储能技术 第3章 压缩空气储能.pptx

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,第三章压缩空气储能,压缩空气储能概述压缩空气储能热力学基础先进绝热压缩空气储能压缩空气储能热力学分析压缩空气储能应用案例总结与展望,3.1压缩空气储能概述,3.1.1压缩空气储能基本概念压缩空气储能系统，就是采用压缩空气作为能量载体，实现能量存储和跨时间、空间转移和利用的一种能源系统，主要可以分为储能和释能两个基本工作过程：

储能时，电动机驱动压缩机由环境中吸取空气将其压缩至高压状态并存入储气装置，电能在该过程中转化为压缩空气的内能释能时，储气装置中存储的压缩空气进入空气透平中膨胀做功发电，压缩空气中蕴含的内能和势能在该过程中重新转化为电能,压缩空气储能系统基本原理示意图,3.1压缩空气储能概述,3.1.2压缩空气储能的作用,大功率储能单机功率可达数百兆瓦，并且可在实际运行过程中实现功率的实时调整长周期储能可实现日调度、周调度甚至季调度的长周期储能长时间供电可通过调整输出功率实现长时间供电多能联储多能联供多能联储联供能力，可与光热、地热、工业余热结合，作为清洁能源系统能量枢纽,压缩空气储能系统应用场景,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.1压缩空气储能分类,压缩空气储能系统一般分类,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.2补燃式压缩空气储能,工作原理借鉴燃气动力循环，在压缩空气储能系统膨胀机前设置燃烧器，利用天然气等燃料与压缩空气混合燃烧，以提升空气透平膨胀机进气温度技术特点结构简单，技术成熟度高、设备运行可靠、投资成本低，具有较长的使用寿命，具备与燃气电站类似的快速响应特性；在当前大力发展绿色能源、控制碳排放量的大背景下，碳排放已成为其最大弊端,补燃式压缩空气储能系统,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.3绝热式压缩空气储能,工作原理通过提升压缩机单级压缩比获得较高品位的压缩热能并存储起来；释能过程中，利用储存的压缩热加热透平膨胀机入口空气，实现无需补充燃料的压缩空气储能。

根据储热温度不同，可分为高温（400）和中温（400）两个技术路线技术特点高温绝热压缩空气储能超高温压缩和高温固体蓄热技术存在技术瓶颈，难以实现；中温绝热压缩空气储能关键设备技术成熟、成本合理，系统稳定性、可控性较强，具备多能联储、多能联供的能力，易于实现工程化应用,高温绝热压缩空气储能系统,中温绝热压缩空气储能系统,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.4等温式压缩空气储能,工作原理采用准等温过程实现空气压缩和膨胀。

压缩过程中实时分离压缩热能和压力势能，使压缩空气不发生较大的温升；在膨胀过程中，实时将存储的压缩热能回馈给压缩空气，使压缩空气不发生较大的温降技术特点等温压缩空气储能优点是系统结构简单、运行参数低，但其装机功率一般较小，储能效率较低，等温的压缩过程和膨胀过程也难以实现，仅适用于小容量的储能场景,等温压缩空气储能系统,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.5复合式非补燃压缩空气储能,工作原理太阳能光热、地热和工业余热均可满足压缩空气储能系统膨胀过程中的加热需求，这种通过多种能源系统复合实现非补燃压缩空气储能的系统称为复合式压缩空气储能系统，其工作原理与绝热式压缩空气储能类似技术特点复合压缩空气储能系统具有较强的多能联储、多能联供的能力，可以实现多种能量形式的储存、转换和利用，满足不同形式的用能需求，提升系统能量综合利用效率,复合式压缩空气储能系统,光热复合式压缩空气储能系统,3.1压缩空气储能概述,3.1.3压缩空气储能分类及技术路线,3.1.3.6深冷液化空气储能,工作原理深冷液化空气储能在压缩、膨胀和储热方面与绝热式压缩空气储能类似，所不同的是，液态空气储能增加了蓄冷系统，其包括储能过程中空气的冷却、液化、分离、储存和释能过程中空气的气化技术特点最大的优点是空气以常压液态形式储存，储能密度高，可大大减少储气系统的容积，减少电站对地形条件的依赖。

