300 MW级压缩空气储能电站站用电负荷分类及供电方案研究

2024-04-25徐陈成梁文军

机电信息 2024年8期

徐陈成梁文军

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211100）

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压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一种先进的物理储能技术，具备建设成本低、安全性相对较高、运行过程中不产生环境污染、储能时间长、使用寿命长等技术优势，发展潜力较大，应用前景广阔，是我国储能技术发展的重要方向之一[1-4]。300 MW级压缩空气储能电站的主系统包括压缩空气系统、储换热系统和膨胀发电系统，配套设置辅机站用电负荷。根据对主机设备制造厂的调研情况，结合工程实际需求，本文对300 MW级压缩空气储能电站主系统配套辅机站用电的设置、负荷分类和供电方案进行了研究，提出了推荐性建议。

1 300 MW级压缩空气储能电站系统配置情况

经调研，我国已建及在建的300 MW级压缩空气储能电站工程，根据工程的具体情况，一般每套机组压缩空气系统配置多台10～80 MW级的大容量压缩机，膨胀发电系统配置一套300 MW级空气透平发电机组。

本文分析研究了10～80 MW级压缩机、储换热系统负荷、300 MW级空气透平配套辅机的设置、负荷分类，重点研究在失去交流工作电源，发生事故紧急停机时辅机的保安电源需求，并提出合适的供电方案。

参照DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》[5]，300 MW级压缩空气储能电站的站用电负荷按其对人身安全和设备安全的重要性，分为0类负荷和非0类负荷。站用电负荷的重要性由其所属的工艺系统确定。

2 压缩机配套辅机负荷分类及供电方案研究

通过调研国内主要大型压缩机制造厂，对10～80 MW级压缩机配套辅机设置及运行特性分析如下。

2.1 压缩机配套辅机负荷的设置

为满足压缩机事故停机时的润滑油需求，通常可采用高位油箱方案或者直流润滑油泵。高位油箱容积设置一般为满足压缩机6 min惰转的油量需求，可保证压缩机正常惰转停车。目前各已建或在建300 MW级压缩空气储能电站项目均未采用高位油箱方案，而是设置直流润滑油泵和蓄电池直流电源系统，以满足压缩机事故停机时的润滑油需求。

不设高位油箱时，对于10～80 MW级压缩机，交流润滑油泵、直流润滑油泵、盘车电动机、油箱排烟风机为必需的配置。交流润滑油泵、油箱排烟风机一般配置2台，一用一备。直流润滑油泵、盘车电动机一般均配置1台。顶轴油泵可根据压缩机轴承比压确定配置方案，大容量压缩机电动机的润滑油及顶轴油与压缩机共用，不单独设置油泵及电动机。

2.2 压缩机配套辅机负荷分类

压缩机机组正常停机时，交流润滑油泵、顶轴油泵、盘车电动机、油箱排烟风机均需运行，按照设定的逻辑自动启停。

当失去交流工作电源发生事故紧急停机时，仅直流润滑油泵需设置直流保安电源。联锁逻辑为判定主辅交流润滑油泵同时断电时，直流润滑油泵启动。仅需要确保压缩机轴承有润滑油，以便机组惰转停机，直流润滑油泵运行时间不小于30 min。事故紧急停机过程中，交流润滑油泵、顶轴油泵、盘车电动机、油箱排烟风机无须供电。为防止压缩机发生大轴损坏，需进行盘车。由于失去工作电源，需要人工手动盘车，每隔半小时盘车转动半圈约180°。

压缩机正常运行时润滑油系统必须运行。在不考虑直流油泵启动的情况下，交流润滑油泵短时失电会造成压缩机机组紧急停机、生产停顿，建议交流润滑油泵按照Ⅰ类负荷考虑。

在压缩机组启停机过程中，顶轴油泵、盘车电动机需要运行，若其短时失电，机组依然可以完成启停机，但这种情况有次数限制，会对机组使用寿命产生不利影响或需要提前进行机组大修，建议顶轴油泵和盘车电动机按照Ⅰ类负荷考虑。

