【摘要】。当今世界风电的发展突飞猛进，我国装机容量已经跃居世界第一。由于风能很不稳定，急需配套蓄能措施。现在能够用于大容量蓄能发电的方法主要是抽水和压气。抽水蓄能电站要求具备上、下游2个水库，造价较高，而且受到电站选址的限制。当前最有效的方案，只能是压缩空气蓄能发电系统。它的优点 胜过抽水蓄能。许多国家已经或正在开发应用中。压气蓄能的开发应用关键是建筑气洞，可以利用现有的或废弃的矿井、地道等。
       【关键词】 燃气； 蒸汽； 压气； 蓄能/发电
       当今世界电力工业发展很快，电网负荷的不均衡问题日趋突出。季节变化、甚至白天黑夜的用电量，差别也是很大。电能的贮存和合理利用，备受关注。新能源的开发利用，如风能、太阳能等，也必须配备蓄能系统。当今世界规模最大的蓄能方式，是超导电磁蓄能发电系统：美国为400MW，日本为600MW，俄罗斯为30MW（已经完成1000MWh的设计）。然而它们至今为止尚未达到工业应用阶段。现在能够用于大容量蓄能发电的方法主要是抽水和压气，其中抽水蓄能的应用量大面广，它现在的最大单机容量为457MW。抽水蓄能电站要求具备上、下游2个水库，造价较高，而且受到电站选址的限制。尤其是对于风力发电的风电场地带，和太阳能发电的广阔沙漠地带，就更加难找水库。此外，2个水库的长期、几乎是永久性地占有大量水源，也会严重影响下游农田水利灌溉和居民生产生活等用水。虽然可以利用海水来代替下游水库，降低造价，但是这种利用海水的抽水蓄能发电系统也尚未普及，而且它的电站选址问题，更加困难，还要解决设备的耐受海水腐蚀的课题。由此可见，最有前途的大容量蓄能方式，只能是压缩空气蓄能发电系统。
       1   压气蓄能发电系统
       1.1    压气蓄能发电原理
       天然燃气或液化石油气在燃烧室内燃烧并驱动燃气轮机旋转、进一步同轴驱动发电机发电和空气压缩机运行。燃气发电机组除了燃烧器、燃气轮机和发电机外，还需要空气压缩机向燃烧室内注入压缩空气，以便强化燃气的燃烧，和燃气轮机的旋转。实际上，燃气轮机的输出功率只有少部分(约占30 % ~  40 % )用于发电机，而大多数(约占60 % ～ 70 % )是用于驱动空压机的。如果能将低谷负荷期间(比如夜间)剩余的电力用来驱动空压机，并将压缩空气贮存起来，等到高峰负荷期间(比如白天)用来发电，则可使燃料节省到原来的1／3，或是可使发电机输出功率增大一倍以上。这就是压缩空气蓄能发电系统的基本原理。
       1.2    燃气压气蓄能发电
       利用电力负荷不满的谷荷期间(比如夜间)，将该发电机用作为电动机来驱动空压机，将压缩空气压入贮气空洞(比如地下空洞)，等到用电高峰的峰荷期间(比如白天)再将压缩空气放出来注入燃烧室驱动燃气轮发电机发电，就可使燃料节省到原来1／3，或使发电机的输出功率增大到原来的2倍以上。世界上典型的大容量压缩空气蓄能发电系统见表1。

       压缩空气蓄能发电系统运行方式的切换，由2个联轴器A和B执行，白天A断开、B联轴；夜间A联轴，B断开。此时的电机既作为发电机用，又作为电动机用，按照国际电工委员会 (IEC) 标准的规定，此时应称为发电电动机(抽水蓄能电站的电机也这样称谓)。
       1.3    燃气蒸汽压气蓄能发电
       1.3.1    低压单轴系统
       采用燃气轮发电设备时，燃气轮机排出的废气温度高达600 ℃ 以上，将该余热回收、再次利用加热蒸汽发生器，并进而驱动蒸汽轮机发电，达到高效、节能、减排、环保的目的。此时发电机同时由同轴的燃气轮机和蒸汽轮机驱动，按照国际电工委员会 (IEC) 标准，应称为透平发电机。如果将这种燃气-蒸汽联合循环电站用作压缩空气蓄能发电，可谓“如虎添翼”，可与抽水蓄能电站竞争，有些技术经济指标甚至超过后者。当今世界最大的这种燃气蒸汽联合循环压气蓄能发电系统的主要参数见表2.

