儲能技術(shù)習(xí)題答案（梅生偉）第3章

1、第3章習(xí)題答案3-1簡述壓縮空氣儲能的工作原理及系統(tǒng)組成。答：壓縮空氣儲能就是采用壓縮空氣作為能量載體，實現(xiàn)能量存儲和跨時間、空間轉(zhuǎn)移 和利用的一種能源系統(tǒng)，其主要包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能量轉(zhuǎn)化設(shè)備及高壓 空氣儲氣裝置。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要可以分為儲能和釋能兩個基本工作過程：儲能時，電 動機驅(qū)動壓縮機由環(huán)境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態(tài)并存入儲氣裝置，電能在該過程中轉(zhuǎn) 化為壓縮空氣的內(nèi)能；釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進入空氣透平中膨脹做功發(fā)電, 壓縮空氣中蘊含的內(nèi)能和勢能在該過程中重新轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)然，也可以直接采用外部機械 能驅(qū)動空氣壓縮機，或使空氣膨脹機直接對外輸出機械能。3

2、-2簡述壓縮空氣儲能和抽水蓄能在工作原理上的相似之處。答：和抽水蓄能一樣，壓縮空氣儲能也是一種采用機械設(shè)備實現(xiàn)能量存儲和轉(zhuǎn)移的物理 儲能技術(shù)。根據(jù)工作流程，壓縮空氣儲能系統(tǒng)通常包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能 量轉(zhuǎn)化設(shè)備，其功能分別和抽水蓄能中的水泵和水輪機相類似。止匕外，類似于抽水蓄能具有 的低位水庫和高位水庫，壓縮空氣儲能系統(tǒng)還包括由大氣環(huán)境和儲氣裝置形成的開放式低壓 氣庫和封閉式高壓氣庫。3-3以下壓縮空氣儲能電站不是采用鹽穴儲氣方式的是(C )A、Huntorf電站B、McIntosh電站C、TICC-500電站D、江蘇金壇電站3-4德國ADELE工程屬于哪種壓縮空氣儲能技術(shù)路線？

3、簡述該工程終止的主要原因。答：德國ADELE工程屬于高溫絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)路線，由于超高溫壓縮和超大容 量的高溫高壓固體填充式蓄熱技術(shù)難以實現(xiàn)，受限于上述技術(shù)瓶頸和超預(yù)算的設(shè)備研發(fā)制造 本錢，該工程最終終止。3-5以下壓縮空氣儲能技術(shù)路線中，不適宜建設(shè)大容量儲能電站技術(shù)的是(C)A、傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能B、中溫絕熱壓縮空氣儲能C、等溫壓縮空氣儲能D、復(fù)合式壓縮空氣儲能3-6簡述深冷液化空氣儲能的技術(shù)原理及其優(yōu)缺點。答：深冷液化空氣儲能又稱作液態(tài)空氣儲能技術(shù)，其在壓縮、膨脹和儲熱方面與絕熱式 壓縮空氣儲能是類似的。所不同的是，其在傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了低溫過程 和蓄冷裝置，將高壓

4、空氣液化后常壓存儲液態(tài)空氣，其增加了儲能過程中空氣的冷卻、液化、 別離、儲存和釋能過程中空氣的氣化過程。因此，液態(tài)空氣儲能技術(shù)更為復(fù)雜。和壓縮空氣儲能技術(shù)相比，液態(tài)空氣儲能技術(shù)最大的優(yōu)點是空氣以常壓液態(tài)形式儲存, 儲能密度高，可大大減少儲氣系統(tǒng)的容積，減少電站對地形條件的依賴。但由于增加蓄冷系 統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。同時，由于蓄冷系統(tǒng)在儲能和釋能過程中動態(tài)損失較大，導(dǎo)致 系統(tǒng)的儲能效率偏低。3-7關(guān)于復(fù)合式壓縮空氣儲能，以下說法錯誤的選項是（B）A、可以與光熱、地?zé)岷凸I(yè)余熱相結(jié)合B、需要化石燃料補燃C、具備多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供能力 D、電站容量可達百兆瓦級別3-8補燃式壓縮空氣儲能的技術(shù)原

