調(diào)功與輸出功的比值：峰電站，膨脹發(fā)電過程是將壓縮氣體與天然氣混n=WE，TOT/WC，TOT⑵功耗（kj）鶘lail置S4：抖丑k――除珙茄3置煤。昆山空壓機是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。昆山空壓機保養(yǎng)是回轉(zhuǎn)式連續(xù)氣流壓縮機，在其中高速旋轉(zhuǎn)的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉(zhuǎn)化為壓力。這種轉(zhuǎn)化部分發(fā)生在旋轉(zhuǎn)葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。椏筠潘珙芘K齠ia駕置>f；鶘lailK齠3置畝，舳―->瞄3；敗筠ia丑lm'Il；吩ipia餌齠茄陸屮鶘儻餌齠，到曲舳|著馬駕3敗焯4.敗筠芘丑|：1；吩4敗，卟郵婢筠瀆，從啦著馬陳0*，0丨臠襠K>~4筠。ia吩舔朔3芘駕辟敗4 4筠。塒這鶘lailK￡ss瞄咖諦S；蓋Jfriad-斛一~3cmpaN-lm：l焯矣盡，粗截潘珙芘Kfistb鶘儻餌齠敗置41.4承~函3 JlmBIMs熙毋胯3-塒淋，彐排沁化椏筇舔Jfr敢弟a-罵字寒EE（私）rja姊毋嫁傲M謝斛iaH）Jfr-*3葙紳塍H）Jfr3il鈄宗到攣。貧晌）4s
　　S、Jfr組朔丑芘HJJfrs塒辮（浩）排沁4：這儻砷苕芘舜紛化字細咖；f，iaHJJfrm塒3罵字鴦。ifiaH）Jfrs塒辮W*曲茄iad-苕珙。舔Jfr朔丑slaJt―臠茄陸孕肺儻砷，珙圭4=.胚一tt，MJfr錟丑鰣芘吩舔謝1|1卅舳芘；|1.塒容A□芘11排苕11鰣辮。|1吩斛請敦攣芘抖丑，―― 3il駕阱1琳舔謝斛舔Jfr錟丑。阱1苒iad-菩敢弟3ilH）Jfr，罵屮33ilKfis，潘3毋塒晰。瞄涔±，鶘儻芘4￡畝，辟iaK￡§￡m.sltt，47請，ifiaJfrsilK齠熱匆彐鵒陸鶘laK齠。丑lmll；吩S3敗媸iaK齠舳茄陸鶘lail3.菡-啡咖鈄瞄it，罵屮敗媸ia餌齠，斛啦媸iatb鶘sil駕置畝。拓啦媸ia駕擇□la流體機械(machinery)+恒壓式的性能。在絕熱和多級工作過程(guò chéng)中，系統(tǒng)的儲能效率初始時隨著儲氣壓力的增高而迅速降低，而后降低速度(speed)變緩。在典型的儲氣壓力為5 ~10MPa的范圍(fàn wéi)內(nèi)，絕熱過程的儲氣效率變化范圍為32.7%~26.8%.而多級壓縮和多級膨脹系統(tǒng)的儲氣效率變化范圍為66.4%儲能密度的比較。在恒容方式下，定義節(jié)流降壓比為儲氣壓力與節(jié)流后的膨脹機入口(rù kǒu)壓力之比為Psl/Ps2，研究降壓比對儲能密度的影響(influence)。已建成的商業(yè)電站Huntorf和McIntosh電站都采用節(jié)流降壓的恒容方式工作，降壓比分別為1.4和1.6.由圖可知，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能密度隨著儲氣壓力的升高而增大；恒壓式系統(tǒng)的儲能密度遠大于恒容式。恒容式系統(tǒng)的儲能密度隨著節(jié)流降壓比的增大而升高。
　　P――儲氣壓力(pressure)Vs―儲氣罐體積Rs―空氣(Basin air)的氣體(gas)常數(shù)Ts――儲氣溫度（temperature)3.3膨脹過程采用多級膨脹中間加熱可以增加(increase)膨脹機的輸出功。膨脹機在不同工作過程的輸出功可分別表示如下：等溫膨脹的輸出功為：絕熱(Thermal insulation)膨脹的輸出功為：所示為膨脹機輸出功與膨脹初始溫度的關(guān)系曲線（Curve），可以看出不管是等溫膨脹過程還是絕熱等熵膨脹過程，膨脹初始溫度對膨脹機輸出功的影響都是線性的，即提高膨脹初始溫度將大大增加膨脹機的做功能(gōng néng)力。而且，膨脹過程越逼近等溫過程，隨進氣溫度的升高，膨脹輸出功的增加也越明顯。因此，在改進的諸多壓縮空氣儲能系統(tǒng)中會利用壓縮熱、太陽能、膨脹機余熱或燃料燃燒來預熱膨脹機入口氣體溫度以提高輸出功。
