儲能科學與技術壓縮空氣儲能技術原理陳海生\劉金超U，郭歡U，徐玉杰\譚春青1（1中國科學院工程熱物理研究所，北京100190；2中國科學院大學，北京100190）展現狀進行了簡要講解，包括工作(gōng zuò)原理、工作過程、關鍵技術、發展現狀、應用領域等。
　　儲能通過一定介質存儲能量（主要是電能），在需要時將所存能量釋放，以提高能量系統的效率、安全性和經濟性儲能是目前制約可再生能源大規模利用的最主要瓶頸(bottleneck)之一，也是提高常規電力系統效率、安全性和經濟性以及分布式能源系統和智能電網的關鍵技術，因此成為了當前電力和能源領域的研發和投資熱點。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。
　　壓縮空氣儲能（compressedairenergystorage，CAES）和抽水蓄能被公認為是比較適合大容量和長時間電能存儲的儲能系統。壓縮空氣儲能系統通過壓縮空氣儲存多余的電能，在需要時，將高壓空氣釋放通過膨脹機做功發電。自從1949年StalLaval提出利用地下洞穴實現壓縮空氣儲能以來，第一作者(translation)及通訊聯系人：陳海生（1977―），男，研究（research)員，主要研究方向為新型大規模電力(electricity)儲能系統與材料、微型燃氣輪機、微小尺度流動與傳熱等，E-mail：國內(guó nèi)外學者開展了大量的研究和實踐工作，并已有兩座大型電站分別在德國和美國投入商業運行。另外曰本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站正在建設過程中。我國對壓縮空氣儲能系統的研發雖然起步較晚，但已得到相關科研院所、電力企業和政府部門的高度重視，是目前大規模儲能技術的研發熱點。
　　本文將對壓縮空氣儲能的技術原理(yuán lǐ)和發展現狀做簡要講解。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 
　　1技術(technology)原理(yuán lǐ)壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術提出的一種能量存儲系統。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。為燃氣輪機的工作原理圖，空氣經壓氣機壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓燃氣進入透平膨脹做功。燃氣輪機的壓氣機需消耗約2/3的透平輸出功，因此燃氣輪機的凈輸出功遠小于透平的輸出功。壓縮空陳海生等：壓縮空氣儲能技術原理燃氣輪機系統原理圖氣儲能系統的壓縮機和透平不同時工作（和），在儲能時，壓縮空氣儲能系統耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后，驅動透平發電。由于儲能、釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統，壓縮空氣儲能系統可以多產生2倍甚至更多的電力。壓縮空氣儲能具有適用于大型(Large scale)系統（100MW級以上）、儲能周期不受限制（limit）、系統成本低、壽命(lifetime)長等優點；但存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題。
　　壓縮空氣儲能的工作(gōng zuò)過程同燃氣輪機類似，如所示。假定壓縮和膨脹過程均為單級過程，則壓縮空氣儲能系統的工作過程主要包括如下4個。
　　C1）壓縮過程1一2空氣經壓縮機壓縮到一定的高壓，并存于儲氣室；理想狀態(status)下空氣壓縮過程為絕熱壓縮過程1一2，實際過程由于不可逆損失為1一（2）加熱過程2―3高壓空氣經儲氣室釋放，同燃料燃燒加熱后變為高溫高壓的空氣；一般情況下，該過程為等壓吸熱過程。
　　膨脹過程3―4，實際過程由于不可逆損失為3―4'.（4）冷卻過程4一1空氣(Basin air)膨脹后排入大氣，然后下次壓縮時經大氣吸入；這個過程為等壓冷卻過程。
　　壓縮空氣儲能系統(system)同燃氣輪機(Turbine)系統的工作過程(guò chéng)的主要區別在于：
