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　　可再生能源固有的间歇性使得其消纳困难，弃风、弃光现象严重，造成了极大投资浪费，我国电网峰谷差呈逐步扩大的趋势，而可再生能源的比例增加使得该问题进一步恶化。先进的大规模储能技术能够实现能量的时空转移，平滑新能源波动性，从而为解决弃风弃光问题，并为电网削峰填谷和能源结构清洁化转型提供支撑。目前较为成熟的大规模储能技术主要有抽水蓄能、蓄电池储能以及压缩空气储能３种。与抽水蓄能、蓄电池储能技术相比，压缩气体空气储能对地理条件要求较低，成本也与抽水蓄能相似，并且储能容量大，技术可靠，运行寿命长，是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一，是解决我国普遍存在的弃风、弃光、弃水问题，实现智能电网削峰填谷、提升综合能源系统灵活性的重要手段之一。

　　我国广泛发育于不同时代的盐岩地层，塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、江汉盆地和渤海湾盆地等均可见不同时代的盐岩地层分布，在利用盐穴建设压缩空气储能电站上有着较大优势。近20年的持续技术攻关，天然气盐穴储气库形成了溶腔设计与控制、常规井眼钻完井技术、地面注采气工艺等系列技术，支撑金坛、楚州、平顶山等盐穴储气库的建设与运行，其中金坛储气库已建成工作气量7.8亿方。中石油工程院所积累掌握的一系列盐穴钻完井、造腔及注采等技术也为储能库的高效安全建设奠定了基础。

　　我国对压缩空气储能系统的研究起步比较晚，但近年来随着电力储能需求的快速增加，压缩空气储能电站的建设刻不容缓。2018年12月25日，中盐金坛“盐穴压缩空气储能国家试验示范项目”开工，项目总投资15亿元人民币，其中一期投资5.34亿元，建设完成1套60ＭＷ盐穴非补燃压缩空气储能系统，未来将分期建设装机容量达百万千瓦的压缩空气储能基地。

　　现有盐穴压缩空气储能电站工程案例极少，盐穴压缩空气储能技术在国内应用时，面临着压缩空气储能技术路线选择问题。压缩空气储能解耦存储过程中压缩机排气压力（约1～20ＭＰａ）、流量持续变化带来的变工况难题，导致压缩机等关键设备存在运行失稳问题及多参数耦合难题，需要有针对性的选用流量、压比和负荷适配的高效压缩机。针对60ＭＷ的盐穴压缩空气储能技术线路，开展基于压缩空气工况的往复式和离心式压缩机的对比，并形成中型规模压缩空气储能系统用压缩机组的推荐方案。

　　流量和压比是压缩机选择过程中重要的评价指标，如果体积流量和排气压力都满足需要，还需对压缩机的类型进行比较。往复活塞式压缩机和离心式压缩机适用的流量与压比如图１所示，往复式压缩机适用于各种中小流量的应用场合与各种排气压力工况，流量需求达到100000Ｎ·ｍ３／ｈ以上时单机尺寸会非常大，往往超过常规材料所能承受的极限。在10ＭＷ储能规模的小型系统中，因为往复式的流量压比等均能较好满足需求，且因往复压缩机整体效率较高，因此小规模储能系统中优先使用往复压缩机，例如：在位于我国河北廊坊的1.5MWAA－CAES示范系统中，采用了6级活塞式压缩机组作为空气压缩装置。根据中盐金坛的建设运行与成本估算数据，10ＭＷ储能规模的系统建设耗资约为1.7亿，这一规模为长期运行周期下能完成投资回本的临界储能规模，如果储能规模再小，建设储能系统的投资可能无法回本，因此压缩空气储能系统通常应为几十兆瓦级或是上百兆瓦级的规模。离心式压缩机具有单级压比高、结构紧凑、工作范围较宽的特点，非常适用于大流量的应用场合。离心式压缩机单级叶轮压升有限，通常采用多级压缩形式。多级离心压缩机又可分为单轴式和多轴式，其中多轴式离心压缩机具有效率高、结构紧凑、便于进行级间热回收等优点，更符合大规模压缩空气储能系统的需求。在100ＭＷ以上的大规模储能系统中，应选用离心式压缩机来适应大流量大压比的应用场合。