       1.3.2    高压双轴系统
       超高压双轴系统属于双机式燃气蒸汽联合循环压气蓄能发电系统，它是最近几年跨国公司GE开发的一种新型系统。除了低压轴系部分以外，它的高压轴系部分包括高压燃烧器、高压燃气轮机等。除了电动机驱动外，它还采用辅助的蒸汽轮机同时驱动高压空压机。其高压部分，包括高压空压机、高压燃烧器、高压燃气轮机和发电电动机单独构成另一个轴系，机器之间还通过齿轮啮合，而不限于采用联轴器。因为高压燃气轮机转速太高，必须变速传动。因此它多了一台电机、一台压缩机，但压力、温度、功率都提高了。与前述低压系统相比，功率增加将近一倍(829MW)。
       2   经济效益
       试验研究结果证明：已经取得较高效率的燃气-蒸汽联合循环电站，如果采用压缩空气贮存方式实现蓄能发电，则可使输出功率增大到原来的2倍以上(见表2)。
对于输出功率分别为245MW和400MW的联合循环电站来说，如果采用贮气空洞压力分别为33 ata(普通采用的压缩空气压力)和60 ata(高压)时，实现压气蓄能发电的输出功率可增大到原来的1．8倍(442 MW )和2．1倍( 829 MW)。这种压气蓄能的电力存贮效率分别达到70．1 ％ 和61．3 ％ ，已经达到了抽水蓄能电站的水平。至于发电成本，在相同的发电站建设单价条件下，与抽水蓄能发电站相比，这种联合循环-压气蓄能发电系统的发电成本可以减少一半。如果燃气(液化天然气)和燃油火电的燃料费用降低，则联合循环-压气蓄能电站的 优越性还要更突出，可能远远超过抽水蓄能电站。
       3    贮气空洞
       压缩空气的存贮空洞结构简单，但是非常关键。这种贮气空洞可以选址在地下，也可以在海底，也可以利用现有的或废弃的矿井、地道等。然而必须保证空洞的高压密封。可以采用橡皮敷层，或是设在地下“滞水”层(水封方式)，可以省去橡皮里衬、降低造价。空洞中的气压可以是定压式，也可为变压式。
       3.1   定压式
       贮气空洞选址在水塘或水池附近，并将两者用水道相连。发电时，空洞中压缩空气输出，洞内压力降低时，地表水池的水便压入空洞而保持洞中压力稳定。反之亦然，贮存加压时，洞中水又被压回水池。
       3.2   岩盐层
       只要向地下岩盐层钻孔、注水使盐溶化即可形成空洞，具有较好的气密性，而且造价便宜，但必须选址在这种地质条件。
       3.3    岩盘式空洞
       如果受到地质结构限制，只能在岩盘中开挖空洞，就比较麻烦，必须在地下岩盘结构中进行钻孔、切削、开凿空洞，而且必须敷设气密里衬，比如橡胶皮层，甚至还需采用尼隆纤维补强的厚3mm的混凝土板拼接而成的里衬，其造价较高，这样可使压力均匀传递到岩盘洞壁。
       3.4    水封式
       即使是岩石层，只要深挖，可以利用地下水压进行水封。如果空洞压气压力为30 ata，大约地下300 m深的空洞即可达到水封的目的。如果要求压力为40～60大气压，在地下深400 m的花岗岩或600 m的堆积岩层内建造气洞，可以实现水封式密封。
       3.5    海底式
       海底越深，压力越大。根据压力要求，在相应的海水压力下设置气缸，即可贮存压缩空气。气缸壳体可以采用不锈钢板等制成。
       4     压气蓄能开发应用
