摘 要 壓縮空氣儲(chǔ)能被認(rèn)為是具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù),儲(chǔ)氣裝置作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行具有重要影響。近些年來,隨著壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展,儲(chǔ)氣裝置的研究備受人們關(guān)注。儲(chǔ)氣裝置的特點(diǎn)主要取決于其材料屬性,因此本文根據(jù)材料不同對(duì)儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行分類,并著重論述了天然地下洞穴儲(chǔ)氣、人造洞室儲(chǔ)氣、金屬材料儲(chǔ)氣以及復(fù)合材料儲(chǔ)氣的應(yīng)用。對(duì)比分析表明,天然地下洞穴儲(chǔ)氣規(guī)模大、成本低,但是依賴于特殊地質(zhì)和地理?xiàng)l件,因此應(yīng)積極探索具有靈活布置特性的新型儲(chǔ)氣方案。進(jìn)一步地,本文闡述了不同類型儲(chǔ)氣裝置當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn),分別探討了儲(chǔ)氣裝置精準(zhǔn)熱力學(xué)模型建立、地下洞穴儲(chǔ)氣穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及復(fù)合材料儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)特性研究中亟需解決的重點(diǎn)和難點(diǎn),并對(duì)未來儲(chǔ)氣裝置的發(fā)展趨勢(shì)以及研究熱點(diǎn)進(jìn)行了展望和總結(jié)。旨在為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置的選型和理論研究提供指導(dǎo),為改善壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)氣裝置性能提供借鑒。關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲(chǔ)能;儲(chǔ)氣裝置;熱力學(xué)模型;結(jié)構(gòu)特性;穩(wěn)定性
大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是解決棄風(fēng)、棄光問題,顯著提高可再生能源消納水平,推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源更替,實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的關(guān)鍵技術(shù)。其中,壓縮空氣儲(chǔ)能被視為具發(fā)展?jié)摿Φ奈锢韮?chǔ)能技術(shù),具有規(guī)模大、成本低、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn),而且涉及冷、熱、電多種能量形式的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化,便于耦合各種熱力系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)工作方式靈活性的改善以及系統(tǒng)效率的提高。
傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能通過多余電能將空氣進(jìn)行壓縮存儲(chǔ),需要用電時(shí)利用高壓儲(chǔ)氣推動(dòng)膨脹機(jī)做功,同時(shí)利用燃料對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)前的高壓儲(chǔ)氣進(jìn)行加溫以提高功率密度,其原理如圖1所示。世界上已有兩座大型傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能電站投入商業(yè)運(yùn)行,包括德國(guó)Huntorf電站和美國(guó)McIntosh電站,均采用天然地下鹽穴作為儲(chǔ)氣裝置,儲(chǔ)氣規(guī)模大、建造成本低,但是依賴于特殊地質(zhì)地理?xiàng)l件。因此,近些年眾多學(xué)者提出人造洞穴儲(chǔ)氣、金屬材料高壓容器儲(chǔ)氣、柔性復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氣和恒壓儲(chǔ)氣等技術(shù)措施,擺脫地理?xiàng)l件對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的限制,促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用。如中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所以金屬材料高壓容器作為儲(chǔ)氣裝置,分別于2013年和2016年建成國(guó)際首套1.5 MW和10 MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。加拿大Hydrostor公司以復(fù)合材料柔性氣囊作為儲(chǔ)氣裝置,于2015年在多倫多建成了600 kW的水下壓縮空氣儲(chǔ)能示范工程等。