　　①燃氣輪機系統上述4個過程連續進行，即（a）中4個過程完成一個回路，而壓縮空氣儲能系統中壓縮過程1一2同加熱和膨脹(inflate)過程（2―3―4）不連續進行，中間為空氣存儲過程；
　　②燃氣輪機系統不存在空氣存儲過程，壓縮空氣在儲氣室中的存儲過程在圖中沒有示出，一般情況下壓縮存儲過程中溫度會有所少量降低，但容積保持不變，在熱力學上是一個定容冷卻過程。
　　壓縮(compression)空氣儲能系統工作原理儲能科學與技術壓縮空氣儲能系統實際工作時，常采用多級壓縮和級間/級后冷卻、多級膨脹和級間/級后加熱的方式，其工作過程如（b）所示（b）中，過程2'―1'和過程4'一3'分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹過程級間加熱過程。
　　2關鍵技術壓縮空氣(Basin air)儲能系統一般包括6個主要部件：
　　①壓縮機(compressor)，一般為多級壓縮機帶中間冷卻裝置(Apparatus)；
　　②膨脹機，一般為多級透平膨脹機帶級間再熱設備；
　　③燃燒室及換熱器，用于燃料燃燒和回收余熱等；
　　④儲氣裝置，地下或者地上洞穴或壓力容器；
　　⑤電動機/發電機，通過離合器分別和壓縮機(compressor)以及膨脹機聯接；
　　⑥控制系統和輔助(Aid)設備，包括控制系統、燃料罐、機械(machinery)傳動系統、管路和配件等。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。
　　壓縮空氣儲能系統的關鍵技術包括高效壓縮機(compressor)技術、膨脹機（透平）技術、燃燒室技術、儲氣技術和系統集成與控制技術等。壓縮機和膨脹機是壓縮空氣儲能系統的核心部件，其性能(property)對整個系統的性能具有決定性影響。盡管壓縮空氣儲能系統與燃氣輪機類似，但壓縮空氣儲能系統的空氣壓力(pressure)比燃氣輪機高得多。因此，大型壓縮空氣儲能電站的壓縮機常采用軸流與離心壓縮機組成多級壓縮、級間和級后冷卻的結構形式；膨脹機常采用多級膨脹加中間再熱的結構形式。相對于常規燃氣輪機，壓縮空氣儲能系統的高壓燃燒室的壓力較大。因此，燃燒過程中如果溫度較高，可能產生較多的污染物，因而高壓燃燒室的溫度一般控制在500 *C以下。壓縮空氣儲能系統要求的壓縮空氣容量大，通常儲氣于地下鹽礦、硬石巖洞或者多孔巖洞，對于微小型壓縮空氣儲能系統，可采用地上高壓儲氣容器以擺脫對儲氣洞穴的依賴等。
　　3發展現狀目前，世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業運行。第一座是1978年投入商業運行的德國Huntorf電站（），目前仍在運行中。機組的壓縮機功率60MW，釋能輸出功率為290MW，系統將壓縮空氣存儲在地下600m的廢棄礦洞中，礦洞總容積(Capacity)達3.1x105m3，壓縮空氣的壓力最高可（1bar=105Pa）。機組可連續充氣8h，連續發電2h.第二座是于1991年投入商業運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站（）。其地下儲氣洞穴在地下450m，總容積為5.6x105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa.該儲能電站壓縮機組功率為50MW，發電功率為110MW，可以實現連續41h空氣壓縮和26h發電。該電站由Alabama州電力的能源控制中心進行遠距離自動控制。
　　2700MW的大型壓縮空氣儲能商業電站，該電站由9臺300MW機組組成。昆山空壓機保養冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進行冷卻。壓縮空氣存儲于地下670m的地下巖鹽層洞穴內，儲氣洞穴容積為9.57x106m3.日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目(xiàng mù)，位于北海道空知郡，輸出(Output)功率為4MW，是日本開發400MW機組的工業試驗用中間機組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450m處）作為儲氣洞穴，最大壓力(pressure)為8MPa.瑞士ABB（現已并入阿爾斯通）正在開發聯合循環壓縮空氣儲能發電系統。目前除德國、美國、日本、瑞士外，俄羅斯、法國、意大利、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發壓縮空氣儲能電站。
