基于动态仿真的绝热压缩空气储能系统设计与参数分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0761

摘要/Abstract

摘要：

当前压缩空气储能已进入商业化发展初期，以绝热式压缩空气储能系统（A-CAES）为主要技术路线，而在工程实践中仍未形成一套系统性、通用性的A-CAES设计体系。本文通过模块化方法编写热平衡设计与动态性能计算耦合的A-CAES设计程序，以某300MW A-CAES项目作为研究对象，对蓄热温度与储气室压力波动范围关键设计参数展开分析。结果表明：A-CAES蓄热温度随膨胀机级数增加而减小，当级数越大时蓄热温度下降幅度减小。2级膨胀机对应高温方案，3级及以上膨胀机级数对应中温方案，不同膨胀机级数对应蓄热温度范围并不相交；当储气室压力波动范围增大时，系统效率下降，储能密度增加。当储气室压力波动范围作为设计优化参数时，需要综合考虑储能密度与系统效率影响。

关键词: 绝热式压缩空气储能系统, 热力系统, 工程应用

Abstract:

At present, compressed air energy storage has entered the initial stage of commercial development, with adiabatic compressed air energy storage systems (A-CAES) as the main technical route. However, in engineering practice, a systematic and universal A-CAES design system has not yet been formed. This paper uses a modular approach to develop a design program that couples thermal balance design and dynamic performance calculation for A-CAES. Taking a 300MW A-CAES project as the research object, the key design parameters of heat storage temperature and pressure fluctuation range of the gas storage chamber are analyzed. The results show that the heat storage temperature of A-CAES decreases with the increase of the number of expansion stages, and the decrease in heat storage temperature becomes smaller when the number of stages is larger. The two-stage expansion machine corresponds to the high-temperature scheme, and the three-stage and above expansion machines correspond to the medium-temperature scheme. The heat storage temperature ranges corresponding to different expansion stages do not overlap. When the pressure fluctuation range of the gas storage chamber increases, the system efficiency decreases and the energy storage density increases. When the pressure fluctuation range of the gas storage chamber is used as a design optimization parameter, the influence of energy storage density and system efficiency should be comprehensively considered.

Key words: Adiabatic compressed air energy storage system, thermodynamic system, engineering application

中图分类号:

TK 02

王凯轩, 牛东圣, 程柯楠, 刘玮, 郭丁彰. 基于动态仿真的绝热压缩空气储能系统设计与参数分析[J]. 储能科学与技术, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0761.

Kaixuan WANG, Dongsheng NIU, Keinan CHEN, Wei LIU, Dingzhang GUO. Design and Parameter Analysis of Adiabatic Compressed Air Energy Storage System Based on Dynamic Simulation[J]. Energy Storage Science and Technology, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0761.