但由于增加蓄冷系统，导致系统结构更为复杂,深冷液态空气储能系统,深冷液态空气储能试验系统,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.1热力学第一定律,热力学第一定律（能量守恒定律）热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与其他形式的能量互相转换，在上述传递或转换过程中，能量的总量保持不变。

对于闭口系统，热力学第一定律数学表达式为,=,式中，dE为系统总能的变化，Q为系统由外界吸收热量与向外释放热量之差，W为系统向外界做功与外界向系统做功之差；,对于一个热力系统，其内部能量E由系统内部物质的内能U、宏观的动能Ek和重力势能Eg组成，即,=+,=+,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.1热力学第一定律,体积功边界上某一微元面积A在压强p作用下沿法线移动dx并引起体积变化dV，则压强p在该过程中对系统所做的功为体积功，表达式为,=,流动功对于存在物质传递的热力过程，热力系统中工质在压力作用下的流动过程也存在功的传递，称为流动功，此时微元的体积未发生变化，其表达式为,=,=,=,体积功示意图,流动功示意图,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.1热力学第一定律,焓（Enthalpy）定义物质内能U和推动功pV之和为物质的焓H，单位质量物质内能u与流动功pv之和为物质的比焓h，单位为（/）,开口系能量守恒方程和闭口系不同，开口系能量守恒中还需要考虑工质进出带来的能量变化和流动功，其表达式为,=+,式中cf为工质的流速；z为工质在重力场中的高度；g为重力加速度；下标in和out分别表示进口和出口参数。

在压缩空气储能研究中，一般忽略空气的动能和势能，则该表达式可简化为,=+,开口系统能量守恒示意图,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.1热力学第一定律,稳定流动的开口系能量方程对于达到稳定流动状态的开口系统，即系统内各处物质的状态参数都处于稳定状态，则此时系统内部总能不变，进出系统的物质的量也一致，其表达式为,=+,=+,技术功可通过工程机械技术手段施加或应用的功称作技术功，包括体积功、动能、势能等，因此稳定流动的开口系能量方程可简化为,=+,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.1热力学第一定律,稳定流动的开口系能量方程应用,压缩机能量方程,=+,忽略热量及动能、势能差,=,透平机能量方程,=+,忽略热量及动能、势能差,=（）,换热器能量方程,换热过程无功的交换，动能、势能差,=,压缩机,透平机,换热器,3.2压缩空气储能热力学基础,例3-1：

已知空气透平进口空气的焓值h1为599.85kJ/kg，流速cf1为30m/s；透平出口空气焓值h2为352.03kJ/kg，流速cf2为70m/s；散热损失和势能差可以忽略不计。

试求1kg空气流经空气透平时对外界做的功。

若空气流量m为20t/h，试求空气透平的功率。

解：

透平的能量方程为=21+122212+21+根据题意可知，q=0，g（z2-z1）=0，于是1kg空气所做的功为=12+121222=599.85kJ/kg352.03kJ/kg+12（30m/s）2（70m/s）2103=247.82kJ/kg2.0kJ/kg=245.82kJ/kg空气透平的功率为=3600=20103kg/s245.82kJ/kg3600=1365.7kW,从上例中可以看出，相对于焓值的变化247.82kJ/kg，工质动能的变化仅为2.0kJ/kg，动能的变化对透平机做功能力的影响不大，因此在工程领域中，常常忽略动能的变化。

3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.2理想气体及其热力学过程,理想气体状态方程,通过测定温度T、压力p和比体积v（或密度）三个基本可测状态参数，可以确定气体所处的热力学状态，其相互关系为：

