噴射補燃壓縮空氣儲能技術研發及實踐 分享版(1).pdf

1、1南方電網科學研究院南方電網公司一級拔尖專業技術專家全國電力儲能標準化技術委員會壓縮空氣儲能工作組委員2022年9月噴射補燃壓縮空氣儲能技術研發及實踐郭祚剛知識產權聲明本文件的知識產權屬南方電網公司所有。對本文件的使用及處置應嚴格遵循南方電網公司有關規定或獲取本文件的合同及約定的條件和要求。未經南方電網公司事先書面同意，不得對外披露、復制。Intellectual Property Rights Statement This document is the property of and contains proprietary information owned by CSG and/or

2、its related proprietor.You agree to treat this document in strict accordance with the terms and conditions of the agreement under which it was provided to you.No disclosure or copy of this document is permitted without the prior written permission of CSG.3郭祚剛 博士 簡介郭祚剛，博士，南方電網公司一級拔尖專業技術專家，南網科研院首批次“高潛

3、力人才特殊支持計劃”青年拔尖人才。2012年由浙江大學博士畢業，長期從事新型壓縮空氣儲能、配電網規劃、綜合能源技術等領域研究。作為負責人承擔高效壓縮空氣儲能系統優化技術研究等南方電網公司重點科技項目 8項，參與編制電力儲能用壓縮空氣儲能系統技術要求國家標準，編制行業標準 6項，南網企業標準多項。郭祚剛 全國電力儲能標準化技術委員會壓縮空氣儲能工作組，委員；中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會，專家委員；能源行業綜合能源服務標準化技術委員會，委員；中電聯能源互聯網標準化技術委員會，委員；南方電網公司儲能與可再生能源重大科研團隊，核心成員；南方電網公司配電網技術標準工作組，委員；Email:聯系

4、電話：180263062564一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄5壓縮空氣儲能強相關的國家政策文件p2019年6月25日，貫徹落實2019-2020年行動計劃的通知（發改辦能源2019725號）印發。在加強先進儲能技術研發和智能制造升級方面：要加大儲能項目研發實驗驗證力度（推進大容量壓縮空氣儲能等重大先進技術項目建設，推動百兆瓦壓縮空氣儲能項目實現驗證示范），繼續推動儲能產業智能升級和儲能裝備的首臺（套）應用推廣。p2022年3月21日，“十四五”新型儲能實施方案（發改能源2022209號）印發二、

5、強化技術攻關，構建新型儲能創新體系加大關鍵技術裝備研發力度：開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究。三、積極試點示范，穩妥推進新型儲能產業化進程開展不同技術路線分類試點示范。重點建設更大容量的液流電池、飛輪、壓縮空氣等儲能技術試點示范項目。62022年6月修訂版-南方區域兩個細則p為滿足新型電力系統的建設運行需要，將南方區域發電廠并網運行管理實施細則更名為南方區域電力并網運行管理實施細則，將南方區域并網發電廠輔助服務管理實施細則更名為南方區域電力輔助服務管理實施細則。p形成2個基礎細則和新型儲能、可調節負荷、風電、光伏發電4個

6、專項實施細則在內的“2+4”的規則體系，本次特地為新型儲能設定了專項實施細則。p新增了電化學、壓縮空氣、飛輪儲能等新型儲能主體，給予了壓縮空氣儲能輔助服務市場主體身份。p明確了獨立儲能電站的含義:不再受儲能電站所在位置限制，只要是直接與調度機構簽訂并網調度協議滿足直控調節的儲能電站都認為是獨立儲能電站。新規則中將容量5兆瓦/1小時及以上、調度機構能夠直接控制的獨立儲能電站納入管理。p新型儲能在調峰、調頻、緩解阻塞、替代和延緩輸配電投資、電壓支撐與無功控制、故障緊急備用等方面可發揮重要作用。獨立儲能電站參照煤機深度調峰第二檔的補償標準，其他輔助服務如一次調頻、AGC、無功調節等品種采用與常規機組

7、一致補償標準。p總結：壓縮空氣儲能站的市場主體地位已明確，補償標準也初步明確，未來空間值得期待。7一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄8壓縮空氣儲能系統原理p能量轉換過程空氣壓縮機組電能壓縮熱能空氣壓力勢能膨脹機組電能對外供冷對外供熱天然氣等外部熱源l壓縮儲能過程兩種設計模式（儲能階段)：（1）盡可能高的排氣溫度：壓縮過程1-2-3-4，壓縮終點的排氣溫度高，能耗相對較高；（2）適宜的排氣溫度：壓縮過程1-2-2-3-4，采用級間冷卻，分段壓縮，降低能耗；兩種壓縮工藝，能耗的差額為圖中的黃色區域面積；