压缩机配套辅机负荷特性如表1所示。

表1 压缩机配套辅机负荷特性参考表

2.3 压缩机配套辅机负荷供电方案

根据压缩机配套辅机负荷特性分析结果，供电方案如下：

直流润滑油泵为0Ⅱ类负荷，应由蓄电池直流电源系统供电，供电时间不小于30 min。

交流润滑油泵、顶轴油泵、盘车电动机为Ⅰ类负荷，油箱排烟风机为Ⅱ类负荷，应分别按照负荷类别从机组工作PC或压缩机MCC供电。

另外，在电站配置了交流保安电源的情况下，可考虑顶轴油泵、盘车电动机由保安电源供电，以代替事故紧急停机时的人工手动盘车，提高运行的便利性。但该方案会增大柴油发电机组的容量，小幅提高交流保安电源系统的设备造价，具体可根据建设方的运行需求确定。

3 储换热系统负荷分类及供电方案研究

3.1 储换热系统负荷的设置

300 MW级压缩空气储能电站的储换热系统，根据不同的工艺路线，目前主要有基于中温热水的中温储热系统和基于低温熔融盐的高温储热系统[6-7]两种方案。

基于中温热水的中温储热系统，站用电负荷主要包括热水循环水泵、冷水循环水泵、闭式循环冷却水泵、球罐电伴热系统。热水循环水泵、冷水循环水泵一般设置3台，两用一备；闭式循环冷却水泵一般设置2台，一用一备；球罐电伴热系统一般按照热水储罐设置，每个热水储罐设置1套电伴热系统。

基于低温熔融盐的高温储热系统，另外还有熔融盐储罐电加热器、储热区熔融盐电伴热、换热区熔融盐电伴热、熔融盐电加热炉、熔融盐空冷器、热熔融盐泵、冷熔融盐泵、熔融盐疏盐泵等电负荷。熔融盐电加热炉一般设置1台；熔融盐空冷器一般设置2台，一起运行；热熔融盐泵、冷熔融盐泵一般设置3台，两用一备；熔融盐疏盐泵一般设置2台，一用一备；熔融盐储罐电加热器、储热区熔融盐电伴热、换热区熔融盐电伴热按照熔融盐储罐和换热器的布置方案确定数量。

3.2 储换热系统负荷分类

基于中温热水的中温储热系统中，热水循环水泵在发电工况下运行，冷水循环水泵及闭式循环冷却水泵在储能工况下运行。球罐电伴热系统在第一次启机及热水温度低于整定值时运行。

基于低温熔融盐的高温储热系统中，熔融盐电加热炉、熔融盐空冷器在第一次启机时运行。冷熔融盐泵在储能工况下运行，热熔融盐泵在发电工况下运行。储热区熔融盐电伴热、熔融盐储罐电加热器、换热区熔融盐电伴热在熔融盐温度低于整定值时运行。在储热系统第一次运行之后，由于熔融盐的固有特性，其温度必须始终保持在析晶点之上，而不能降低至析晶点以下，否则会发生不可逆的系统损坏，造成经济损失。储热区熔融盐电伴热、熔融盐储罐电加热器不允许较长时间停电。考虑极端情况下，在送出线路发生较长时间故障时，保障高温储热系统安全的需求，建议将储热区熔融盐电伴热、熔融盐储罐电加热器按照交流保安负荷考虑。

储换热系统负荷特性如表2所示。

表2 储换热系统负荷特性参考表

3.3 储换热系统负荷供电方案

根据储换热系统负荷特性分析结果，供电方案如下：

对于基于中温热水的中温储热系统，热水循环水泵、冷水循环水泵及闭式循环冷却水泵为Ⅰ类负荷，球罐电伴热系统为Ⅲ类负荷，高压负荷应从机组高压站用母线供电，低压负荷应分别按照负荷类别从储换热PC或储换热MCC供电。

对于基于低温熔融盐的高温储热系统，热熔融盐泵、冷熔融盐泵、熔融盐疏盐泵为Ⅰ类负荷，熔融盐电加热炉、熔融盐空冷器为Ⅱ类负荷，换热区熔融盐电伴热为Ⅲ类负荷，高压负荷应从机组高压站用母线供电，低压负荷应分别按照负荷类别从储换热PC或储换热MCC供电。储热区熔融盐电伴热、熔融盐储罐电加热器为0Ⅲ类负荷，应从交流保安电源供电。

4 空气透平配套辅机负荷分类及供电方案研究

通过调研国内主要大型汽轮机制造厂，对300 MW级空气透平配套辅机设置及运行特性分析如下。

4.1 空气透平配套辅机负荷的设置

空气透平发电机组与常规火力发电厂的汽轮发电机组原理相同，主要配套辅机也相同，主要区别在于做功介质不同。与汽轮机相比，空气透平的做功介质不是高温高压蒸汽而是压缩空气，主汽温度相对较低，根据不同工艺路线，主汽温度范围为170～330 ℃。由于上述区别，同等功率等级的空气透平转子的重量要远大于汽轮机。因此，空气透平配套辅机的负荷分类与汽轮机不完全一致。