5、理是什么？其與傳統(tǒng)燃氣動力循環(huán)有什么聯(lián)系和區(qū)別？ 補燃式壓縮空氣儲能的優(yōu)點和局限性又是什么？答:傳統(tǒng)的燃氣動力循環(huán)在吸熱過程中采用天然氣與壓縮空氣混合燃燒的方式提升燃氣 輪機進氣溫度。通過借鑒燃氣動力循環(huán)，在壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹機前設(shè)置燃燒器，利用天 然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機進氣溫度。這種采用化石燃料與壓 縮空氣混合燃燒的方式來實現(xiàn)壓縮空氣儲能的技術(shù)路線稱為補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)。補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃氣動力循環(huán)存在較多相似之處,但兩者結(jié)構(gòu)上最顯著 的區(qū)別在于，燃氣動力循環(huán)中空氣壓縮機與燃氣輪機同軸，燃氣輪機輸出的局部軸功用來驅(qū) 動空氣壓縮機，而補燃式壓縮空氣

6、儲能系統(tǒng)中的空氣壓縮機與燃氣輪機相對獨立。補燃式壓縮空氣儲能結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟度高、設(shè)備運行可靠、投資本錢低，具有較長 的使用壽命，具備與燃氣電站類似的快速響應(yīng)特性。然而，在當(dāng)前大力開展綠色能源、控制 碳排放量的大背景下，補燃式壓縮空氣儲能的碳排放已成為其最大弊端之一。3-9非補燃壓縮空氣儲能主要有幾種技術(shù)路線？分別闡述其優(yōu)點及局限性。答：非補燃壓縮空氣儲能主要包括絕熱式、等溫式和復(fù)合式，其中，絕熱式壓縮空氣儲 能又分為高溫絕熱壓縮空氣儲能和中溫絕熱壓縮空氣儲能。高溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率較高，然而，高溫壓縮機內(nèi)部的密封結(jié)構(gòu)和潤滑結(jié)構(gòu)目 前均存在重大技術(shù)瓶頸，固體式填充床易存在溫度梯度和換熱

7、不均。因此，在當(dāng)前的設(shè)備技 術(shù)和工藝水平條件下，高溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)難以實現(xiàn)工程應(yīng)用。中溫絕熱壓縮空氣儲 能關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟、本錢合理，可基于當(dāng)前成熟的關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和工藝水平開展設(shè)計和制 造；系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強，具備多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，易于實現(xiàn)工程化應(yīng)用，但 其效率還需要進一步提升。等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行參數(shù)低，但其裝機功率一般較小, 儲能效率較低，等溫的壓縮過程和膨脹過程也難以實現(xiàn)，僅適用于小容量的儲能場景，例如 分布式儲能、家庭儲能。復(fù)合式壓縮空氣儲能系統(tǒng)形式較多，可在理論研究或工程應(yīng)用中根據(jù)需求進行多樣化的 設(shè)計和調(diào)整。復(fù)合壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較強的

8、多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，可以實現(xiàn)多種 能量形式的儲存、轉(zhuǎn)換和利用，滿足不同形式的用能需求，提升系統(tǒng)能量綜合利用效率。3-10以下對于中溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的描述中錯誤的選項是(A)A、一般采用固體填充床進行蓄熱B、關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟、本錢合理C、系統(tǒng)穩(wěn)定、可控性強D、具備多能聯(lián)供能力3-11簡述常用的壓縮空氣儲能空氣存儲設(shè)備及其優(yōu)缺點。答：壓縮空氣儲存設(shè)備主要分為等容型和等壓型。等容型儲氣裝置主要包括鋼制壓力容 器、管線鋼鋼管和深地空間。普通鋼制壓力容器在壓縮氣體領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，然而，當(dāng) 應(yīng)用于中等容量以上的儲能場景時，普通鋼制壓力容器儲氣庫的本錢將成為限制其應(yīng)用的主 要因素。管線鋼鋼管

9、最初的用途是輸送石油或天然氣，采用管線鋼鋼管進行儲氣時，可以將 其陣列化布置于地上，或淺埋于地下以節(jié)省地面空間。在中小容量等級的壓縮空氣儲能系統(tǒng) 中，采用管線鋼鋼管陣列進行儲氣成為最正確選擇之一，但在大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，其 儲氣本錢仍然偏高。以地下鹽穴、煤礦巷道等地下洞穴為代表的地下儲氣庫容量大、占地少， 是目前建造大容量壓縮空氣儲能系統(tǒng)的有利支撐條件。等壓儲氣裝置主要包括水下承壓氣囊和重力恒壓儲氣裝置等。恒壓儲氣裝置受限于材料 技術(shù)、加工工藝和本錢等條件，目前只適用于小容量壓縮空氣儲能系統(tǒng)或?qū)嶒炏到y(tǒng)。3-12目前可用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點？應(yīng)用于壓縮 空