8、儲能階段結論：合理配置級間冷卻工藝，能夠降低壓縮階段能耗。壓縮儲能過程膨脹釋能過程9壓縮空氣儲能系統原理l膨脹釋能過程兩種設計模式（熱力學過程分析)：（1）較低的膨脹起始溫度：膨脹過程5-6-7，膨脹的起始溫度為T6;（2）較高的膨脹起始溫度：膨脹過程5-6-7-8，膨脹的起始溫度由T6提高至T7；兩種膨脹工藝相差的發電量為圖中的黃色區域面積；膨脹階段結論：提升膨脹起始溫度，能夠顯著提升單位質量空氣發電能力。p能量轉換過程空氣壓縮機組電能壓縮熱能空氣壓力勢能膨脹機組電能對外供冷對外供熱天然氣等外部熱源壓縮儲能過程膨脹釋能過程10歐美補燃型壓縮空氣儲能技術成熟歐美補燃型壓縮空氣儲能技術原理圖p

9、歐美補燃型技術：自1978年開始應用，已經十分成熟。p 優點：歐美高參數燃燒器定制化能力強，膨脹機起始膨脹溫度高，電能輸出能力強。p 不適合中國的國情之處：(1)排煙溫度過高，降低了儲能系統效率；(2)高參數燃燒器國產化能力不足，成為了“卡脖子”技術問題，歐美補燃型技術不適合我國的國情。11國內無補燃型壓縮空氣儲能發展迅速國內無補燃型壓縮空氣儲能技術原理圖p 國內無補燃型技術：中科院工程熱物理所在張家口建設100MW/400MWh 示范項目，清華大學與華能集團在江蘇徐州建設60MW/300MWh示范項目。得到了大量經費資助，發展迅猛。p 優點：(1)充分考慮了儲能階段的壓縮熱利用，不需要消耗天

10、然氣。(2)在天然氣氣源不足的場景也能夠適用，在國內擁有廣泛的應用場景。p 進一步提升空間：提升空氣膨脹起始溫度，進一步提升單位質量空氣的儲能密度及對外電能輸出能力。12國內壓縮空氣儲能發展狀況的小結p 無補燃型壓縮空氣儲能技術，取得了的較大成就：在大容量示范方面已經開展了卓有成效的研究工作，張家口100MW/400MWh 示范項目，徐州60MW/300MWh示范項目，湖北應城300MW示范項目均在有序推進。p 具備更高能量密度、適合國情的新型補燃壓縮空氣儲能技術，仍然空白，亟需快速發展 受制于高參數燃燒器“卡脖子”技術制約，新型補燃壓縮空氣儲能技術處于空白狀態；具備更高能量密度的新型補燃壓縮

11、空氣儲能技術研發及示范，需要加速推進。13噴射補燃壓縮空氣儲能技術及系統（南方電網公司）p 噴射補燃壓縮空氣儲能的幾項技術特點：一是壓縮熱與天然氣熱同步利用：兼顧了儲能階段的壓縮熱利用與天然氣補燃，進一步提高單位質量儲存空氣的電能輸出能力；二是空氣壓力能梯級利用：從膨脹機的做功乏氣，抽取空氣供燃燒器燃燒，實現了空氣壓力能的梯級利用，進一步提高儲能系統效率；三是余熱余壓回注膨脹機：用于加熱膨脹機入口氣流的高溫煙氣，全部回注膨脹機，實現天然氣熱量利用的閉環，進一步提高儲能系統效率；儲能系統效率高、單位裝機容量造價低：提升了系統效率，降低了單位造價。14噴射補燃壓縮空氣儲能與抽水蓄能對比噴射補燃壓縮

12、空氣儲能與抽水蓄能的性能對比表噴射補燃壓縮空氣儲能抽水蓄能技術電對電效率%65-7870-75電能放充比0.80-0.920.70-0.75單位投資成本(元/kWh)1000-2000500-2000單臺功率MW100-200250-300儲能介質氣態、洞穴液態水，上下游水庫儲氣壓力MPa7-10/供能形式電能、高品質供熱電能優點1、可同步供熱；2、設備可全部國產化，實現完全自主；3、效率高；1、可輸出功率高；2、效率高；缺點1、在天然氣等燃料缺乏區域，不適合布置；1、水庫選址困難，建設周期長；2、涉及移民問題；噴射補燃壓縮空氣儲能系統經過天然氣適度補燃后，膨脹機輸出電量與壓縮機消耗電量之比可

13、以達到 0.80至0.92，大幅提升高峰電價期間輸出電量，提升儲能系統經濟性。15一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄16壓縮空氣儲能系統建模理論建模壓縮系統建模換熱系統建模儲熱系統建模燃燒器建模膨脹系統建模噴射系統建模儲能系統建模構架圖p 壓縮空氣儲能系統優化設計以及性能預測分析，均需要以仿真模型為基礎。p 依據儲能系統運行過程，將理論分析模型劃分為：壓縮系統模型、換熱系統模型、儲熱系統模型、燃燒器模型、膨脹系統模型、噴射系統模型等。17壓縮空氣儲能系統建模壓縮系統模型：通過多臺壓縮機做功，制備高壓