圖1 傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能原理圖本文對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行了分類與總結(jié),論述了天然地下洞穴、人造洞室、金屬材料儲(chǔ)氣裝置以及復(fù)合材料儲(chǔ)氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)。進(jìn)一步地,總結(jié)儲(chǔ)氣裝置發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn),并對(duì)儲(chǔ)氣裝置未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。根據(jù)壓力是否變化,壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣裝置可分為定壓和變壓儲(chǔ)氣裝置;根據(jù)能否移動(dòng),可分為固定式和移動(dòng)式儲(chǔ)氣裝置;根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,可分為地下、地面和水下儲(chǔ)氣裝置。不同類型儲(chǔ)氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)主要取決于其材料屬性,其應(yīng)用及特點(diǎn)如表1所示。表1 儲(chǔ)氣裝置的應(yīng)用及特點(diǎn)
天然地下洞穴規(guī)模大、建造成本低,在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用,主要包括天然鹽穴、地下含水層以及硬巖層洞穴等。鹽穴具有較低的滲透率和良好的蠕變行為,密封性較好,力學(xué)性能穩(wěn)定,能夠適應(yīng)運(yùn)行過程中存儲(chǔ)壓力的交替變換,如圖2所示為鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能的工作原理。德國(guó)Huntorf電站和美國(guó)McIntosh電站均采用深埋地下的天然鹽穴作為儲(chǔ)氣裝置,儲(chǔ)氣規(guī)模分別為310000 m3和560000 m3,儲(chǔ)氣壓力可達(dá)10 MPa和7.5 MPa。一般而言,只要向地下鹽層鉆孔,注水使鹽溶化即可形成用以儲(chǔ)氣的洞室,因此鹽巖洞儲(chǔ)氣成本較低,然而,建設(shè)鹽穴需要在有鹽礦資源分布的地區(qū),地域上存在限制性。
圖2 鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示意圖利用含水層進(jìn)行儲(chǔ)氣,如圖3所示,壓縮空氣被儲(chǔ)存在滲透性強(qiáng)的多孔地層中,將地下水排出形成巨大氣泡,由于空氣-地下水界面的運(yùn)動(dòng),儲(chǔ)氣壓力相對(duì)恒定,有利于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的運(yùn)行。利用地下含水層進(jìn)行儲(chǔ)氣更加經(jīng)濟(jì),在地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性較好的條件下,成本約2~7 USD/kW·h。但是,地下含水層儲(chǔ)氣同樣存在著選址困難的缺陷,而且墊氣層消耗大。目前,以地下含水層作為儲(chǔ)氣裝置尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,僅存在一些研究型項(xiàng)目,包括意大利Sesta的25 MW多孔巖層壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和采用多孔砂巖結(jié)構(gòu)斜背層進(jìn)行儲(chǔ)氣的美國(guó)IMAU項(xiàng)目等。