　　我國對壓縮空氣儲能系統的研究開發開始比較晚，但隨著電力儲能需求的快速增加，相關研究逐漸被一些大學和科研機構所重視。中國科學院工程熱物理研究所、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學等單位對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經濟性能、商業(business)應用等進行了研究，但大多集中在理論和小型實驗層面，目前還沒有投入商業運行的壓縮空氣儲能電站。中國科學院工程熱物理研究所正在開展1.5MW先進(advanced)壓縮空氣儲能示范陳海生等：壓縮空氣儲能技術原理儲能科學與技術4應用領域CAES最初的主要目的是用于電網調峰和調頻，如德國Huntorf電站和美國McIntosh電站的建設就是用來調峰調頻，隨著CAES技術及相關技術的發展(Develop)和微型CAES（1050MW）的出現，CAES應用越來越廣泛(extensive)，在可再生能源、分布式能源、汽車、UPS電源等方面得到了應用。
　　陳海生等：壓縮空氣儲能技術原理（1）調峰大規模CAES最重要的應用就是電網調峰和調頻，用于調峰的CAES電站可分為兩類，在電網中獨立的CAES電站和與電站匹配的CAES系統。
　　（2）調頻CAES另一個很重要的應用就是電網調頻，CAES電站可以像其它燃氣輪機電站、抽水蓄能電站、火電站一樣起到調頻作用。由于其用的是低谷電能，可做電網第一調頻廠運行。當其與其它儲能技術如超級電容、飛輪儲能結合時，調頻速度更快。
　　（3）可再生能源通過CAES可以將間斷的可再生能源儲存起來，在用電高峰期釋放，起到促進可再生能源大規模(guī mó)利用和提供高峰電量的作用等。
　　主要包括(bāo kuò)與風電結合的CAES，與太陽能/光伏(Photovoltaic)結合的CAES，以及與生物質結合的CAES等。
　　（4）分布式能源系統(system)大電網與分布式能源系統相結合是未來高效、低碳、高安全性能源系統的發展趨勢儲能系統作為負荷平衡裝置和備用電源等是解決分布式能源系統波動大、故障（fault）率高等缺點的主要途徑。由于CAES由于其與制冷/制熱/冷熱電聯產系統很容易結合的優點，在分布式能源系統中將有很好的應用。
　　等方面有廣泛的應用前景。
　　5發展趨勢壓縮(compression)空氣儲能在容量、功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）等級、放電時間、成本等方面都與抽水蓄能技術相近，特別在要求大規模（如數百兆瓦）儲能而又沒有條件(tiáo jiàn)實施抽水蓄能的情況下，壓縮空氣儲能將有廣闊的應用前景(front view)。2010年，美國著名的咨詢PikeResearch發布了他們對壓縮空氣儲能的2010―2020年的預測。由于壓縮空氣儲能在大規模儲能技術的3個主要參數：容量或額定功率（數百兆瓦），放電時間（數或數十小時）以及能源成本（數百美元/千瓦時）方面表現優秀，PikeResearch估計，壓縮空氣儲能系統市場將從2010年的453MW增加到2020年的近7GW.同時，我們也必須(have to)看到常規壓縮空氣儲能存在對大型(Large scale)儲氣室、化石燃料(fuel)的依賴等問題，必須在地形條件和供氣保障的情況下才可能得到大規模應用。帶儲熱的壓縮空氣儲能系統（AA-CAES），除去了燃燒室，具有效率高、無污染的特點，并可以方便地和太陽能熱發電系統結合，是壓縮空氣儲能技術的重要發展方向。液態空氣儲能系統（LAES）和超臨界空氣儲能系統（SCAES）將空氣在液態下存儲，大幅減小儲氣室的體積，從而擺脫對大型地下儲氣室的限制，也是壓縮空氣儲能技術的重要發展方向。小型壓縮空氣儲能系統結構簡單，功能靈活(flexible)。它利用高壓容器代替儲氣洞穴，能夠擺脫傳統壓縮空氣儲能系統對地形的依賴，可以用于備用電源、汽車動力和分布式供能系統等，具有廣泛的應用前景。壓縮空氣儲能與可再生能源的耦合系統可以解決可再生能源的間斷性和不穩定性問題，是提高風能、太陽能等可再生能源大規模利用的迫切需要，將是壓縮空氣儲能技術的近期主要發展方向。