大型深冷液态空气储能发电系统工程化应用分析沈威

大型深冷液态空气储能发电系统工程化应用分析沈威
发布时间：2023-05-31T03:04:44.278Z 来源：《中国电业与能源》2023年6期作者：沈威[导读] 对于深冷液化空气储能发电系统来看，它属于能量型储能方式，有着良好的运用前景。

本文先综述了空气储能技术的发展、运用和研究状况。

然后围绕多个子系统介绍了该系统的技术原理、工艺和有关子系统的功能，还对核心设备的研制情况进行了分析。

最后，归纳了系统工程化运用的技术问题，给出了今后的发展趋势与研究重点。

盈德气体（上海）有限公司 200137
摘要：对于深冷液化空气储能发电系统来看，它属于能量型储能方式，有着良好的运用前景。

本文先综述了空气储能技术的发展、运用和研究状况。

然后围绕多个子系统介绍了该系统的技术原理、工艺和有关子系统的功能，还对核心设备的研制情况进行了分析。

最后，归纳了系统工程化运用的技术问题，给出了今后的发展趋势与研究重点。

关键词：深冷液态空气；储能；发电系统；工程化研制运用
引言：
现如今，很多液态空气储能技术路线还处在试验平台环节，仅用来开展技术验证，没有开展工业化投产，也没有产生标准集中的可借鉴运用模式。

10MW级深冷液态空气储能示范项目在国内尚属第一次运用，此系统包含多种设备，有着能量使用和转换过程，随着系统运行参数提高，外部运行条件也更加复杂，为达到性能和可靠性的要求，在选型和运行方式上都应该有所改变，所以，根据国内能源结构与状况，根据地方实际情况推广该系统的工程化运用且达到高效可靠运行，是目前亟需处理的关键问题。

1.系统的能量转换过程
液态空气储能电站是在用电低估时把电能转化成液态空气储存起来，处于用电高峰阶段，又把空气转化成电能的场所，工艺流程可分成多个子系统，如压缩与储热、储冷、空气透平发电。

能量转换过程：在储能环节，电机做功，电能转化成机械能，之后压缩空气，转化成空气热能，空气和储热介质开展热交换，获取热能之后保存于介质罐中，并且利用组件把空气液化保存于贮槽内。

在释能环节，液态空气通过加压之后，同常温空气开展冷能交换，获取冷能之后进入蓄冷罐中，进行热交换，传递且保存蓄冷介质；高压空气进入膨胀机组，同储热介质开展热能交换，形成的高温空气进入膨胀机做功，实现热能和机械能之间的转换，推动电机完成电能转换[1]。

2.系统储能、释能及子系统功能
对于系统运行来看，可将其运行模式划分成两部分，一是储能模式，二是释能模式，确保二者独立运转，并且要保证子系统按照相关工艺流程及实际需求来运行。

对于储能部分来看，一般是在夜间用电低估时启动运行，压缩和储热等子系统彼此配合运行，把空气压缩且液化保存，并且保存热能且消耗冷能；对于释能部分来看，保证白天八小时运行，且有关子系统之间保持密切的合作，对液态空气进行及气化处理，促进膨胀发电，对这一过程中的冷能进行保存，同时对存在的热能进行全面消耗。

液态空气储能的各子系统包括，1）净化和压缩子系统：借助压缩机和增压机，对上游过滤的空气进行压缩，从而实现下游的液化需要。

2）液化子系统：主要是对空气进行冷却，使其达到低温状态，得到所需的液态空气。

3）储热子系统：是借助导热油实现保存及交换操作，空气换热且保存压缩热能；进入预热器和加热器，释热，提升能量转换效率[2]。

4）蓄冷子系统：回收冷能，把其输入液化子系统，进而达到循环使用，提升系统效率。

5）膨胀发电子系统：是系统的重要成分，在释能环节，一般是对高压空气进行加热处理，实现膨胀机做功，完成能量释放；并且，末级排气可以被当作再生气源，以降低能耗。

3.储能发电系统主要装置的工程化研制运用进展
针对该储能发电系统来看，对于其主要设备的工程化研制应用进展，本文主要从以下方面进行分析，为相关人员研究提供参考。

3.1系统压缩机和增压机设备工程化研制运用进展
对空气开展绝热压缩，并且形成高温热能。

进口温度符合气温要求，并且设置了预热器，确保机组可以正常工作；为了适应缺水条件，把水冷却改成风冷；为满足不稳定性，采取变频启动调节，适应输入功率改变工况；综合考虑系统频繁启停特征，设计寿命超过二十年；系统装置运检周期超过四年；怎样保存与使用高温热能为关键技术难点。