圖3 含水層壓縮空氣儲(chǔ)能示意圖硬巖層結(jié)構(gòu)的洞穴較為常見,巖石堅(jiān)硬具有更高的抗壓強(qiáng)度,但施工難度加大,費(fèi)用較高。美國(guó)Ohio州的Norton壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目,采用位于地下670 m深處的廢棄石灰?guī)r礦井儲(chǔ)存壓縮空氣,容量為9570000 m3,存儲(chǔ)壓力可達(dá)11 MPa。總之,天然地下洞穴規(guī)模大、成本低,優(yōu)勢(shì)明顯,但是受限于特殊地質(zhì)地理?xiàng)l件,難以實(shí)現(xiàn)靈活布置和大范圍推廣,并且深埋地下,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,漏氣不易監(jiān)測(cè),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到有效保障,存在一定安全隱患。人造洞室減弱了對(duì)于特殊地質(zhì)地理?xiàng)l件的依賴,主要包括淺埋地下的人工內(nèi)襯洞穴儲(chǔ)氣裝置以及用于水下的混凝土人造儲(chǔ)氣室。人工內(nèi)襯洞穴以混凝土作為襯砌,配合密封層和圍巖組成,如圖4所示。其中,高壓儲(chǔ)氣所產(chǎn)生的荷載主要由圍巖承受,混凝土襯砌配合密封層確保密封良好,相比天然洞穴密封性更好,可使儲(chǔ)氣壓力更高。日本針對(duì)位于地下450 m,直徑6 m,容積約1600 m3的廢棄煤礦隧道,采用鋼筋混凝土作為襯砌,橡膠作為密封層,氣密性測(cè)試發(fā)現(xiàn)在0.9 MPa的儲(chǔ)氣壓力下每天的泄漏率不得超0.5%。瑞典在巖石層下115 m,以鋼筋混凝土作為襯砌,建設(shè)了人工巖洞,容積約40000 m3,儲(chǔ)氣壓力可達(dá)20 MPa。韓國(guó)針對(duì)內(nèi)襯巖石洞室的可行性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,其壓縮空氣儲(chǔ)能電站試點(diǎn)項(xiàng)目于2011年開始,位于地下100 m的石灰?guī)r內(nèi)建設(shè)了直徑5 m,長(zhǎng)度約200 m的隧道狀洞室,以混凝土作為襯砌,并采用300 mm的鋼板加強(qiáng)密封。我國(guó)為驗(yàn)證淺埋地下儲(chǔ)氣庫(kù)的可行性,在湖南長(zhǎng)沙一花崗巖層內(nèi)建造了淺埋硬巖試驗(yàn)庫(kù),埋深約110 m,凈空體積約28.8 m3,以設(shè)計(jì)壓力10 MPa進(jìn)行了多次完整的壓縮空氣充放循環(huán)試驗(yàn),結(jié)果證明長(zhǎng)時(shí)高壓儲(chǔ)氣條件下其密封性良好。
圖 4 淺埋地下的人工內(nèi)襯洞室壓縮空氣儲(chǔ)能示意圖可用于水下環(huán)境的混凝土人造儲(chǔ)氣室,也被嘗試作為水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)氣裝置。該儲(chǔ)氣裝置為開式結(jié)構(gòu),允許海水自由出入。壓縮空氣儲(chǔ)能時(shí),利用高壓空氣將儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的海水排出。放氣釋能時(shí),海水在靜水壓力作用下進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置維持氣源壓力恒定。加州大學(xué)圣地亞哥分校的Seymour等提出利用寬30 m,高8 m,長(zhǎng)300 m的混凝土箱作為儲(chǔ)氣裝置;北卡羅來納大學(xué)的Lim等提出利用高8 m,底面邊長(zhǎng)40 m,內(nèi)部容積903 m3的混凝土室作為儲(chǔ)氣裝置。然而,水下混凝土人造儲(chǔ)氣室導(dǎo)致壓縮空氣中含水量較多,容易造成做功設(shè)備腐蝕損壞,目前尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。金屬材料壓力容器根據(jù)存儲(chǔ)壓力可分為低壓儲(chǔ)氣裝置(0.1 MPa≤P<1.6 MPa)、中壓儲(chǔ)氣裝置(1.6 MPa≤P<10 MPa)、高壓儲(chǔ)氣裝置(10 MPa≤P<100 MPa)以及超高壓儲(chǔ)氣裝置(P≥100 MPa),其密封性好,運(yùn)行穩(wěn)定性高,設(shè)計(jì)制造技術(shù)成熟,而且安裝布置靈活。金屬材料儲(chǔ)氣裝置比較常見的有圓筒形儲(chǔ)罐和球形儲(chǔ)罐。圓筒形儲(chǔ)罐一般由筒體、封頭以及法蘭、接管、密封元件和支座等零部件組成,主要分為立式和臥式。面積相同的情況下,球形儲(chǔ)罐容積一般大于圓筒形儲(chǔ)罐,而且相同的內(nèi)壓下,球形儲(chǔ)罐的受力更加合理。但是,球形儲(chǔ)罐的制作材料以及工藝要求更高。相比儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣,直徑較小的壓力管道儲(chǔ)氣便于集成管網(wǎng)形成規(guī)模,安裝布置更加靈活,目前在我國(guó)貴州10 MW壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中得到應(yīng)用,如圖5所示。相比之下,管道儲(chǔ)氣方案在天然氣領(lǐng)域使用更為廣泛,其設(shè)計(jì)壓力通常在10 MPa以上,并不斷向高壓力、大口徑、高 級(jí)鋼的方向發(fā)展。
