500kW绝热CAES空压机优化设计

张学林，王思贤，季伟，薛小代，王俊杰

（1.中国科学院低温工程学重点实验室（理化技术研究所），北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

500kW绝热CAES空压机优化设计

张学林1，2，王思贤1，2，季伟1，薛小代1，王俊杰1

（1.中国科学院低温工程学重点实验室（理化技术研究所），北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

绝热压缩空气储能（ACAES）是一种有效的电网调节技术。空压机作为能源输入设备，不但直接决定着系统效率，其排气温度也对系统中回热循环及透平机的高效运行存在较大影响；基于低能耗、高排气温度的要求对500 kW压缩空气储能项目的空压机进行优化设计，并提出背压跟随式分段压缩的实际运行方案，能够使系统效率提升26.2%。

绝热压缩空气储能；优化设计；高排气温度；效率提升

1　引言

绝热压缩空气储能［1］（Adiabatic Compressed Air Energy Storage，ACAES）是应用于峰谷负荷调节及促进可再生能源消纳的电网优化技术，对于构建智能电网、平衡供需具有重要作用。该技术的原理是应用网间低谷负荷或可再生能源并网受限的电力生产高压空气，并在用电高峰或应急供电时利用高压空气推动透平发电。回热循环为该系统的高效运行提供保障，如图1所示的系统简图，通过换热系统将空压机组产生的高温高压排气中的压缩热存储起来，并用于加热透平进气，除电力输入输出之外，该系统理论上与外界不存在任何热量的交换。因而，不考虑系统漏气与漏热时，ACAES系统的效率仅由压缩效率、回热效率和透平效率3部分决定，即ηCAES=ηcompress·ηregeneration· ηturbine。除自身效率的因素外，空压机的排气温度对回热循环效率及透平出力的影响也间接影响着系统效率，因而对用于ACAES系统的空压机应通过自身能耗和排气温度两项指标进行评价。

在工业应用中，一般要求空压机组在某一设定进气流量或排气压力工况下稳定持续工作，且需要控制排气温度在较低值；而在ACAES系统中，空压机组的应用有以下特点：

（1）机组背压随储气压力的上升实时变化，空压机组全程工作在非稳态；

（2）压缩过程需力求逼近绝热压缩，以实现适当的排气温度并减少热损；

（3）对于多级压缩过程，要求各级的排气温度相近以方便储热系统的设计和调度；

此外，还需要充分考虑储气罐压力过冲或压力波动引起空压机压比突升，进而造成排气温度过高，对气缸安全产生影响。

图1　绝热压缩空气储能系统示意图

2　ACAES系统参数

本文基于国家电网科技项目《压缩空气储能关键技术及工程实用方案研究》进行空压机设计及运行策略的优化，项目系统能够为当地电网提供500 kW×1 h（wT·tT）的补峰容量。在该500 kW的ACAES系统中，储气量为100 m3（VS），循环压力范围为3～11.23 MPa，即空压机组的背压是由3 MPa（pS，1）逐渐上升至11.23 MPa（pS，2）；为方便设计，取储气过程为恒温模型，即储气罐充气过程中罐内气温恒为35℃（TS，1）；由公式（1）计算得该系统的循环储气量为9018.9 kg。

压缩空气储能系统应用于电网调峰时，还应充分考虑当地电网的峰谷持续时间，项目所在地夜间用电低谷时长约为5 h（tC）。

忽略压缩过程及储气过程的漏气量，由公式（2）得空压机的平均进气量为1803.78 kg/h，即1413.84 Nm3/h。

3　空压机组配置优化

3.1机型选择

在工业应用中的常规空压机有活塞式、离心式和螺杆式3种，需要根据应用需求不同来选择适用的机型。螺杆式空压机在中小排气量场合应用较多，其排气含水、含油较多，排气温度较低；离心式空压机排气量大且运行可靠，但是对工况变化较为敏感；活塞式空压机价格低廉且能够适应恶劣的环境，该类空压机的应用最为广泛。根据各类空压机的排气压力及流量范围不同，可通过图2来进行更直观的选择。