=,此为理想气体状态方程，R被称为理想气体常数，单位为/（）,比热容,定义单位质量物质在热力过程中温度升高1K所需要吸收的热量为比热容，单位为/（）。

比定容比热容cv和比定压比热容cp分别可表示为,=,=,定容比热容cv和比定压比热容cp的相互关系为,=+,=,=,=,3.2压缩空气储能热力学基础,例3-2：

某气体的气体常数R为0.287kJ/（kgK），其在某状态下的比定压比热容cp为1.0065kJ/（kgK），试求其比定容比热容cv及比热容比。

解：

由比热容之间的相互关系可得=1.0065kJ/（kgK）0.287kJ/（kgK）=0.7195kJ/（kgK）比热容比为=1.0065kJ/（kgK）0.7195kJ/（kgK）=1.40,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.2理想气体及其热力学过程,熵（Entropy）,根据热力系统发生耗散效应时的热力学温度T和耗散的热量Q，定义衡量热力过程不可逆程度的热力学状态参数熵，其表达式为：

=,=,dS越大，说明热力过程中能量的耗散越大，不可逆程度越大。

根据熵的定义、理想气体状态方程、理想气体比热容表达式，可进一步得到理想气体比熵的不同表达式,=+,=+,=,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.2理想气体及其热力学过程,理想气体绝热过程,绝热过程是中系统与外界不发生热量传递，因而系统熵增为零，可逆的绝热过程也称等熵过程。

等熵过程中的比热容比通常用k表示，称为定熵指数或绝热指数。

绝热过程中理想气体状态参数的关系式为,=常数,=常数,/=常数,对于复杂的热力学过程，仍然可以采用类似的形式来描述,=常数,=常数,/=常数,n多变指数若n为零，即p为常数，为等压过程；若n为1，即pv为常数，为等温过程；若n为k，即为绝热指数，为等熵过程；若n为无穷大，即v为常数，为等容过程,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.2理想气体及其热力学过程,理想气体热力学过程计算公式,定值比热容的假设下，理想气体各热力学过程的计算公式如下,3.2压缩空气储能热力学基础,例3-3：

空气稳定流经散热良好的压缩机，入口参数为p1=0.101MPa，t1=20，可逆绝热压缩到出口压力p2=0.82MPa，然后进入储罐。

假设空气的流量m=2.5kg/s，比定压比热容cp=1.004kJ/（kgK），绝热指数k=1.4，试求空气的出口温度及压缩机的功率。

解：

根据绝热过程进出口参数公式可得2=1（21）1=20+273.15K（0.82MPa0.101MPa）1.411.4=533.27K则压缩机出口温度为2=2273.15=260.12根据绝热过程技术功公式可知1kg工质压缩所消耗的技术功为=21=1.004kJ/（kgK）533.27K293.15K=241.08kJ/kg则压缩机的功率为=2.5kg/s241.08kJ/kg=602.7kW,3.2压缩空气储能热力学基础,例3-4：

空气稳定流经散热良好的压缩机，入口参数为p1=0.101MPa，t1=25，可逆绝热压缩到出口压力p2=1.25MPa，然后进入储罐。

假设空气的流量m=1.3kg/s，气体常数R=0.287kJ/（kgK），试求压缩机的功率：

（1）压缩过程为等温压缩；

（2）压缩过程为n=1.28的多变过程；（3）压缩过程为绝热等熵压缩，k=1.4。

解：

（1）等温过程等温过程中，压缩机进出口温度相等，根据表3-1中等温过程技术功的计算公式可得=12=0.287kJ/（kgK）25+273.15Kln0.101MPa1.25MPa=215.273kJ/kg则压缩机的功率为=1.3kg/s215.273kJ/kg=279.85kW,3.2压缩空气储能热力学基础,