圖5 金屬管道儲(chǔ)氣裝置增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管道采用高強(qiáng)度的芳綸、玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼絲等制成增強(qiáng)帶,內(nèi)層和外層是耐腐蝕耐磨損的聚烯烴,承壓范圍7~25 MPa。而且,相比金屬材料,可減重約30%,耐腐蝕,抗疲勞,失效模式安全,生產(chǎn)同等體積的能耗僅是金屬材料的1/3~1/4,更加符合當(dāng)今“節(jié)能減排”“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)德國(guó)WEICON公司研究發(fā)現(xiàn),增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料管道相比金屬材料管道可節(jié)省材料和加工費(fèi)用超過25%,并且承受高壓的同時(shí)保持一定柔韌性,能夠做成盤管進(jìn)一步降低運(yùn)輸和安裝成本。由此可知,利用復(fù)合材料管道替代金屬材料壓力管道進(jìn)行儲(chǔ)氣具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/span>另一方面,水下恒壓儲(chǔ)氣方案中,儲(chǔ)氣裝置內(nèi)外壓差較小,顯著降低了對(duì)于壓力容器承壓能力的要求??扇我庹郫B變形的柔性復(fù)合材料氣囊被成功應(yīng)用在水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中,如圖6所示,諾丁漢大學(xué)Garvey團(tuán)隊(duì)委托加拿大Thin Red Line Aerospace公司制造了直徑1.8 m和直徑5 m的南瓜形柔性儲(chǔ)氣囊,分別進(jìn)行了室內(nèi)水箱實(shí)驗(yàn)和25 m深的真實(shí)水下實(shí)驗(yàn)。加拿大Hydrostor公司利用水滴形氣囊作為儲(chǔ)氣裝置,在水下80 m進(jìn)行了壓縮空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)。柔性復(fù)合材料氣囊通常以涂層織物為原料,具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛的涂層織物有聚氯乙烯(PVC)襯里涂層織物和聚氨酯(TPU)襯里涂層織物等。
圖6 復(fù)合材料氣囊:(a) 南瓜形;(b) 水滴形儲(chǔ)氣裝置充放氣過程中,氣體與外界進(jìn)行質(zhì)量交換,勢(shì)能變化的同時(shí)伴隨著熱量交換,其熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)具有重要影響。目前,儲(chǔ)氣裝置熱力特性的研究通?;诤?jiǎn)化的絕熱模型和等溫模型。但事實(shí)上,不同類型儲(chǔ)氣裝置的傳熱過程差異明顯,與應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)。對(duì)于地下洞穴儲(chǔ)氣,一方面,儲(chǔ)能時(shí)氣體壓力和溫度升高,儲(chǔ)氣裝置壁面溫度隨之升高,而釋能時(shí)氣體壓力和溫度下降,前期存儲(chǔ)于圍巖內(nèi)的熱量又傳遞至儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體,其壁面溫度隨之下降;另一方面,地下儲(chǔ)氣裝置圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常難以實(shí)現(xiàn)密封。因此,急需結(jié)合實(shí)際對(duì)流傳熱過程以及泄漏的影響,針對(duì)現(xiàn)有熱力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。對(duì)于地面高壓容器儲(chǔ)氣,其內(nèi)部為復(fù)雜多變的強(qiáng)制對(duì)流換熱,外側(cè)為自然對(duì)流換熱,一般給定環(huán)境空氣溫度和自然對(duì)流換熱系數(shù)作為熱邊界條件。然而,地面儲(chǔ)氣裝置傳熱機(jī)制與充放氣流量,儲(chǔ)氣壓力以及儲(chǔ)氣裝置的規(guī)模,形狀和布置方式等因素密切相關(guān),因此針對(duì)結(jié)構(gòu)多變的地面儲(chǔ)氣裝置,需要考慮真實(shí)環(huán)境,建立基于無量綱參數(shù)的通用關(guān)聯(lián)式,開展不同規(guī)模地面儲(chǔ)氣裝置內(nèi)熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測(cè)。對(duì)于水下柔性儲(chǔ)氣囊,儲(chǔ)能和釋能運(yùn)行過程中氣囊會(huì)發(fā)生較大形變,對(duì)氣囊內(nèi)部和外部流場(chǎng)具有顯著影響。與此同時(shí),氣囊內(nèi)部和外部的流場(chǎng)特性也決定著其變形規(guī)律。因此,不同于常規(guī)儲(chǔ)氣裝置,柔性氣囊內(nèi)的熱力特性研究需基于雙向流固耦合模型,但目前相關(guān)研究匱乏。地下洞穴內(nèi)高壓儲(chǔ)氣所產(chǎn)生的載荷主要由四周圍巖承受,然而巖石層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在漏氣和塌陷等安全隱患。