图2　气体压缩机的工作范围［2］

由于该项目中空压机机组的最大排气压力为11.23 MPa，进气量约为1413.84 Nm3/h，结合成本因素综合考虑，选择活塞式空压机进行系统的配置和优化；但是对于大型的ACAES系统，活塞式空压机将不再适用，必须考虑采用离心式空压机组。

3.2级数与排气温度选择

根据理论及实际工程经验，多级压缩耗功低于单级压缩，但排气温度低于单级压缩，在本系统中，若采用单级压缩将空气由0.099 MPa直接压缩至11.23 MPa，取压缩机绝热效率为0.8，则其在最大设计工况下的轴功率可由（3）表示，计算得w1为537.3 kW。

此时空压机的绝热排气温度已经超过800℃，对压缩机的机身材料及密封工艺要求极高，因而成本也十分高；美国通用公司正在为德国一项ACAES工程设计的高温高压空压机，预计排气压力10 MPa、温度600℃［3］，为目前压缩空气储能行业内最高水平。

因而高温高压的空压机在本项目中较难实现，需要采取措施降低排气温度。例如，若选用0～6 MPa及0～11.23 MPa的空压机串联压缩，并采用冷却器将6 MPa压缩机的排气温度降至45℃后再进入高压压缩机，由于高压压缩机进气压力脱离设计工况，其效率存在一定的损失，取系数α=0.9，则其在最大设计工况下的轴功率为

计算得w2为462.0 kW，则双机串联压缩耗功较单机压缩降低了14%以上，此时低压段空压机绝热排气温度降低至700℃上下。通过上述计算，采用高低压空压机串联压缩对于系统降低能耗提升效率有利，但是排气温度依然较高。

为匹配500 kW实际项目中的透平进气温度参数，本文选取空压机各级排气温度为140℃，根据等熵关系公式（5）可知此时各级压比ε0约为2.5，根据该压比值，由公式（6）得压缩机级数为5。

3.3空压机设计

在ACAES系统中，除了小范围的工况波动外，在背压由3 MPa逐渐上升至11.23 MPa的过程中，机组一直工作在变工况条件，且不可忽略，在优化设计时必须予以充分考虑。在工业用大型多级空压机进行压比分配时，除考虑以上实际因素外，主要应遵循省功的原则，对于ACAES系统，还应考虑排气温度是否合适，上文已对采用五级压缩时的绝热排气温度进行了分析，在以下计算中不再考虑。

对于本项目中的ACAES空压机，利用级间及级后换热器将各级排气中的热量取出，保证换热后的排气温度均为45℃，即Ti，2=Ti，3=Ti，4=Ti，5=T0= 45℃，一级入口温度则为Ti，1=25℃。在压缩机稳定运行时，各级压缩过程可视为绝热压缩，即n=k。

各级压缩视为稳流开口系统，其技术功为

多级压缩过程总技术功应为

忽略各级之间管道的压力损失，则有po，j=pi，j+1，因而将wt对pi，2求偏导得

各级压比与总压比应满足

由（10）和（11）可得

此时，由等熵关系（5），各级排气温度均为139℃。为防止储气罐压力波动引起末级压缩机压比突升，使气缸温度过高，需要将末级压比取的较低［4］，根据《活塞式压缩机设计》［5］有式（12）

取ε5′=0.75ε5，此时有

式（14）与εt=ε1′ε2′ε3′ε4′ε5′联立解得

压缩机在此结果下的运行参数见表1。

考虑到对置式大型活塞压缩机的活塞力平衡以及级间压损，经优化后的压缩机实际设计参数如表2。

4　空压机运行策略优化

储气罐的压力从3 MPa升至11.23 MPa过程中，背压均低于标准工况。为估计此过程中空压机的功耗，假设空压机排气阀仅在设计工况的压力下打开，即压缩机全程工作在满负荷状态，此时的功耗为

