至今为止能够用于大容量蓄能发电的主要是抽水蓄能和压缩空气蓄能2种系统。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。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尚未普及，而且必须解决设备的海水腐蚀问题。

　　最近,高效、节能、环保型的燃气、蒸汽联合循环发电机组发展迅速。美国新增发电设备的2/3是这种机组，其他国家的火电设备中约50%也是这种机组。

　　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，以便向燃烧室内注入压缩空气、强化燃气的燃烧。实际上，燃气轮机的输出功率中只有少数（30%～40%）用于发电机，而大多数（60%～70%）是用于驱动空压机的。如果能将谷荷期间（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，等到峰荷期间（比如白天）用来发电，则可使燃料减到原来的1/3，或是可使发电机输出功率增大1倍以上。这就是压缩空气蓄能发电系统的基本思路。

　　本文简要介绍当今世界火电市场备受青睐的联合循环发电设备实现压缩空气蓄能发电的结构特点、开发应用以及贮气空洞的类型、建造技术等。给出了它与抽水蓄能电站的对比。

    

1　结构特点

1.1　普通的燃气轮发电机组

 　　天然气或液化石油气在燃烧室内燃烧并驱动燃气轮机旋转，进一步驱动同轴发电机发电和空气压缩机运行。燃气轮机的输出功率约有1/3用来发电，2/3用来驱动空气压缩机。

1.2　压气蓄能发电机组

　　利用电力负荷谷荷期间（比如夜间）的电力，使电动机驱动空压机将压缩空气压入贮气空洞（比如地下空洞），在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。这样可使燃料减到原来的1/3，或使发电机的输出功率增大1倍以上。图1为压缩空气蓄能发电系统。

    

图1　压缩空气蓄能发电系统

　　运行方式的切换由联轴器A、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，按照国际标准（IEC）应称为发电电动机（抽水蓄能电站的电机也这样称谓）。

1.3　联合循环压气蓄能发电系统

　　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、再次利用以加热蒸汽发生器，并进而驱动蒸汽轮机发电，便可达到高效、节能、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，按照国际标准（IEC）,应称为透平发电机。如果将这种燃气
- 蒸汽联合循环电站用于压缩空气蓄能发电，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。图2为联合循环压气蓄能发电系统。图中示出了瑞士ABB公司（现已并入法国Alstom公司）442MW发电机输出功率时的温度、压力，其贮气效率高达95%。

    

图2　联合循环压气蓄能发电系统

1.4　高压双机联合循环压气蓄能发电系统

 　　最近几年，跨国公司GE开发了一种超高压、双轴系、双机式联合循环压气蓄能发电系统，如图3所示。其高压部分（包括高压空气压缩机、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，因为高压燃机转速太高，必须变速传动。与图2所示系统相比，它多了1台电机、1台压缩机，但压力、温度、功率等都提高了，功率增加将近1倍（829MW）。图3只给出高压轴系部分，低压轴系部分与图2相同，只是将高压燃烧器、高压燃气轮机调转入高压部分。除了电动机驱动外，还采用辅助的蒸汽轮机同时驱动高压空气压缩机。

图3　高压双机联合循环压气蓄能发电系统（高压轴系部分）

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，如果采用压缩空气存贮方式实现蓄能发电，则可使输出功率增大到原来的2倍以上，见表1。

    

表1　 联合循环电站实现压气蓄能发电前后对比



参数
普通型
高压型

贮气压力/at^*
33
60

贮气温度/℃
50
50

联合循环功率/MW
245
400

压气蓄能功率/MW
442
829

联合循环发电效率/%
51.7
52

压气蓄能发电效率/%
43.9
41.2

电力存贮效率/%
70.1
61.3

开发公司
ABB
GE

　　* 1at=9.807×10⁴Pa。

　　对于输出功率分别为245 MW和400 MW的联合循环电站来说，如果采用贮气空洞压力分别为33at(普通型采用的压缩空气压力1at=9.807×10⁴Pa)和60at（高压型）时，实现压气蓄能发电的输出功率可增大到原来的1.8倍（442MW）和2.1倍（829MW）。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。