参考DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》[5]中 “附录B 火力发电厂常用厂用负荷特性参考表” 内容：200 MW级及以上机组，汽轮机盘车电动机、顶轴油泵、交流润滑油泵作为0Ⅲ类负荷（即交流保安负荷），需要交流保安电源；125 MW级及以下机组，汽轮机盘车电动机、顶轴油泵、交流润滑油泵作为Ⅱ类负荷，不需要设置交流保安电源。

300 MW级空气透平的重要配套辅机主要包括交流润滑油泵、直流润滑油泵、顶轴油泵、盘车电动机、油箱排烟风机等。交流润滑油泵、顶轴油泵、油箱排烟风机一般设置2台，一用一备；盘车电动机一般设置1台。

直流电源只能保证事故紧急情况下空气透平发电机组能够正常惰走停机，停机后为防止汽缸温差损害转轴，需要对转轴进行盘车，盘车到汽缸最高温度降到安全温度以下，才可停止盘车。在整个盘车期间，交流润滑油泵、顶轴油泵、油箱排烟风机和盘车电动机需要持续运行。

当机组失去正常交流站用电时，机组应立即停机。由于柴油发电机自启动并达到满足加载负荷需要约15 s的启动时间，系统会自动先启动直流润滑油泵，待交流保安电源准备就绪后依次自动启动交流润滑油泵、油箱排烟风机、顶轴油泵、盘车电动机。此时，运行人员可以手动关闭直流润滑油泵。从紧急停机触发到允许停止盘车，机组需要持续供电约24 h。

4.2 空气透平配套辅机负荷分类

1）交流、直流润滑油泵。对于空气透平，润滑油系统设置2台100%容量的交流润滑油泵和1台直流润滑油泵，2台交流润滑油泵，一用一备。机组正常运行时，交流润滑油泵投运，切换油泵或交流润滑油泵故障时启动直流润滑油泵。

在失去正常厂用电源且事故停机时，首先直流事故油泵投入运行，当保安柴油发电机组提供电源时，交流润滑油泵启动，以保证长时间润滑油系统正常运行，直到空气透平盘车停运后，才可停止交流润滑油泵。直流事故油泵运行时间建议不小于2 h。

2）顶轴油泵。空气透平的顶轴系统向每个轴承注入高压润滑油，支承转子，使轴承润滑油形成油膜。顶轴系统设置2台全容量交流顶轴油泵，一用一备。

空气透平停机惰走，转速下降到一定值时，顶轴油泵启动，直到盘车装置停运后，才可关闭顶轴油泵。

3）盘车装置。为防止停机时汽缸内的温差导致转子弯曲，在空气透平转子惰转停止前，启动盘车装置带动转子旋转，直到汽缸内达到制造要求的安全温度，才允许盘车装置停运。

4）油箱排烟风机。对于空气透平，润滑油系统的主油箱上设置2台全容量的交流电动机驱动的油箱排烟风机，一用一备。该设备可以防止油雾/润滑油从油封环逸出而进入厂房。空气透平启动和运行过程中，油箱排烟风机需要运行。事故停机时，考虑到防爆要求及润滑油系统须连续运行约24 h，推荐油箱排烟风机由交流保安电源供电。

另外，某在建300 MW压缩空气储能电站中，空气透平主机厂确认，该项目的空气透平参数较低，轴承载荷小，空气透平及发电机共用一套油系统，在全厂失电紧急停机时，启动直流事故油泵提供润滑油和顶轴油，不会造成轴瓦磨损，可保障机组安全停机。停机时高压油系统运行，进行手动盘车。该项目采用直流供电以满足事故停机要求，未设置交流保安电源。

压缩空气储能电站可通过设置交流保安电源和增大直流及UPS系统容量两种方案来给保安负荷供电。具体工程项目需根据制造厂或工艺系统的要求，经过技术经济比较确定方案。

电站内未设置交流保安电源时，顶轴油泵、盘车电动机、交流润滑油泵、主油箱排烟风机应按Ⅰ类负荷考虑。电站内设置交流保安电源时，空气透平配套辅机负荷特性如表3所示。