中型规模压缩空气储能系统用离心式压缩机与往复式压缩机选型比较.pdf
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1、书书书产 品 选 型 年 期(总第 期)中型规模压缩空气储能系统用离心式压缩机与往复式压缩机选型比较黄开华,陶冶,何顺安,何朝升,黄家伟,王玲子(中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司,四川 成都 ;中国石油集团长庆油田分公司第二采气厂,陕西 榆林 ;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西 西安 )摘要:以 储能规模的系统为例,采用市面上较为成熟的往复式压缩机与离心式压缩机,分别形成 套纯往复式压缩机与纯离心式压缩机的方案,针对可靠性、投资成本、维护成本以及运行成本四项评价指标,采用层次分析法进行综合性能的分析,发现对于 规模的压缩空气储能系统,离心式压缩机的综合性能更好,因此在进行中型规
2、模的压缩空气储能系统建设时,推荐采用全离心式压缩机组的方案。关键词:压缩机;选型;空气储能系统中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:中国石油天然气股份有限公司前瞻性基础性战略性技术攻关项目(),(,;,;,):,:;产 品 选 型 年 期(总第 期)引言可再生能源固有的间歇性使得其消纳困难,弃风、弃光现象严重,造成了极大投资浪费,我国电网峰谷差呈逐步扩大的趋势,而可再生能源的比例?加使得该问题进一步恶化。先进的大规模储能技术能够实现能量的时空转移,平滑新能源波动性,从而为解决弃风弃光问题,并为电网削峰填谷和能源结构清洁化转型提供支撑 。目前较为成熟的大规模储能技术主要有抽水
3、蓄能、蓄电池储能以及压缩空气储能 种 。与抽水蓄能、蓄电池储能技术相比,压缩气体空气储能对地理条件要求较低,成本也与抽水蓄能相似,并且储能容量大,技术可靠,运行寿命长,是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一,是解决我国普遍存在的弃风、弃光、弃水问题,实现智能电网削峰填谷、提升综合能源系统灵活性的重要手段之一。我国广泛发育于不同时代的盐岩地层,塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、江汉盆地和渤海湾盆地等均可见不同时代的盐岩地层分布,在利用盐穴建设压缩空气储能电站上有着较大优势 。近 年的持续技术攻关,天然气盐穴储气库形成了溶腔设计与控制、常规井眼钻完井技术、地面注采气工艺等系列技术,支撑金坛、
4、楚州、平顶山等盐穴储气库的建设与运行,其中金坛储气库已建成工作气量 亿方。中石油工程院所积累掌握的一系列盐穴钻完井、造腔及注采等技术也为储能库的高效安全建设奠定了基础。我国对压缩空气储能系统的研究起步比较晚,但近年来随着电力储能需求的快速增加,压缩空气储能电站的建设刻不容缓 。年 月 日,中盐金坛“盐穴压缩空气储能国家试验示范项目”开工 ,项目总投资 亿元人民币,其中一期投资 亿元,建设完成 套 盐穴非补燃压缩空气储能系统,未来将分期建设装机容量达百万千瓦的压缩空气储能基地。现有盐穴压缩空气储能电站工程案例极少,盐穴压缩空气储能技术在国内应用时,面临着压缩空气储能技术路线选择问题。压缩空气储能
5、解耦存储过程中压缩机排气压力(约 )、流量持续变化带来的变工况难题,导致压缩机等关键设备存在运行失稳问题及多参数耦合难题,需要有针对性的选用流量、压比和负荷适配的高效压缩机。针对 的盐穴压缩空气储能技术线路,开展基于压缩空气工况的往复式和离心式压缩机的对比,并形成中型规模压缩空气储能系统用压缩机组的推荐方案。流量和压比是压缩机选择过程中重要的评价指标,如果体积流量和排气压力都满足需要,还需对压缩机的类型进行比较 。往复活塞式压缩机和离心式压缩机适用的流量与压比如图 所示,往复式压缩机适用于各种中小流量的应用场合与各种排气压力工况,流量需求达到 以上时单机尺寸会非常大,往往超过常规材料所能承受的
6、极限。在 储能规模的小型系统中,因为往复式的流量压比等均能较好满足需求,且因往复压缩机整体效率较高,因此小规模储能系统中优先使用往复压缩机,例如:在位于我国河北廊坊的 示范系统中,采用了 级活塞式压缩机组作为空气压缩装置。根据中盐金坛的建设运行与成本估算数据,储能规模的系统建设耗资约为 亿,这一规模为长期运行周期下能完成投资回本的临界储能规模,如果储能规模再小,建设储能系统的投资可能无法回本,因此压缩空气储能系统通常应为几十兆瓦级或是上百兆瓦级的规模。离心式压缩机具有单级压比高、结构紧凑、工作范围较宽的特点,非常适用于大流量的应用场合。离心式压缩机单级叶轮压升有限,通常采用多级压缩形式。多级离
7、心压缩机又可分为单轴式和多轴式,其中多轴式离心压缩机具有效率高、结构紧凑、便于进行级间热回收等优点,更符合大规模压缩空气储能系统的需求。在 以上的大规模储能系统中,应选用离心式压缩机来适应大流量大图 往复式与离心式压缩机压比与流量的适用范围示意图产 品 选 型 年 期(总第 期)压比的应用场合。极小规模与大规模储能系统的压缩机选型已有了较为清晰的方向,而对于 之间的中型规模储能系统,离心式压缩机与往复式压缩机的选择尚未有统一的定论。本文以金坛盐穴 储能规模的系统为例,采用行业内对于往复式压缩机与离心式压缩机的设计、参数选择及加工较为成熟的方法,形成两套纯往复式压缩机与纯离心式压缩机的方案,并对
8、其综合性能进行比较,以形成中型规模储能系统压缩机选型的推荐方案。离心机与往复机结构方案根据储能电站的规模可确定压缩机的输入功率及膨胀机的输出功率。对于金坛 的压缩空气储能系统,压缩机流量 为 式中 压缩机输入功率,、进出口压力,所计算的压缩机流量(入口状态下,)则当压缩机的等温效率为 ,排气压力为 时,压缩机流量约为 。盐穴内温度通常为 ,因此选择各级排气温度为 。压缩机的运行方式有:滑压运行、定压运行以及定 滑组合的运行方式。其中定压运行的方式中,多段压气机压比相同且均为额定压比,机组出口压力为储气室的最大工作压力,当储气室压力与机组出口压力相同时,储能过程结束。该种压缩方式对于压缩机组的稳
9、定性较好,故压缩机系统各级各段采用定压运行的方式。为了保证运行过程中的可靠性,压缩机需选择加工设计较为成熟的机型,成熟的机型在保证运行可靠性的同时,其加工与制造成本也更低。则根据金坛盐穴工况,设计 的压缩空气储能系统中的往复式压缩机与离心式压缩机方案。全往复压缩机方案为,采用 台十列六级的压缩机(),单台压缩机的轴输入功率 为 ,转 速 为 ,行 程 为 ,各台均采用 个一级,个二级,各 个三、四、五、六级缸的结构形式。往复式压缩机受填函与易损件材料的限制,气体温度不能过高,故机体采用循环水冷的方式,进气温度均为 ,则压缩机各级压比分配与特性如表 所示。全离心压缩机的方案如表 所示,采用等压比
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