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压缩空气储能项目膨胀机方案与储气库容积选择经济性比较

摘要:本文描述了压缩空气储能项目膨胀机选择原则及常规选择方案;说明了储气库容积大小的计算方法。综合两种不同方案的项目投资成本,进行了经济性比较;结合比较结果得出压缩空气储能项目在膨胀机方案和储气库容积大小方面的结论,以供工程设计参考。

关键词:压缩空气储能;膨胀机;储气库;容积;

中途分类号:TK

前言

国内压缩空气储能项目签约、在建、已建、运行的项目很多,在未来几年也将会有更多的项目相继落地。在压缩空气储能技术不断迭代过程中,很多关键技术影响着项目的最终方案的确定。主要包括系统集成的中温、高温方案的选择,换热介质的选择等方面十分关键。压缩机单双线方案及各段压缩机机型匹配问题,膨胀机的级数、配气方式、单双线方案等都将决定压缩空气储能项目的具体实施。储气库的容积大小、储气方式也是决定项目最终落地的关键因素。本文结合某项目主要描述压缩空气储能项目在膨胀机方案和储气库容积选择经济性比较。

1.膨胀机方案与滑压范围选择

某项目采用介质为水的中温换热方案。采用绝热压缩技术路线。

方案一:储能时,空气自大气经过四级压缩,每一级压缩后经过水气换热器冷却,变成高压常温压缩空气于储气库中存储;导热水由冷水罐经过1号、2号、3号换热器吸热后储存于热水罐。释能时,空气自储气库经过气水加热器加热后进入透平做功,透平为三段,两次再热。膨胀机入口温度190℃,再热压力按2.37MPa和0.53MPa。

膨胀机采用节流+旁通配气方案。单机滑压范围为12MPa~8MPa和8MPa~5MPa。热水经过加热器后冷却进入冷水罐回到系统初始状态。

图1第一套膨胀机热平衡图

图2第二套膨胀机热平衡图

方案二:热力系统采用二次再热,为确保在整个运行过程中保持高效率,机组采用全周进气+两路补气的配气方式,补气点在高压缸中间级处及中压缸中间级处。膨胀机入口温度190℃,再热压力按2.37MPa和0.53MPa。节流运行阶段:以进口压力10.15MPa为通流效率最优设计工况;在进气12~10.15MPa时,采用节流运行保证透平不超发,此过程为节流运行阶段。1段补气运行阶段:在进气10.15~9MPa时,逐渐增加高压补气阀的开度,增加透平的总进气量,保证透平发出额定功率。2段补气运行阶段:在进气9~8MPa时,逐渐增加补气阀的开度,增加透平的总进气量,保证透平发出额定功率。以上两过程为补气运行阶段。

膨胀机单机的滑压运行压力范围:12~8MPa。

图3两次补汽热平衡图

2.储气库容量确定

压缩空气储能项目的储气库一般可采用、盐穴、人工硐室、管线钢等方式存储空气。储气库容积的决定因素有:膨胀机滑压范围;发电额定功率下,放电小时数;储气库的承受压力。本文在相同发电容量、相同最高承受压力下,进行储气库体积确定。本文按伯努利状态方程换算或密度差值法,根据发电气耗量来计算。

伯努利公式:

?

为标准状态温度,k。

为储气库内气体滑压范围的高压值,MPa。

为储气库内气体滑压范围的低压值,MPa。

h为放电也即发电时长,h。

D为膨胀机进口质量流量,kg/h。

1.1为储气库的容积系数。

密度法公式:

?

为储气库内气体高压时对应气体密度,kg/m3。

为储气库内气体低压时对应气体密度,kg/m3。

方案一系统设置两套透平,在不同主气压力工况下工作,使滑压范围增大,更加充分利用压缩的空气,减小储气库容积需求。经伯努利公式或密度阀计算储气容积:20万m3;

方案二同样参数下常规单台透平滑压运行,滑压范围定为12MPa~8MPa,在同等发电容量下,经伯努利公式或密度阀计算储气容积:33万m3。

几种方案经济性比较

在工程实际中,压缩空气储能项目的膨胀机方案和储气库容积选择方案决定于该项目的投资成本的多少。在压缩系统和换热系统基本一致前提下,差异成本主要包括膨胀机单台或多台设备及安装等成本和储气库容积的设备和建安费综合成本。根据相关地质勘察单位结合项目地质条件粗估,该项目人工硐室成本约4500元/立方米。

表一,膨胀机方案和储气库容积选择方案经济性比较??????单位:万元

膨胀机

储气库:人工硐室

相关辅助费用

总成本

方案一:两台

10500

20万方,90000

1000

101500

方案二:单台

5500

33万方,148500

600

154600

差异

-4000

58500

-400

53100

从表中看出,本压缩空气储能项目方案一要比方案二节约投资约53100万元。

结论

结合以上膨胀机方案和储气库容积大小的综合经济性比较,有以下结论:

1)针对储气库为人工硐室的压缩空气储能项目,地下储气库成本较高,尽量扩大滑压范围,缩小储气库容积。建议优选储气库容积较小两台膨胀机方案。

2)针对储气库单位容积投资成本不大,比如盐穴

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