       4.1   德国-----于1978年开发投运的芬道夫压缩空气蓄能电站是世界上最早的这种电站，容量为290MW，商业运营至今。它利用废弃的矿井来贮存压缩空气，地质条件属于岩盐结构，造价较低。其缺点是将燃烧废气排入大气，造成环境污染，而且没有再次回收、利用余热。
       4.2   美国-----于1991年由亚拉巴玛州电力公司在麦金托什地区兴建的容量为110 MW 压缩空气蓄能电站投入商业运营，至今运行良好，这是世界上第二个正式投运的这种电站。地下空洞容积为6×105 （m）。建筑费用约为7400万 美元。压缩空气可供机组运行26h。它不将废气排入大气，而是用于预热空气，节能效果较好。贮气空洞地质条件也是岩盐层
       近年来，美国GE公司也在开发更高压力(60 ata)的大容量(829 MW )联合循环压气蓄能发电站，其他条件类似于瑞士ABB公司的，但是整个系统增加了一台电机、一台空压机，从而构成了另一个高压轴系部分，参见表2。
       4.3   日本----于1990年由新能源财团委托开发研究，并于1998年1月开工建造的北海道空知郡上砂川町的三井砂川矿坑贮气空洞和2MW输出功率的压气蓄能电站，已于2001年投运。
       它的存储空气的空洞直径6 m ，长57 m ，容积为1600 m3 ，设在地下深400 m处的岩盘结构，空洞内壁采用橡胶里衬密封。该电站作为更大容量机组(400 MW )的中间机组进行真机验证，机组发电时间4 h ，压缩空气充气时间10 h ，空气压力为变压式，在40～80 ata之间变化。
日本国土地地质特殊，没有岩盐结构，多属岩石海岛，地下空洞开挖较难，为了减少费用，全力探索取消橡胶里衬、采用水封方式的途径。
       4.4   瑞士----ABB公司开发了大容量联合循环电站实现压气蓄能发电的先进系统，参见表2。蓄能发电功率为442 MW ，空气压力为33 ata，压气运行时间8 h ，大气湿度60 ％ ，贮气空洞为硬岩地质，采用水封方式。
       除了上述国家外，还有俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也已开发多年。我国战备地道较多，有的改用作为地下商城、地铁等。有的电力部门正在研究利用现有的地道、或者扩建成为贮气空洞来用于压气蓄能电站，以便缓解日益严重的电力平衡难题。鉴于这种电站的建设费用和发电成本等方面都优于抽水蓄能电站，预计它的开发应用将很快赶上甚至超过后者。
       5    结论
       (1)高效、节能、减排、环保类型的燃气-蒸汽联合循环电站，是当今世界发电设备市场热点，备受青睐。如果再进一步实现压气蓄能发电，则可把输出功率翻番、增大一倍。
       (2)至今为止，在巨大的超导电磁能量存贮发电系统实现大规模商业运营以前，在大容量化蓄能的开发应用方面，仅次于抽水蓄能电站的就是压缩空气蓄能电站，然而压气式在电站选址、建设费用、发电成本、综合效率等方面都优于抽水式，推广应用前景广阔。
       (3)发展压气蓄能电站的关键是气洞，建筑气洞总比建筑水库容易，问题是成本越低越好。如果利用废弃矿井、坑道，则更省钱。
       (4)新能源（如风能、太阳能、海洋能等）的开发利用规模日益扩大，发展速度加快，都要配备大型蓄能电站。抽水蓄能很难满足需求，唯有压气蓄能发电系统才是优选方案，它很可能超过抽水蓄能电站。