　　至于造价，压气蓄能发电系统也比抽水蓄能电站低。抽水蓄能电站的建设单价暂按15万日元/kW计算其发电成本，并与联合循环压气蓄能发电系统的发电成本在相同的建设单价条件下进行对比。对比结果表明，当设备利用率分别为45%、30%时，抽水蓄能电站的发电成本分别为12、14日元/kWh，而压气式的仅为7、8日元/kWh。如果燃气（液化天然气）和燃油火电的燃料费用降低，则压气蓄能电站的优越性更加突出。

    

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，也可在海底，也可以利用现有的或废弃的矿井、地道等，但必须保证空洞的高压密封。可以采用橡皮敷层加以密封，也可设在地下滞水层（水封方式）则可以省去橡皮层，降低造价。空洞中的气压可以是定压式，也可为变压式。

　　(1) 定压式空洞。贮气空洞选址在水塘或水池附近，并将二者用水道相连。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。

　　(2) 岩盐层空洞。只要向地下岩盐层钻孔，注水使盐溶化即可形成空洞。这种空洞具有较好的气密性，而且造价便宜，但必须选址这种地质条件。

　　(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时就比较麻烦，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，甚至还需采用尼龙纤维补强厚3mm的混凝土板拼接而成的里衬，这样可使压力均匀地传递到岩盘洞壁，但造价较高。

　　(4) 水封式空洞。即使是岩石层，只要深挖，便可以利用地下水压进行水封。如果空洞压气压力为30at，大约地下300m深的空洞即可达到水封的目的。如果要求压力为40～60atm（1atm=101.325kPa），在地下深400m的花岗岩或600m的堆积岩内造洞即可实现水封。

 　　(5) 海底式气罐。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罐，即可贮存压缩空气。气罐壳体可以采用不锈钢板等制成。

    

4　开发应用

    

　　（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此类电站，其容量为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，而且没有再次回收和利用余热。

　　（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110MW的压缩空气蓄能电站，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此类电站。地下空洞容积为6×105m³，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。

　　(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，和输出功率为2MW的压气蓄能电站，已于2001年投运。空洞直径6m，长57m,容积为1600m³，设在地下深400m处的岩盘结构，空洞内壁采用橡胶里衬密封。该电站为机组容量（400MW）更大的中间机组进行真机验证。机组发电时间4h，压缩空气的充气时间为10h，空气压力为变压式，压力为40～80at。

　　日本国土地质特殊，没有岩盐结构，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。

　　(4) 我国以前用于战备的地道较多，有的改用作为地下商城。哈尔滨电力部门正在研究开发利用地道作为贮气空洞来建造压气蓄能电站，以便缓解日益严重的电平衡难题。

　　(5) 瑞士ABB公司正在开发大容量联合循环电站，实现压气蓄能发电的先进系统，参见图2和表1。蓄能发电功率为442MW，空气压力为33at，压气运行时间为8h，大气湿度为60%，贮气空洞为硬岩地质，采用水封方式。

　　(6) 美国GE公司也在开发更高压力（60at）的大容量（829MW）联合循环压气蓄能电站，其他条件类似于ABB，但是整个系统增加了1台电机、1台空压机，从而构成了另一个高压轴系部分，参见图3和表1。

　　(7) 除了上述国家而外，还有俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国已开发多年。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） 高效节能环保式燃气 - 蒸汽联合循环电站是当今世界火电设备市场的热点，备受青睐。如果实现压气蓄能发电则可使输出功率成倍增加。

　　(2) 在巨大的超导电磁能量存贮发电系统（超导蓄能）实现大规模商业运营以前，在开发应用规模方面仅次于抽水蓄能电站的就是压缩空气蓄能电站，然而压气式蓄能电站在电站选址、建设费用、发电成本等方面都优于抽水式蓄能电站。

　　（3） 近年来我国电力工业发展很快，电力负荷的均衡化问题日趋严重。虽然已规划多座大型抽水蓄能电站，然而机组必须进口。如果多挖几个洞，或在海底多放几个罐，多建压气蓄能电站，则既可有效地利用谷荷期间多余的电能，又能满足峰荷时期的用电要求。

　　(4) 压气蓄能发电设备的关键是贮气洞。建筑贮气洞并不难，且可利用废弃矿井、坑道，而且省钱。在我国，还有许多地道可以利用。但是应该进行中间机组验证和经济分析。

    

6　参考文献

［1］ 李连贵，压缩空气蓄能发电最新动向［J］.电气技术,2003(2).

［2］ 孙瑶廷,日本首台压缩空气蓄能机组开发成功［J］.大电机消息，2000（10）.