10、氣儲能系統(tǒng)時，壓縮機應(yīng)該按照什么方法進行選型？答：目前適用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機類型主要為往復(fù)式壓縮機、離心式壓縮機和 軸流式壓縮機。往復(fù)式空氣壓縮機的優(yōu)點是機械效率高，排氣穩(wěn)定，排氣壓力覆蓋范圍廣,排氣壓力高。 但其轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多、日常維修量大；周期性往復(fù)運動導(dǎo)致動平衡性差，運轉(zhuǎn) 時有振動。離心式壓縮機轉(zhuǎn)速高、排氣量大、排氣均勻，密封良好、泄漏量少，性能曲線平坦、操 作范圍寬。同時，離心式壓縮機易損件和維修量較少，易于實現(xiàn)自動化和大型化，非常適合 應(yīng)用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)。但離心式壓縮機氣流速度大，流道內(nèi)的零部件有較大的摩擦損失; 存在喘振現(xiàn)象，危害壓縮機本身和系統(tǒng)的運行平安。

11、軸流式壓縮機具有通流能力大、流量大、阻力損失小、效率高等優(yōu)點，同時其結(jié)構(gòu)簡單、 運行維護方便、占地面積小。但軸流式壓縮機一般壓比擬小，制造工藝要求較高，穩(wěn)定工況 區(qū)比擬窄，流量可調(diào)節(jié)的范圍比擬小。軸流式壓縮機在用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)時，一般需要 和離心壓縮機串聯(lián)使用。3-13關(guān)于軸流式膨脹機，以下描述錯誤的選項是(C)A、通流能力大B、流量大C、結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝要求低 D、損失小、效率高3-14和管殼式換熱器相比，板式換熱器具有什么優(yōu)點和缺點？其是否可應(yīng)用于壓縮空氣儲 能系統(tǒng)？答：板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方 便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點。但板式換

12、熱器無法承受高溫高壓，密封難度高，使用過 程中容易出現(xiàn)泄漏問題。盡管在換熱能力和體積上板式換熱器有一定的優(yōu)勢，但是對于高溫 過程和帶壓的換熱過程，實施過程中還是應(yīng)該主要考慮采用管殼式換熱結(jié)構(gòu)。3-15某壓縮機進口空氣的焰值也為298.45 kJ/kg,流速為55 m/s；壓縮機出口空氣 焰值2為621.28 kJ/kg,流速為22m/s；散熱損失和勢能差可以忽略不計。試求1 kg空 氣流經(jīng)壓縮機時壓縮機對其做功的量。假設(shè)空氣流量為120 t/h,試求壓縮機的功率。解：由式(3-11)可知壓縮機的能量方程為1q =也2 %1) + -(CZ22 - CA2) + 9(Z2 Z1)乙根據(jù)題意可知，

13、q=0, g-zi)=0,于是壓縮1 kg空氣所需要的技術(shù)功為1% =(八2 九 1) + (CP2 一 0J)1=(621.28 kj/kg - 298.45 kj/kg) + - (22 m/s)2 (55 m/s)2 x IO-3乙=322.83 kj/kg - 1.27 kj/kg = 321.56 kj/kg壓縮機的功率為mwc3600mwc3600=10718.7 kW3600120 x 103 kg/s x 321.56 kj/kg3-16空氣的初始狀態(tài)為po=O.lMPa、/i=20,經(jīng)三級壓縮后空氣壓力到達12.5 MPa。各級 壓縮均為等蠟壓縮且等熠效率均為90%,壓縮機的

14、質(zhì)量流量為10 kg/s,空氣的絕熱系數(shù)為 1.4,氣體常數(shù)為0.287kJ/(kg.K)。假設(shè)各級壓縮機的入口溫度均相同，試求壓縮系統(tǒng)的最小 功率和排氣溫度分別是多少？如果采用單機壓縮到達12.5 MPa,那么壓縮機的功率和排氣溫 度分別為多少？解：壓縮機功耗最小時各級壓縮比相等，即3 P3 _ 3 12.5 MPaJpo J 0.1 MPa那么第一級壓縮機的功耗為1 k ( ”1、10 kg/s 1.490% X1.4-%二租萬口心丁。(卜-1)/ 1.41-x 0.287 kJ/(kg - K) x (273.15 + 20) Kx(5- - 1=1910.19 kW第一級壓縮機的出口溫

15、度為/ k-l/- 1。1+4由于二、三級入口溫度相等，那么可以求得其功耗分別為/1.4-1- 273.15 K = 210.16 / - 1-273.15 = 293.15 Kx 1 + 90%w2 = w3 = 1910.19 kW第二、三級的排氣溫度為t2 = ts = ti = 210.16 那么該壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機的總功耗為w = 3 wt = 1910.19 kWx 3 = 5730.57 kW假設(shè)采用單級壓縮，那么其壓縮比夕為125,其功耗為1 k( k-l 吻=%口3。(夕k -1) TOC o 1-5 h z 10 kg/s 1.4z=go. x /工 x 0.287 k