14、力的壓縮空氣，實現電能向空氣壓力勢能的轉變。相關的模型根據工程熱力學等相關理論進行建立。壓縮過程排氣溫度：壓縮過程比焓差：壓縮過程功率：換熱系統模型：通過不同介質之間的熱量交換，實現工質的降溫與升溫，滿足相關工藝的換熱要求。相關模型如下：換熱過程熱流模型：對數換熱溫差及換熱面積模型：18一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄19南網科研院團隊的壓縮空氣儲能體系圖譜三個縱向維度：（1）理論體系：完成技術理論及模型構建；含：補燃系統優化、噴射器結構設計、儲能系統性能評估技術等。（2）集成設計軟件：服務于工程

15、設計；含：儲能效率整體優化、壓縮機組、換熱器以及膨脹機等關鍵參數優化。（3）性能預評估軟件：服務于投資決策，基于連續運行模擬，來完成效率評估、完成壓縮機及膨脹機等關鍵設備的運行狀態評估。為電網公司精準投資壓縮空氣儲能，提供決策依據。（3）已完成。（2）開發中（1）已成形。（3）已開發出無補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件、噴射補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件。20多樣化的評估場景適用性：壓縮機類型：支持往復式與離心式；儲氣模式：支持儲罐與鹽穴等；功率等級：支持靈活的自主化設置。無補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件及功能模塊儲能運行評估模塊壓縮機組功率評估儲能過程軟件源代碼儲氣空間狀態評估儲熱罐熱品質評估壓縮機

16、排氣溫評估21評估場景適用性：膨脹機組：支持多臺膨脹機配置；儲氣模式：支持儲罐與鹽穴等；效率評估：支持完整儲能周期的效率評估。無補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件及功能模塊儲能放電評估模塊膨脹機組功率評估放電過程軟件源代碼儲氣空間狀態評估儲能系統效率評估儲熱消耗速率評估22多樣化的評估場景適用性：壓縮機類型：支持往復式與離心式；儲氣模式：支持儲罐與鹽穴等；壓力運行區間：根據需要定制化；功率等級：支持靈活的自主化設置。噴射補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件及功能模塊壓縮機組功率評估儲能過程軟件源代碼儲氣空間狀態評估儲熱罐熱品質評估壓縮機排氣溫評估23評估場景適用性：膨脹機組：支持多臺膨脹機配置；天然氣耗量：

17、支持天然氣耗量評估；供熱效益：支持供熱品質及效益評估；效率評估：支持完整儲能周期的效率評估。噴射補燃壓縮空氣儲能性能評估軟件及功能模塊儲能放電評估模塊膨脹機組功率評估儲氣空間狀態評估儲能系統效率評估抽氣補燃系統評估對外供熱能力評估噴射補燃系統放電過程軟件源代碼24一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄25噴射補燃壓縮空氣儲能測試平臺建設南方電網公司重點科技項目：高效壓縮空氣儲能系統優化技術研究項目研發目標：p 開發出壓縮空氣儲能系統優化設計技術及代碼工具。p 研發噴射補燃儲能系統核心部件噴射器的結構設計

18、、運行性能仿真技術及代碼工具。p 完成壓縮空氣儲能實驗臺建設，取得實驗平臺實測數據。項目研究內容：p 任務1 壓縮空氣儲能系統優化設計技術及代碼開發研究p 任務2 噴射器設計仿真技術及壓縮空氣儲能實驗臺的性能測試研究p 任務3“150MW/6h級噴射補燃壓縮空氣儲能集成方案”研發及性能評估26噴射補燃壓縮空氣儲能測試平臺建設p 測試平臺建設目標建設實驗測試平臺，檢驗噴射補燃壓縮空氣儲能技術路線的有效性；取得實測數據，為噴射補燃壓縮空氣儲能系統的容量放大提供基礎。p 測試平臺建設進度目前空氣壓縮機、膨脹機已經安裝到位；噴射系統處于設計過程中，待完成加工進行安裝；預計2023年完成安裝、調試與測試

19、。27一、國家儲能政策二、噴射補燃壓縮空氣儲能系統三、壓縮空氣儲能系統建模四、軟件開發及功能模塊五、儲能測試實驗平臺六、總結與展望目 錄28總結與展望p 壓縮空氣儲能領域蓬勃發展，行業關注度持續提升，60MW、100MW以及300MW等容量等級示范工程均在實施。p 南方電網公司持續關注壓縮空氣儲能發展，原創的噴射補燃壓縮空氣儲能技術正在研發，實驗平臺建設工作正在同步推進。p 南網科研院在壓縮空氣儲能領域的“理論研究”、“儲能系統集成設計軟件”以及“儲能系統性能評估軟件”三方面均取得了研究進展。p 展望：2023年完成壓縮空氣儲能實驗平臺的建設與測試工作，同步完成150MW/6h 容量等級噴射補燃壓縮空氣儲能系統集成設計方案及性能評估，更為全面的論證噴射補燃技術路線的可行性及投資經濟性。29感感謝謝聆聆聽聽南南方方電電網網科科學學研研究究院院郭郭祚祚剛剛 g gu uo oz zg gc cs sg g.c cn n