因此,地下洞穴儲(chǔ)氣研究重點(diǎn)在于其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。對(duì)于鹽穴以及硬巖層洞穴,圍巖塑性區(qū)能夠較好地反映四周圍巖受力的危險(xiǎn)區(qū)域,被視為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)。此外,地下幾十度的溫度變化至少能夠引起圍巖幾倍蠕變速率的變化,因此其穩(wěn)定性分析也有賴于地下洞穴儲(chǔ)氣熱力耦合模型的建立。在此基礎(chǔ)之上,還應(yīng)考慮儲(chǔ)氣泄漏的影響,構(gòu)建真實(shí)運(yùn)行工況,洞穴儲(chǔ)氣內(nèi)部熱力響應(yīng)和圍巖相互作用下的流熱固耦合模型。對(duì)于以混凝土作為襯砌的人造洞穴,循環(huán)變化的壓力和溫度載荷容易使具有硬脆性的襯砌層出現(xiàn)裂紋,從而導(dǎo)致密封失效。對(duì)于地下含水層儲(chǔ)氣,由于空氣-地下水界面的運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)氣壓力相對(duì)恒定,有利于系統(tǒng)效率的提升,但尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。含水層滲透率和地質(zhì)構(gòu)造等固有條件對(duì)于含水層儲(chǔ)氣效率以及穩(wěn)定性均具有重要影響,然而相關(guān)研究匱乏。3.3 復(fù)合材料儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)特性
復(fù)合材料在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用包括熱塑性復(fù)合材料高壓管道和水下柔性氣囊。對(duì)于熱塑性復(fù)合材料高壓管道,其失效原因主要是壓力過高所致,因此強(qiáng)度分析至關(guān)重要。復(fù)合材料具有明顯的各向異性,某一纖維增強(qiáng)層失效時(shí)載荷會(huì)重新分配,應(yīng)力變化極其復(fù)雜。因此,研究難點(diǎn)在于力學(xué)特性研究以及數(shù)學(xué)模型的建立。對(duì)于水下柔性氣囊,充放氣過程中形成的折痕是其失效的主要原因,因此變形規(guī)律研究尤為重要。英國(guó)諾丁漢大學(xué)Garvey團(tuán)隊(duì)受啟發(fā)于超壓氣球的設(shè)計(jì)理念,將氣囊設(shè)計(jì)成南瓜形,并建立了該氣囊的二維有限元模型,研究了氣囊充滿狀態(tài)以及部分充氣狀態(tài)下的形變規(guī)律,但未考慮充放氣過程中氣囊形狀的動(dòng)態(tài)變化。程涵以流場(chǎng)力作為外載,利用薄殼單元建立了織物氣囊的三維模型,基于流固耦合方法獲得流場(chǎng)力作用下氣囊的折痕與褶皺位置。然而,該研究是基于準(zhǔn)靜態(tài)過程,將氣囊變形過程進(jìn)行了分段處理,并忽略了氣囊的實(shí)際材料特性??傊?,耦合柔性儲(chǔ)氣囊內(nèi)部流動(dòng)特性的變形規(guī)律研究匱乏,亟待加強(qiáng)。(1)天然地下洞穴儲(chǔ)氣規(guī)模大、成本低,然而依賴于特殊地質(zhì)和地理?xiàng)l件,因此應(yīng)積極研究開發(fā)人造洞室、金屬材料及復(fù)合材料儲(chǔ)氣等新型儲(chǔ)氣形式,擺脫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)地理?xiàng)l件的依賴,促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用。(2)對(duì)于新型儲(chǔ)氣形式,亟待進(jìn)一步開展精準(zhǔn)熱力學(xué)模型、地下洞穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和復(fù)合材料儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)特性等方面的研究工作,為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置的選型與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)依據(jù)。(3)熱塑性復(fù)合材料管道能夠承受高壓,具有耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢(shì),且生產(chǎn)能耗低,可做成盤管降低運(yùn)輸和安裝費(fèi)用,有望取代金屬材料用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外,可任意折疊變形的柔性復(fù)合材料氣囊具有密封性良好和耐腐蝕優(yōu)點(diǎn),可用于水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng),具有良好的發(fā)展前景。