燃气轮机蓄能系统的现状分析

王君宇

摘 要： 燃气轮机的蓄能装置的主要作用是调峰以及提高机组的能源利用率，将燃气轮机燃烧产生的余热或者峰谷时的剩余产能，用于压缩空气，并且将压缩空气的能量存储起来。在用电高峰期间，将储存的能量释放，实现能源的填谷削峰。

关键词： 燃气轮机；蓄能

一、引言

燃气轮机于上世纪三十年代被成功制造，POWER JETS RES & DEV LTD于1948年6月7日申請了公开号为GB635851A的专利申请。燃气轮机的发展代表着一个国家重大装备制造业的总体水平，是国家科技实力的重要标志之一，对保护国防与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具有重要意义。

二、蓄能系统分类

采用蓄能装置是提高燃气轮机燃烧效率的一个重要手段，蓄能形式可分为四类：机械蓄能（如压缩空气蓄能、飞轮蓄能等）、化学蓄能（燃料电池蓄能等）、电磁蓄能（如超导电磁蓄能等）和相变蓄能（如蓄冷蓄能等）。在燃气轮机领域中，以下几种蓄能手段较为常见：

2.1 压缩空气蓄能

由于燃气轮机装置中约2/3的功率用于驱动压气机，压缩空气蓄能发电正好利用这一特点：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，将来自于储气室的压缩空气通入燃烧室中与油或天然气混合燃烧，由于压缩空气来自储气室，燃气透平不必消耗功率带动压气机，其产生的功率几乎全部用于发电，进而可以达到减少排放和进行电力调峰的目的。

2.2 燃料电池蓄能

燃料电池是一种新型发电技术，不储存燃料和氧化剂，其种类繁多，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、储存技术己相当成熟，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。

2.3 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。

2.4 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。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以提高效率。其单位投资低于通常情况下新装燃气轮机的单位投资。

2.5 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。

2.6 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 Pa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；从而保证电厂锅熄汽轮机以最佳参数运行，起到调峰机组的作思以地下式蓄热器为例：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. 33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。太阳能集热蓄能方式便是在此基础上发展起来的。

2.7 热水蓄能

热水蓄能是将发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。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。

2.8 抽水蓄能

抽水蓄能是最广泛应用的能量存储系统形式，通过将水从较低的蓄水池泵送到较高的蓄水池来存储水力势能。所存储能量的量与两个蓄水池之间的高度差以及所存储的水的体积成比例。在电力的高需求期，水通过涡轮发电机以类似于传统水力发电设施的方式从较高的蓄水池落到较低的蓄水池。抽水存储是具有高效率、大体积、长存储期和每单位能量的投资成本相对低的成熟技术。我国已经建立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站等。然而，缺少用于两个大蓄水池以及一个或多个水坝的可利用场地是抽水蓄能的主要缺点。用于建造的长交付周期和环境问题（例如，在对蓄水池注水前将树木和植被从土地上除去）是抽水蓄能系统的另外两个主要缺点。因而其在燃气轮机领域中应用并不算太常见。

三、技术展望

根据上述时间脉络可知，该技术起源于60年代，由于当时技术刚刚提出，方案仍然处于论证阶段，申请人都在集中讨论方案的构造以及可行性分析。随着研究的深入，解决了气体存储、运行参数确定、快速响应等关键问题，该技术于1978年投入生产。随着该电站实际投产过程，暴露了一系列的技术问题，比如能源利用率低等问，因此在80-90年代，申请人的讨论主要集中于提高能源利用率、扩大储气储气量，提升调峰的性能，此时的专利多数都是系统的改造，工艺的组合以及气体存储的研究。90年代末，开始出现了新能源以及清洁能源的应用，不仅可以提升能源利用，还可以达到节能环保的作用，该应用为了以后发明人的研究扩宽了道路。进入21世纪以来，太阳能、风能、化学能相继引入到该领域，蓄能技术如蓄热器、蓄冷等传统蓄能方式引入，扩展了燃气轮机的蓄能范围以及，蓄能的用途。随着接近50年的发展，燃气轮机蓄能技术已经逐渐成熟，当前的该技术发展方向主要三个：

第一、提升系统理论的完备性，余热等其他相关能源的利用，提升系统的效率，系统趋于复杂化。

第二、扩大储气容量，研究储气技术，扩大储气量，进一步提升调峰填谷的能力，以适应当前能源时间利用的不协调。

第三、新型蓄能方式，如燃料电池、化学电池以及超导磁等技术的引入，使得该系统小型化成为可能。如在多种交通工具如飞机、轮船等装置都会设置燃气轮机系统，通过简化设备以及提高单位蓄能力来满足小集成化的要求。■

参考文献

[1] 蓄冷技术在燃气轮机循环中的应用研究. [动力工程]. 西安：西安交通大学，2001.

[2] 蓄能方式之化学蓄能. [中学生数理化]. 美国：美国加利福尼亚大学，2012.

[3] 热电联产系统蓄能调节的混和动力原理. [中国工程热物理学会]. 北京：中国科学院工程热物理研究所，2010.