　　极小规模与大规模储能系统的压缩机选型已有了较为清晰的方向，而对于10～100ＭＷ之间的中型规模储能系统，离心式压缩机与往复式压缩机的选择尚未有统一的定论。本文以金坛盐穴60ＭＷ储能规模的系统为例，采用行业内对于往复式压缩机与离心式压缩机的设计、参数选择及加工较为成熟的方法，形成两套纯往复式压缩机与纯离心式压缩机的方案，并对其综合性能进行比较，以形成中型规模储能系统压缩机选型的推荐方案。

　　根据储能电站的规模可确定压缩机的输入功率及膨胀机的输出功率。对于金坛６０ＭＷ的压缩空气储能系统，压缩机流量ｑｉｎ为

　　则当压缩机的等温效率为５５％，排气压力为１２ＭＰａ时，压缩机流量约为４２００ｍ３／ｍｉｎ。

　　盐穴内温度通常为５０℃，因此选择各级排气温度为５０℃。压缩机的运行方式有：滑压运行、定压运行以及定－滑组合的运行方式。其中定压运行的方式中，多段压气机压比相同且均为额定压比，机组出口压力为储气室的最大工作压力，当储气室压力与机组出口压力相同时，储能过程结束。该种压缩方式对于压缩机组的稳定性较好，故压缩机系统各级各段采用定压运行的方式。

　　为了保证运行过程中的可靠性，压缩机需选择加工设计较为成熟的机型，成熟的机型在保证运行可靠性的同时，其加工与制造成本也更低。则根据金坛盐穴工况，设计６０ＭＷ的压缩空气储能系统中的往复式压缩机与离心式压缩机方案。

　　全往复压缩机方案为，采用５台十列六级的压缩机（１０ＨＭ６０－８４０／１００），单台压缩机的轴输入功率为９５０２ｋＷ，转速为３００ｒ／ｍｉｎ，行程为３６０ｍｍ，各台均采用４个一级，２个二级，各１个三、四、五、六级缸的结构形式。往复式压缩机受填函与易损件材料的限制，气体温度不能过高，故机体采用循环水冷的方式，进气温度均为４０℃，则压缩机各级压比分配与特性如表１所示。

　　全离心压缩机的方案如表２所示，采用等压比三段压缩的方式。由于离心式压缩机能够承受较高的气体温度，因此不进行级间冷却，每段压缩过程的出口直接排出３００℃左右的高温气体，利用储热油换热并将热量储存，用于膨胀过程中给膨胀气体加热。每段分别采用一台多级压缩机进行增压。

　　在实际投入使用时，需综合考虑各项投资运行的成本，来对方案的整体性能进行比较分析，通常使用层次分析法。层次分析法是一种把与投资决策总是相关的因素分解成项目、原则、方法等的层级，并在此基础之上加以定性和定量分析的决策手段，该层次权重决策分析模型是由匹茨堡大学教授Ｓｔａａｙ在２０世纪７０时代初期所发明的［７］。层次分析法的思想是首先确定研究对象的研究目标，然后采用递进变换的方式将研究对象相关的问题划分不同层的因素，并按照一定的原则对这些因素进行排列，形成从上到下的多层组织结构，并根据评价结果，确定最终的方案。层次分析法将原本难以比较的因素之间进行定量化比较，各因素之间关系的量化使复杂问题具有明确的可比较性，从而有效地帮助决策者处理问题。该方法具有实用性、系统性等优点［８］，本研究中所构建的层次结构模型如图３所示。

　　在实际应用过程中，如果压缩机出现故障则整个机组将无法运行，富余电能将面临无处可存储的困境，对于６０ＭＷ的储能规模，当系统电－电效率约为４４％时，压缩空气储能系统的输入能量约为１８３０ＧＪ，压缩机故障时，如此大量的可存储能量均会浪费，因此可靠性是压缩机组最重要的性能指标。压缩空气储能系统的初衷是为了避免能源浪费，但如果初期投资过高，则需要较长时间的运行才能收回成本，因此从经济性的角度考虑，压缩机的初投资成本应控制在合理的范围内。压缩空气储能系统在运行过程中，需定期对压缩机进行维护，以确保系统能正常的进行储能与释能，因此压缩机的维护成本也是重要的评价指标。最后，因为使用压缩机类型的不同，使得系统的运行成本也不同，从而对整个系统的经济效益产生影响。对上述几大综合性评价因素，按照重要性排序可为：可靠性、投资成本、维护成本与运行成本，据此构建四项评价指标的判断矩阵如表３所示。