16、j/(kg . K) x (273.15 + 20) K/1.4-1壓縮機排氣溫度為/k-1/-273.15x 1254- - 1 = 9727.3 kW/1.4-1/125F-1293.15 Kx 1 + -273.15 K90%/=988.37 3-17某壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹局部采用三級膨脹、級間再熱的方式。一級空氣透平進氣壓 力pi=6.4MPa、Zi=180,三級膨脹完畢后的壓力為環(huán)境壓力0.1 MPa。各級透平均為等場 膨脹，三級透平的等端膨脹效率分別為90%、88%和85%,膨脹比均為5,透平的質(zhì)量流量 為2.5kg/s,空氣的絕熱系數(shù)為1.4,氣體常數(shù)為0.287 kJ/(kgK

17、)。假設(shè)各級空氣透平的入口 溫度相同且不考慮換熱器的流動阻力損失，試求透平的輸出功率及各級透平排氣溫度。解：一級透平的排氣溫度為l-kl-kT2 = Tr 1 - 1 一行?7 = (180 + 273,15) Kx 1 90% x (1 sMd)=302.82 Kt2=T2 - 273.1529.67 C一級透平的輸出功率為l-kwi =租-6三/、1.4=2.5 kg/s x (180 + 273.15) K x - x 0.287 kJ/(kg K) x 90%1.4 11-1.4x 1 - 5Fx 1 - 5F=377.53 kW類似可求得，二級、三級透平的溫度分別為33.01 和38

18、.02 C；二級、三級透平的輸出功率為369.14 kW和356.55 kW,透平的總輸出功率為w = Wj = 377.53 kW + 369.14 kW + 356.55 kW = 1103.22 kW3-18某深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，采用兩級壓縮、兩級膨脹的布置方式，其儲能時間和釋能 時間均為6小時。除了輸出電力外，該系統(tǒng)還可同時實現(xiàn)供熱和制冷應(yīng)用。儲能階段，一、 二級壓縮機的功率分別為10.32MW和9.75MW,釋能階段，一、二級空氣透平的輸出功率 分別為5.42 MW和4.98 MW,其供熱和制冷功率分別為1.84 MW和870 kWo試求該系統(tǒng)的電-電效率和循環(huán)效率。解：該系統(tǒng)的電

19、-電效率為Kese =Kese =x 100% = 51.82%wtTdis (5.42 + 4.98)MW x 6hwcTch (10.32 + 9.75)MW x 6h循環(huán)效率為_ (% + q九 + %)%s(5.42 + 4.98 + 1.84 + 0.87)MW x 6h(10.32 + 9.75)MWx 6hx 100% = 65.32%3-19某非補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用四級壓縮、三級膨脹的技術(shù)方案，采用加壓水作為傳 熱和儲熱工質(zhì)，其方案如以下圖所示。圖中，各物流節(jié)點都進行了標(biāo)注，A代表空氣，W代表 水，各節(jié)點的壓力、溫度、流量、比煙如下表所示。該方案中，壓縮時間為8小時，膨脹時

20、 間為4小時。1-4級壓縮機的功率分別為的607 MW、3.907 MW、3.907 MW和3.914 MW, 1-3級透平的功率分別為5.564MW、5.591MW和5.552MW。試求：(1)該壓縮空氣儲能的 循環(huán)效率；(2)各壓縮機、透平和換熱器的嫻損失。習(xí)題3-19附圖某非補燃壓縮空氣儲能流程圖習(xí)題3.19附表某非補燃壓縮空氣儲能節(jié)點參數(shù)表節(jié)點P/MPat/m /(kg/s)ex /(kJ/kg)A10.1012027.780.0632A20.30149.6727.78113.54A30.304027.7893.20A40.90179.8627.78217.3A50.904027.78

21、186.94A62.70180.227.78311A72.704027.78280.1A88.10180.727.78404.5A98.104027.78372A104.302555.56318.8All4.3011055.56329.6A121.2256.62555.56213.4A131.22511055.56223.2A140.358.13955.56106.5A150.3511055.56116.3A160.1019.50655.560.434W10.1013039.010.179W20.630.0339.010.769W30.630.0310.830.769W40.312010.8355.11W50.630.0310.280.769W60.312010.2855.11W70.630.0310.070.769W80.312010.0755.11W90.630.037.830.769W100.31207.8355.11W11