表1　空压机组设计参数

表2　空压机组实际参数

计算得WC为5.534×106kJ，则系统的效率为

为了减少压缩过程中不必要的能耗，对压缩过程进行以下优化：当储气罐压力低于6.166 MPa时，仅开启前4级压缩机，此时压缩机背压范围为3 MPa至6.166 MPa，能够保障前3级压缩机基本工作在设计工况之下；当储气罐压力超过6.166 MPa后，自动开启第5级压缩机，同之前的压缩过程相似，可以认为前4级压缩机也基本工作在设计工况之下。

储罐内压力达到6.081 MPa的时间为

解得tC，1为1.944 h，则此时压缩过程总耗功为

解得WC′为4.395×106kJ，此时系统的效率为

因而采用优化调度的压缩过程后，能够使ACAES系统效率提升约26.2%。

5　结论

空压机是ACAES系统中关键的能源输入与转化设备，且受其排气温度的影响，回热效率与透平效率将会跟随变化，因而通过对该设备设计和运行的优化将使系统效率得到大幅提升。本文针对500 kW绝热压缩空气储能系统进行了空压机组的选型和优化。

（1）采用多级压缩对于降低空压机组能耗有利，从而使系统效率得到提升，但是多级压缩过程的排气温度较低，反而制约了系统的运行效率；因而，从整个系统的角度考虑，空压机组的优化存在一个临界点，在加工工艺经济且便于实现的前提下，应进一步向该临界点方向进行优化。

（2）空压机组的运行策略优化对于降低能耗、提升系统效率也能起到一定作用。本文提出了背压跟随式的分段压缩方案，针对背压不同对空压机组进行分压力段的调度，使空压机组能够工作在更接近设计工况的性能曲线上。

［1］Zunft，Stefan et al.Adiabatic Compressed Air Energy Storage for the Grid Integration of Wind Power［C］.Sixth International Workshop on Large-scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for Offshore Windfarms，2006.

［2］Jim Eyer，Garth Corey.Energy Storage for the Electricity Grid：BenefitsandMarketPotentialAssessmentGuide. Sandia Report.SAND2010-0815.

［3］Denholm，Paul，et al.“The Role of Energy Storage with Renewable Electricity Generation”，2010，1.

［4］周佃民.压缩空气系统节能技术综述［J］.上海节能，2010，10.

［5］宋敏.天然气压缩机组配置优化设计［J］.天然气工业，2008，28（1）：122-124.

［6］ADELE-Adiabatic Compressed-Air Energy Storage for Electricity Supply［EB/OL］.http://www.rwe.com，2014-06-17.

［7］郝点，等.压缩机手册［M］.北京：中国石化出版社，2003.

［8］活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计［M］.北京：机械工业出版社，1974.

Optimal Design of Air Compressor Set for 500kW Adiabatic CAES

ZHANG Xue-lin1，2，WANG Si-xian1，2，JI Wei1，XUE Xiao-dai1，WANG Jun-jie1
（1.Key Laboratory of Cryogenics，TIPC，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Adiabatic Compressed Air Energy Storage（ACAES）system is an effective grid controlling technique.As the input port of whole system，the air compressor set directly affects the system efficiency，also its exhaust temperature has greater influence on the regenerative cycle and the high efficient operating of turbine.Taking the factors such as low energy consumption and high exhaust temperature into consideration，the compressor set of an ACAES project was designed and optimized in this paper.An operation scheme has been made in which multistage compressor would run with segments depending on the difference of backpressure.Consequently，the efficiency of whole system would risen by 26.2%.

ACAES；optimal design；high exhaust temperature；efficiency improvement

TH45

A

1006-2971（2015）01-0016-04

张学林（1989-），男，硕士研究生，研究方向为储能与电网调节技术。E-mail：zhangxuelin@mail.ipc.ac.cn

2014-06-24

国家电网科技项目（KJ-2012-627）；中科院低温工程学重点实验室青年科技创新项目（CRYOQN201304）