（2）多变过程根据表3-1中多变过程进出口参数公式可得压缩机出口温度为2=1（21）1=25+273.15K（1.25MPa0.101MPa）1.2811.28=516.94K则压缩1kg工质所需要的技术功为=112=0.287kJ/（kgK）1.281298.15516.94K1.28=287.05kJ/kg则压缩机的功率为=1.3kg/s287.05kJ/kg=373.17kW（3）绝热过程根据表3-1中绝热过程进出参数公式可得压缩机出口温度为2=1（21）1=25+273.15K（1.25MPa0.101MPa）1.411.4=611.79K则压缩1kg工质所需要的技术功为=112=0.287kJ/（kgK）1.41298.15611.79K1.4=315.04kJ/kg则压缩机的功率为=1.3kg/s315.04kJ/kg=409.55kW,3.3先进绝热压缩空气储能,3.2.3热力学第二定律,热力学第二定律,热力学第二定律在能量守恒的基础上进一步指出：

热量会自发地由高温向低温传递，但不会自发地由低温向高温传递，这样逆温差的热量传递过程需要消耗能量,实际热力过程往往伴随着因摩擦、电磁等因素导致的能量耗散，这种耗散一般以热量形式发生。

根据热力学第二定律，存在耗散效应的热力过程是不可自发逆转的。

熵的定义为判断热力过程不可逆程度提供了依据，熵越大，说明热力过程中能量的耗散越大，不可逆程度越大,3.2压缩空气储能热力学基础,3.2.3理想气体及其热力学过程,（Exergy）,温度为T0的环境条件下，热源所提供的热量中可转化为有用功的最大值称为，用Ex,Q来表示，其表达式为,=,式中，T为热源的温度，T0为参考状态下的参考温度，一般选取为当地的环境温度。

的大小能够作为衡量热源品位高低的参数,对于稳定流动的工质，其一般是指其能量焓中的，称为焓，表示为,=,对于确定的环境状态，稳定流动工质只取决于给定状态，是个状态参数,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.1系统基本原理,先进绝热压缩空气储能运行过程可划分为能量输入、热势解耦、热势耦合和能量输出四个基本过程,能量输入：

电能驱动压缩机进行准绝热压缩，将环境中的空气吸入后压缩至高温高压，电能转化为压缩空气的内能，从而完成能量的输入热势解耦：

在储能侧换热器内，高温高压空气和换热介质进行换热，空气温度降低进入储气装置，换热介质升温后进入储热系统中进行存储，从而实现压缩热能和压力势能的解耦存储热势耦合：

在释能侧换热器内，高温储热介质加热储气系统中释放的高压空气进入空气透平膨胀机，热介质温度降低后返回储热系统，实现压缩热能和压力势能的耦合过程能量输出：

热势耦合过程生成的高温高压空气进入空气透平膨胀机中膨胀做功，完成内能向机械能的转化，而机械能最终在发电机中转化为电能，实现电能的再生和输出,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.1系统基本原理,压缩过程中产生的热量大部分来不及传递给周围环境，因此空气压缩过程往往可简化为绝热过程进行分析计算。

为获得较高的压力，一般需要采用多级压缩机串联的形式。

当各级压缩比相等时，理论上整个多级压缩过程消耗的技术功最小。

3.3.1.1能量输出,设压缩机总级数为N，则第i级压缩机出口温度,和出口压力,分别为,=,+,=,每一级压缩机压缩过程的耗功量,和总功耗可以表示为,=,=,式中，,为该级压缩机的进口温度（K），,为该级压缩机的入口压力（MPa），,为该级压缩机的压缩比，,为该级压缩机的等熵效率（%），k为空气的比热容比，为空气的气体常数（kJ/kgK），,为该级压缩机的质量流量（kg/s）,3.3先进绝热压缩空气储能,例3-5：