压缩机和增压机都是两段式设置，为获取高质量热能，不考虑级间冷却，出口温度超过250摄氏度。

针对末两级温度高情形，使用耐高温材质确保系统装置正常工作；2台压缩机组使用一体化设置，减少占地与成本，效率较高。

不少厂家都拥有设计生产能力，如陕鼓和通用。

进口部件包括主油泵、叶轮、齿轮箱等，到货周期大概13个月；其它部件国内组装，到期周期大概十个月。

3.2储能发电系统空气纯化器工程化研制运用进展
储能发电系统在机组间安装纯化器，空气通入氧化铝分子筛吸附且去除二氧化碳、杂质和水分，确保液化装置正常运行、不出现堵塞。

通过分子筛吸附，包括2台吸附罐，能交替应用。

在储能环节，先后投入利用，达到八小时要求；在释能环节，使用排气对吸附罐开展热吹、冷吹，实现再生；运行压力大概0.9兆帕，空气处理量大概7.3万立方米每小时，技术比较成熟；空气露点温度要小于零下65摄氏度，国产设备能达到要求，纯化器装置和吸附剂可在国内生产；为了满足缺水条件，取消了水冷器，且对储能发电系统开展校核计算，把进口温度降为28摄氏度。

要改善材料用量，对设备开展适用性技术攻关。

3.3储能发电系统换热器设备工程化研制运用进展
末级冷却器用来获取压缩热，再热器用来输入额外热能。

10MW级深冷液态空气储能发电系统要求换热器可以在高温下工作，尽量保持热能品位不变，需要结合进口条件设置定制。

减小换热器温差，温差要低于5摄氏度，降低传热损失，提高热能使用率；提高换热器压力，达到气化压力要求；增加温度，介质温度低于300摄氏度，全面热交换，提高热能品质；使用绕管式换热器。

其有着较好的热补偿能力，能自行补偿。

3.4储能发电系统蓄冷罐设备工程化研制运用进展
利用蓄能载体回收、保存与释放低温冷能，在释能环节，把空气通入蒸发器和蓄冷罐，回收且保存冷能；在储能环节，把冷能释放给冷箱，充分液态空气，提高储能发电系统效率。

为填充床式结构，使用球形颗粒让换热充分；使用真空填充保温，温升大概0.2摄氏度每天；罐体运行压力1.5兆帕，运行温度零下16摄氏度是常规设置，技术较为成熟；为了缓解冷能品位降低，装置使用多罐蓄冷、双罐串联，提高了温度均匀性，减少用损；为尽可能使用热能，空气压力增到1.5兆帕以提升传热系数[3]。

统计运行工况，蓄能效率大于95%。

3.5系统深冷泵和蒸发器设备工程化研制运用进展
深冷泵和蒸发器配合调节达到工艺要求，提升运行压力，通过流量和压力匹配设置，让深冷泵更好运行。

耦合加快转速、增加叶轮，确保设备正常运转，并且提高出口压力，达到气化需求。

如今，泵出口压力能达到12兆帕；减小换热温差，为了提升冷能品质，设置蒸发器，确保运行压力达到12兆帕，温差实现2摄氏度。

现如今，只有部分国外公司具备相应技术能力，需进行以上装置的国产化研制运用和试验进程。

3.6储能发电系统膨胀机设备工程化研制运用进展
膨胀机利用膨胀降温过程达到对外输功，且推动发电机达到机械能电能转换。

机组采用多轴布置；膨胀机运行温度范围零下50摄氏度至270摄氏度；润滑油冷却是空冷；机组寿命设置可适当频繁启停。

机组进口压力高、温度大，首级入口压力是12兆帕，不建议使用容积式膨胀机。

建议采用径流式膨胀机，技术较为成熟，能达到系统定制要求，但还需克服诸多问题。

为确保机组适配性，要联合厂家深入分析运行工况点，且根据多轴布置开发轴系振动和超速保护。

4.结论与建议：
液态空气储能系统的各子系统技术比较成熟、开发风险较低，技术方案总体是可行的。

在此类储能系统中，由于包括多种物理过程，涵盖设备类型多，检测点多，参数之间关联性强，不易调整控制，对人员要求严格；系统运转模式独特，对旋转设备运转可靠性提出很高要求。

所以，设计、运维缺少有关工程化运用经验，容易造成运行效率和设计效率形成差异，可能还会影响建成后的机组正常运行。

因此在后续方案设计中，要给出满足工程化落地的细化执行方案，还应该结合工程运用需要，有针对性地进行工程化设计，综合考虑配套工程造价，为行业工程化运用和推广夯实基础。

参考文献：
[1]马兴民.深冷液化空气储能系统设计及分析[D].导师：何青.华北电力大学（北京），2022.
[2]葛俊，司派友，宋亚军.10MW级深冷液化空气储能发电系统自动启动控制方法研究[J].热能动力工程，2021，（02）：9-17.
[3]任彦，黄葆华，徐桂芝.基于一种深冷液化空气储能发电系统的多系统耦合启动研究[J].华北电力技术，2020，（04）：38-43.。