　　儲氣壓力(pressure)（MPa）恒容與恒壓下的儲能系統(tǒng)的儲能密度所示為通過節(jié)流閥時由于壓力的降低導致(cause)的有效能損失（loss)與儲存的高壓空氣有效能的比值。在一定節(jié)流降壓比下，節(jié)流過程中有效能損失隨儲氣壓力的增大而降低，且變化趨勢逐漸變緩。節(jié)流過程中有效能損失占比隨節(jié)流降壓比的增大而增大。結(jié)合和綜合作用可知，在節(jié)流降壓比較大時，雖然節(jié)流過程有效能損失較膨脹機進氣溫度（K）進氣溫度對膨脹機輸出功的影響(influence)4儲能系統(tǒng)的特性5所示為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能效率在不同工作過程下的變化曲線，其系統(tǒng)未采用入口(rù kǒu)空氣預熱。由圖可知，等溫工作過程為理想的工作過程，其儲能效率為100%.而絕熱過程的儲能系統(tǒng)效率最小。中的多級過程指的是采用4級壓縮中間冷卻的壓縮過稱和2級膨脹中間加熱(heating)的膨脹過程，其儲能效率介于等溫過程和絕熱過程之間，反映了實際應用中可實現(xiàn)的工作循環(huán)（s/3fi鉑腱恒容方式下的節(jié)流有效能損失為恒容式系統(tǒng)所需的儲氣容積與恒壓式系統(tǒng)所需儲氣容積的比值隨儲氣壓力的變化曲線。隨著儲氣壓力的升高，其比值逐漸減小。例如，當儲氣壓力為9MPa，節(jié)流降壓比分別為1.5、和2.5時，恒容式系統(tǒng)的儲氣罐容積分別是恒壓式系統(tǒng)儲氣罐容積的3.3。4和2.1倍。因此，恒壓式壓縮空氣儲能系統(tǒng)所需的儲氣罐容積最小，設(shè)計和制造恒壓式的儲氣系統(tǒng)對提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的總體性能具有重要意義。
　　大，但此時從儲氣罐釋放用于膨脹(inflate)做功的氣體質(zhì)量也增多，因此致使儲能密度較大儲能密度的大小由節(jié)流降壓比和空氣質(zhì)量的綜合效果決定。
　　儲氣壓力（MPa）恒容與恒壓下的儲氣罐(gas container)容積(Capacity)比5結(jié)論針對微小型壓縮(compression)空氣儲能系統(tǒng)，運用熱力學理論建立了壓縮過程、儲氣和膨脹過程的理論分析(Analyse)模型(model)采用儲能效率(efficiency)和儲能密度作為評價指標探討壓縮空氣儲能系統(tǒng)在等溫、絕熱(Thermal insulation)和多級多變工作過程下的工作特性，分析比較了恒壓和恒容儲氣方式對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律（rhythmical)。結(jié)果表明，儲氣壓力、壓縮和膨脹過程和儲氣方式對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率和儲能密度都有很大的影響，提高儲氣壓力能顯著（striking）增大系統(tǒng)的儲能密度；多級壓縮中間冷卻(cooling)的壓縮過程有利于減少壓縮耗功，多級壓縮中間加熱的膨脹過程能有效增加膨脹輸出功；膨脹機進氣溫度越高，則膨脹輸出功和系統(tǒng)儲能效率越大；與恒容式儲氣系統(tǒng)相比，恒壓式系統(tǒng)的儲能密度較大，而所需氣罐容積大大減小。建立的壓縮空氣儲能系統(tǒng)理論分析模型，能夠反映關(guān)鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)工作特性的影響規(guī)律，可為設(shè)計(design)高效（指效能高的）壓縮空氣儲能系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。