某压缩空气储能系统压缩部分采用四级压缩、级间换热器冷却的方式。

空气的初始状态为p0=0.1MPa、t1=25，经四级压缩后空气压力达到8.1MPa。

各级压缩均为等熵压缩且等熵效率均为85%，压缩机的质量流量为2.5kg/s，空气的绝热系数为1.4，气体常数为0.287kJ/（kgK）。

假设二、三、四级压缩机的入口温度均为40且不考虑换热器的流动阻力损失，则压缩系统的最小功率是多少？

此时各级的排气温度分别是多少？

解：

压缩机功耗最小时各级压缩比相等，即=440=48.1MPa0.1MPa=3则第一级压缩机的功耗为1=11011=2.5kg/s85%1.41.410.287kJ/（kgK）273.15+25K31.411.41=324.81kW第一级压缩机的出口温度为1=01+11273.15=298.15K1+31.411.4185%273.15K=154.34由于二、三、四级入口温度相等，则可以求得其功耗分别为2=3=4=341.15kW第二、三、四级的排气温度为2=3=4=175.85则该压缩空气储能系统压缩机的总功耗为=14=324.81kW+341.15kW3=1348.26kW,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.1系统基本原理,压缩空气储能系统的膨胀过程往往需要通过多级膨胀实现，并在各级膨胀机入口加热压缩空气进气。

当各级膨胀比相等时，整个多级膨胀过程输出的技术功最大。

3.3.1.2能量输出,设空气透平总级数为N，则第j级空气透平出口温度,和压力,分别为,=,=,/,每一级空气透平膨胀过程的做功量,和总输出功可表示为,=,=,式中，,为该级空气透平的进口温度（K），,为该级空气透平的入口压力（MPa），,为该级空气透平的膨胀比，,为该级空气透平的等熵效率（%），,为该级空气透平的质量流量（kg/s）。

3.3先进绝热压缩空气储能,例3-6：

某压缩空气储能系统膨胀部分采用两级膨胀、级间再热的方式。

一级空气透平进气压力p1=6.4MPa、t1=290，两级膨胀完毕后的压力为环境压力0.1MPa。

各级膨胀均为等熵膨胀且等熵效率均为90%，透平的质量流量为5.5kg/s，空气的绝热系数为1.4，气体常数为0.287kJ/（kgK）。

假设两级空气透平的入口温度相同且不考虑换热器的流动阻力损失，则透平的最大输出功率是多少？

此时各级的排气温度分别是多少？

解：

空气透平输出功率最大时，各级透平膨胀比相等，即=1=6.4MPa0.1MPa=8由于两级透平的进口温度、等熵效率、膨胀比均相等，所以两级透平的排气温度和输出功率也相等。

透平的排气温度为2=1111=290+273.15K190%1811.41.4=336.11K2=2273.15=62.96各级透平的输出功率为1=1=1111=5.5kg/s290+273.15K1.41.410.287kJ/（kgK）90%1811.41.4=1393.71kW则透平的总输出功率为=12=21393.71kW=2787.42kW,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.1系统基本原理,根据能量守恒原理，换热过程中冷、热流体的传热控制方程如下所示,3.3.1.3热能交换,=,=,式中，m为流体的质量流量（kg/s），cp为比定压比热容（J/kgK），为换热装置能效，一般取0.7-0.9，（mcp）min表示冷热流体中质量流量和比定压比热容乘积中较小者，下标中的hot和cool分别代表热流体和冷流体。

以压缩侧的换热过程为例，已知空气的入口温度和换热介质的入口温度，则换热装置中空气的出口温度和换热介质的出口温度可采用下列公式计算得出,=+,=,换热器中的压损可以采用以下经验公式计算,=.,3.3先进绝热压缩空气储能,例3-7：

某压缩空气储能压缩侧换热器中采用水进行换热和蓄热。

空气侧进口压力为0.8MPa，进口温度为90，流量为75kg/s，比定压比热容为定值1.02kJ/（kgK）。

水侧的进口温度为35，流量为10.5kg/s，比定压比热容为定值4.18kJ/（kgK）。

换热器的能效系数为0.85，忽略换热过程中空气的压力损失，试求空气侧和水侧介质的出口温度。

解：

空气侧和水侧质量流量和比热的乘积分别为,=75kg/s1.02kJ/（kgK）=76.5kW/K,=10.5kg/s4.18kJ/（kgK）=43.89kW/K则根据压缩侧换热器公式，空气侧和水侧的出口温度分别为=+,=90+0.8543.89kW/K76.5kW/K3590=63.18=,=350.8543.89kW/K43.89kW/K3590=81.75,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.1系统基本原理,势能存储装置可划分为等压和等容两类，等压存储过程中空气压力能够始终维持基本不变，其可采用理想气体状态方程进行分析和计算。