图/表 10

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参考文献 26

[1]	国家能源局. (2025). 国家能源局发布2025年1-7月份全国电力工业统计数据. https://www.nea.gov.cn/20250823/7e111f0a60ac44438346bd8332db345e/c.html.
[2]	王青山, 李妍, 张群, 等. 不同规模化机械储能技术在高比例可再生能源电力系统中应用的比较分析[J/OL]. 储能科学与技术, 2025, 14(2): 854-867. DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0867.
[3]	陈海生, 刘金超, 郭欢, 等. 压缩空气储能技术原理[J]. 储能科学与技术, 2013, 2(2): 146-151.
[4]	ZARNOUSH M, GOLAKI P P, SOLTANI M, et.al. Comparative evaluation of advanced adiabatic compressed gas energy storage systems[J/OL]. Journal of Energy Storage, 2023, 73: 108831. DOI:10.1016/j.est.2023.108831.
[5]	梅生伟, 李瑞, 陈来军, 等. 先进绝热压缩空气储能技术研究进展及展望[J/OL]. 中国电机工程学报, 2018, 38(10): 2893-2907, 3140. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.172138.
[6]	杨云霞, 牛海峰, 李永迎, 等. 平准化度电成本是不同发电技术经济性评价的通用参数[J/OL]. 能源研究与利用, 2021(5): 42-47. DOI:10.16404/j.cnki.issn1001-5523.2021.05.009.
[7]	KABEYI M J B, OLANREWAJU O A. The levelized cost of energy and modifications for use in electricity generation planning[J/OL]. Energy Reports, 2023, 9: 495-534. DOI:10.1016/j.egyr.2023.06.036.
[8]	文军, 刘楠, 裴杰, 等. 储能技术全生命周期度电成本分析[J/OL]. 热力发电, 2021, 50(8): 24-29. DOI:10.19666/j.rlfd.202105094.
[9]	陈海生, 李泓, 马文涛, 等. 2021年中国储能技术研究进展[J/OL]. 储能科学与技术, 2022, 11(3): 1052-1076. DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0105.
[10]	陈海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2022年中国储能技术研究进展[J/OL]. 储能科学与技术, 2023, 12(5): 1516-1552. DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0330.
[11]	陈海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2023年中国储能技术研究进展[J/OL]. 储能科学与技术, 2024, 13(5): 1359-1397. DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0441.
[12]	李梦杰, 刘占斌, 何雅玲, 等. 考虑海上风能波动的水下压缩空气储能系统能量转化特性[J]. 西安交通大学学报, 2025, 59(2): 1-12.
[13]	OLABI A G, WILBERFORCE T, RAMADAN M, et.al. Compressed air energy storage systems: Components and operating parameters – A review[J/OL]. Journal of Energy Storage, 2021, 34: 102000. DOI:10.1016/j.est.2020.102000.
[14]	郭欢, 徐玉杰, 张新敬, 等. 蓄热式压缩空气储能系统变工况特性[J/OL]. 中国电机工程学报, 2019, 39(5): 1366-1377. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.180596.
[15]	ZHANG Y, YANG K, LI X, et.al. The thermodynamic effect of air storage chamber model on Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage System[J/OL]. Renewable Energy, 2013, 57: 469-478. DOI:10.1016/j.renene.2013.01.035.
[16]	GUO C, XU Y, ZHANG X, et.al. Performance analysis of compressed air energy storage systems considering dynamic characteristics of compressed air storage[J/OL]. Energy, 2017, 135: 876-888. DOI:10.1016/j.energy.2017.06.145.
[17]	郭丁彰, 尹钊, 周学志, 等. 压缩空气储能系统储气装置研究现状与发展趋势[J/OL]. 储能科学与技术, 2021, 10(5): 1486-1493. DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0356.
[18]	RAJU M, KUMAR KHAITAN S. Modeling and simulation of compressed air storage in caverns: A case study of the Huntorf plant[J/OL]. Applied Energy, 2012, 89(1): 474-481. DOI:10.1016/j.apenergy.2011.08.019.
[19]	韩中合, 庞永超. 储气室热力学特性对AA-CAES性能的影响[J/OL]. 化工进展, 2017, 36(1): 47-52. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.006.
[20]	庞永超, 韩中合. 压气储能系统中储气装置的性能分析与改进[J/OL]. 化工进展, 2016, 35(S2): 75-79. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2016.s2.012.
[21]	GUO D, ZHOU X, ZHANG X, et.al. Operation characteristics study of fiber reinforced composite air storage vessel for compressed air energy storage system[J/OL]. Journal of Energy Storage, 2024, 86: 111148. DOI:10.1016/j.est.2024.111148.
[22]	GUO D, ZHOU X, XU Y, et.al. Structure optimization and operation characteristics of metal gas storage device based on compressed air energy storage system[J/OL]. Journal of Energy Storage, 2023, 72: 108260. DOI:10.1016/j.est.2023.108260.
[23]	黄恩和, 宋传教, 金庆辉, 等. 基于储热介质和排气温度的绝热式压缩空气储能系统优化设计[J/OL]. 热力发电, 2021, 50(8): 39-46. DOI:10.19666/j.rlfd.202101019.
[24]	施承斌, 廖景明, 汪枫, 等. 300 MW中温绝热压缩空气储能设计研究[J/OL]. 电力勘测设计, 2024(8): 54-62. DOI:10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2024.08.009.
[25]	陈珍, 杨壮, 林少波, 等. 基于200 MW等级压缩空气储能系统中温与高温储热路线技术经济对比[J/OL]. 热力发电, 2024, 53(10): 58-65. DOI:10.19666/j.rlfd.202407164.
[26]	马凌, 周祖旭, 王宁, 等. 压缩空气储能热力系统的设计与方案对比分析[J/OL]. 热力透平, 2024, 53(3): 175-179, 208. DOI:10.13707/j.cnki.31-1922/th.2024.03.006.

设计目标参数	主机性能参数	优化决策参数
释能输出功率W_r	压缩机等熵效率η_c	储气装置压力下限P₀
释能时长t_r	膨胀机等熵效率η_e	储气装置运行压力范围ΔP
储能时长t_s	换热器端差ΔT_he	膨胀机级数n_e

参数类型	设计输入参数	单位	数值
设计目标参数	释能装机规模	MW	300
	储气室压力上限	MPa	16
	膨胀机级数	-	3
	环境温度	℃	20
	环境压力	MPa	0.1
	储能时长	h	8
	释能时长	h	5
部件性能参数	压缩机等熵效率	%	84
	膨胀机等熵效率	%	88
	换热器压降	MPa	0.02
	换热器端差	℃	10
设计优化参数	储气装置运行压力波动范围	MPa	2~5
设计优化参数	蓄热温度	℃	110~310

名称	数值
压缩机功率（MW）	261.3
压缩机流量（kg/s）	431.7
膨胀机流量（kg/s）	690.8
储热温度（℃）	194.9
储气装置容积（万m³）	29.1
第1级压缩机压比	4.44
第2级压缩机压比	3.61
第3级压缩机压比	3.61
第4级压缩机压比	2.02~2.94
第1~3级膨胀机膨胀比	4.71