　　对于往复压缩机，由于其有曲柄、连杆、活塞等诸多动部件，气阀也易于损坏，而离心式压缩机的运动部件仅有旋转的叶轮与连杆，因此从机械结构的角度讲，离心式压缩机的可靠性明显优于往复式压缩机。

　　投资成本主要通过压缩机采购时的价格及机组建设与布置时的占地面积来评估。离心式压缩机与往复式压缩机方案均为按照现有成熟的生产加工工艺所设计的成熟机型，因此邀请领域内专家进行价格评估，可直接给出采购压缩机的成本估算。往复缩机单台估价为１２８０万，因此５台总价约为６４００万。离心式压缩机一段、二段、三段估价分别为３２００万、１９００万和１６００万，因此３台总价为６７００万。从压缩机采购成本角度来讲，往复式压缩机与离心式压缩机的价格基本一致，离心式压缩机成本略高。投资成本还包括压缩机厂房的布置与建设，压缩机组结构与布置不同时，占地面积也不同，压缩机厂房占地面积越大，建设及维护的成本越高。压缩机系统的占地面积主要取决于台数、排列以及冷却散热的要求，据章节２中给出的往复式压缩机与离心式压缩机组的布置图可以看出，往复式压缩机虽然台数较多，但是机体结构紧凑，因此总体占地面积相对离心式压缩机更小。因此，结合采购成本与占地面积大小所带来的建设成本两项因素综合考虑，对于中型规模的压缩空气储能系统，选用往复式压缩机时，初期投资成本更低。

　　压缩机的维护成本方面，由于往复式压缩机零部件多，出现故障的概率较大，因此需要定期进行机体零部件检修，并且由于存在摩擦与运动部件，往复式压缩机中还需注入润滑油，而润滑油也需要定期更换，因此往复式压缩机的维护需要投入较多的人力物力以确保其长期安全可靠的运行。离心式压缩机没有摩擦部件与易损件，几乎无需维护即可连续运转，因此在维护成本方面，离心式压缩机的性能明显优于往复式压缩机。

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　　运行成本的不同主要是由于压缩机余热利用效率不同所产生的。对于带级间冷却的压缩方式，由于通常采用循环水进行冷却，而吸热后的冷却水所携带的热量属于低品位热能，使得储热系统难以再高效吸收和储存气体热量，因此系统整体的效率相对较低；对于无级间冷却的压缩方式，排气端直接排出300℃左右的高温气体，储热油吸热时效率更高，储热温度也更高，可以使得压缩热得到更高效的利用，因此系统的综合效率更高。

　　根据以上分析，构建可靠性、投资成本、维护成本及运行成本这4个因素的判断矩阵，并计算了两种压缩机方案的最终得分，结果如图4所示。离心式压缩机组的综合评分为0.6713分，往复压缩机组的综合评分为0.32875分，因此，以60ＭＷ储能系统为代表的中型规模的压缩空气储能系统中，离心式压缩机组的综合性能明显优于往复式压缩机组。

　　利用盐穴储气的压缩空气储能系统是我国未来储能发展的重要方向，压缩机承担了将富余电能转化为空气能的作用，是系统运行过程中的重要设备。离心式压缩机与往复式压缩机是两种广泛使用的压缩机，适用于流量大、压比高的多种应用场合。本文以60ＭＷ储能规模的系统为例，对于中型储能规模的系统（10～100ＭＷ）进行压缩机形式选择的比较，根据盐穴储气工况的要求，设计形成使用往复式压缩机与使用离心式压缩机的两种方案，针对压缩机组初期建设以及具体运行过程中按重要性依次排序的４个指标：可靠性、投资成本、维护成本以及运行成本，采用层次分析法进行综合性能的评价，最终得到２种方案下的系统评分，发现对于中型规模的压缩空气储能系统，离心式压缩机的综合性能更好，因此，在进行中型规模储能系统的建设时，采用全离心式压缩机组仍是更优的选择。

　　随着压缩空气储能的规模化发展，其关键设备的研发具有越来越重要的意义，由于小型的压缩空气的储能系统不具备经济效益，而中型规模与大规模的储能系统中都优先使用离心式压缩机，因此，攻克大流量离心机生产与制造中的瓶颈问题是未来发展的重要方向。

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