等容存储过程中装置容积不发生改变，可按照理想气体等熵过程进行分析和计算。

3.3.1.4势能存储,充气过程开始时储气装置内的初始压力为p1，充气流量为qin，则充气时长为时储气装置内的压力p2为,=+,记放气过程开始时储气装置内的初始压力为p3，初始温度为T3，放气流量为qout，放气时长为时储气装置内压力为p4，则,=,可以看出，等容等熵充气过程中，由于单位时间内进入储气装置内的能量不变，储气装置内压力的变化与充气时间呈线性关系；等容等熵放气过程中，虽然放气流量不变，但由于储气装置内压力下降导致排气温度下降，储气装置内压力的变化与放气时间呈反对数函数关系,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.2系统关键设备,3.3.2.1压缩机,压缩机主要可以分为容积型与速度型两大类；根据运动方式不同，容积型压缩机可分为往复式和回转式两类。

往复式压缩机一般指活塞式压缩机。

回转式压缩机包括螺杆式、涡旋式、滑片式等；速度型压缩机则主要指透平式，根据介质在叶轮内的流动方向，透平式压缩机又可进一步分为离心式和轴流式；可用于压缩空气储能的压缩机主要有往复式、离心式和轴流式三大类；,往复式压缩机,工作中，活塞在曲柄连杆的带动下往复运动，气阀在气缸内外压差的作用下开启或关闭，完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。

优点：

机械效率高，排气稳定，排气压力高。

缺点：

转速低、结构复杂、易损件多、日常维修量大；动平衡性差，运转时有振动等。

往复式压缩机示意图,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.2系统关键设备,3.3.2.1压缩机,离心式压缩机,气体由吸气室吸入，在高速旋转的叶轮离心力作用速度、温度都得到提高，再进入扩压器，将气体的速度能转变为压力能，从而实现空气的压缩。

经过多级连续压缩后，最终由排气口排出。

优点：

转速高、排气量大、排气均匀，性能曲线平坦缺点：

存在喘振现象，危害压缩机和系统运行安全,轴流式压缩机,依靠高速旋转的叶轮将气体从轴向吸入，气体获得速度后排入导叶，经扩压后再沿轴向排出优点：

通流能力大、流量大、阻力损失小、效率高缺点：

压比较小，流量可调节的范围比较小，用于压缩空气储能系统时，一般需要和离心压缩机串联使用,离心式压缩机示意图,轴流式压缩机示意图,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.2系统关键设备,3.3.2.2膨胀机,和压缩机类似，膨胀机也主要分为容积型与速度型两大类；根据运动方式不同，容积型膨胀机可分为往复式和回转式两类。

往复式压缩机一般指活塞式膨胀机。

回转式膨胀机包括螺杆式、涡旋式等；速度型膨胀机则主要指透平式，根据介质在叶轮内的流动方向，可以分为径流式和轴流式；可用于压缩空气储能的膨胀机主要有往复式、径流式和轴流式三大类；,往复式膨胀机,高压气体通过进气阀进入气缸后，气体膨胀时推动活塞运动，并通过曲轴连杆结构将活塞的往复运动转化成曲轴的旋转运动，向外输出机械功优点：

结构简单，制造技术成熟，容易实现高膨胀比缺点：

流量小，转速低，做功不连续，工作过程阻力损失大，效率低，不适合大型场合的应用,往复式膨胀机示意图,3.3先进绝热压缩空气储能,3.3.2系统关键设备,3.3.2.2膨胀机,径流式膨胀机,气体由膨胀机的蜗壳进入叶轮，叶轮一方面使得高速气体的动能转化为机械能，由主轴向外输出做功，气体温度降低获得冷量，同时改变了气体的流动方向，使它