储能技术习题答案（梅生伟）第3章

1、第3章习题答案3-1简述压缩空气储能的工作原理及系统组成。答：压缩空气储能就是采用压缩空气作为能量载体，实现能量存储和跨时间、空间转移 和利用的一种能源系统，其主要包括空气压缩机和空气透平膨胀机两大能量转化设备及高压 空气储气装置。压缩空气储能系统主要可以分为储能和释能两个基本工作过程：储能时，电 动机驱动压缩机由环境中吸取空气将其压缩至高压状态并存入储气装置，电能在该过程中转 化为压缩空气的内能；释能时，储气装置中存储的压缩空气进入空气透平中膨胀做功发电, 压缩空气中蕴含的内能和势能在该过程中重新转化为电能。当然，也可以直接采用外部机械 能驱动空气压缩机，或使空气膨胀机直接对外输出机械能。3

2、-2简述压缩空气储能和抽水蓄能在工作原理上的相似之处。答：和抽水蓄能一样，压缩空气储能也是一种采用机械设备实现能量存储和转移的物理 储能技术。根据工作流程，压缩空气储能系统通常包括空气压缩机和空气透平膨胀机两大能 量转化设备，其功能分别和抽水蓄能中的水泵和水轮机相类似。止匕外，类似于抽水蓄能具有 的低位水库和高位水库，压缩空气储能系统还包括由大气环境和储气装置形成的开放式低压 气库和封闭式高压气库。3-3以下压缩空气储能电站不是采用盐穴储气方式的是(C )A、Huntorf电站B、McIntosh电站C、TICC-500电站D、江苏金坛电站3-4德国ADELE工程属于哪种压缩空气储能技术路线？

3、简述该工程终止的主要原因。答：德国ADELE工程属于高温绝热压缩空气储能技术路线，由于超高温压缩和超大容 量的高温高压固体填充式蓄热技术难以实现，受限于上述技术瓶颈和超预算的设备研发制造 本钱，该工程最终终止。3-5以下压缩空气储能技术路线中，不适宜建设大容量储能电站技术的是(C)A、传统补燃式压缩空气储能B、中温绝热压缩空气储能C、等温压缩空气储能D、复合式压缩空气储能3-6简述深冷液化空气储能的技术原理及其优缺点。答：深冷液化空气储能又称作液态空气储能技术，其在压缩、膨胀和储热方面与绝热式 压缩空气储能是类似的。所不同的是，其在传统压缩空气储能技术的基础上引入了低温过程 和蓄冷装置，将高压

4、空气液化后常压存储液态空气，其增加了储能过程中空气的冷却、液化、 别离、储存和释能过程中空气的气化过程。因此，液态空气储能技术更为复杂。和压缩空气储能技术相比，液态空气储能技术最大的优点是空气以常压液态形式储存, 储能密度高，可大大减少储气系统的容积，减少电站对地形条件的依赖。但由于增加蓄冷系 统，导致系统结构更为复杂。同时，由于蓄冷系统在储能和释能过程中动态损失较大，导致 系统的储能效率偏低。3-7关于复合式压缩空气储能，以下说法错误的选项是（B）A、可以与光热、地热和工业余热相结合B、需要化石燃料补燃C、具备多能联储、多能联供能力 D、电站容量可达百兆瓦级别3-8补燃式压缩空气储能的技术原

5、理是什么？其与传统燃气动力循环有什么联系和区别？ 补燃式压缩空气储能的优点和局限性又是什么？答:传统的燃气动力循环在吸热过程中采用天然气与压缩空气混合燃烧的方式提升燃气 轮机进气温度。通过借鉴燃气动力循环，在压缩空气储能系统膨胀机前设置燃烧器，利用天 然气等燃料与压缩空气混合燃烧，以提升空气透平膨胀机进气温度。这种采用化石燃料与压 缩空气混合燃烧的方式来实现压缩空气储能的技术路线称为补燃式压缩空气储能系统。补燃式压缩空气储能系统与传统燃气动力循环存在较多相似之处,但两者结构上最显著 的区别在于，燃气动力循环中空气压缩机与燃气轮机同轴，燃气轮机输出的局部轴功用来驱 动空气压缩机，而补燃式压缩空气

6、储能系统中的空气压缩机与燃气轮机相对独立。补燃式压缩空气储能结构简单，技术成熟度高、设备运行可靠、投资本钱低，具有较长 的使用寿命，具备与燃气电站类似的快速响应特性。然而，在当前大力开展绿色能源、控制 碳排放量的大背景下，补燃式压缩空气储能的碳排放已成为其最大弊端之一。3-9非补燃压缩空气储能主要有几种技术路线？分别阐述其优点及局限性。答：非补燃压缩空气储能主要包括绝热式、等温式和复合式，其中，绝热式压缩空气储 能又分为高温绝热压缩空气储能和中温绝热压缩空气储能。高温绝热压缩空气储能系统效率较高，然而，高温压缩机内部的密封结构和润滑结构目 前均存在重大技术瓶颈，固体式填充床易存在温度梯度和换热

7、不均。因此，在当前的设备技 术和工艺水平条件下，高温绝热压缩空气储能系统难以实现工程应用。中温绝热压缩空气储 能关键设备技术成熟、本钱合理，可基于当前成熟的关键设备技术和工艺水平开展设计和制 造；系统稳定性、可控性较强，具备多能联储、多能联供的能力，易于实现工程化应用，但 其效率还需要进一步提升。等温压缩空气储能系统的优点是系统结构简单、运行参数低，但其装机功率一般较小, 储能效率较低，等温的压缩过程和膨胀过程也难以实现，仅适用于小容量的储能场景，例如 分布式储能、家庭储能。复合式压缩空气储能系统形式较多，可在理论研究或工程应用中根据需求进行多样化的 设计和调整。复合压缩空气储能系统具有较强的

8、多能联储、多能联供的能力，可以实现多种 能量形式的储存、转换和利用，满足不同形式的用能需求，提升系统能量综合利用效率。3-10以下对于中温绝热压缩空气储能系统的描述中错误的选项是(A)A、一般采用固体填充床进行蓄热B、关键设备技术成熟、本钱合理C、系统稳定、可控性强D、具备多能联供能力3-11简述常用的压缩空气储能空气存储设备及其优缺点。答：压缩空气储存设备主要分为等容型和等压型。等容型储气装置主要包括钢制压力容 器、管线钢钢管和深地空间。普通钢制压力容器在压缩气体领域的应用非常广泛，然而，当 应用于中等容量以上的储能场景时，普通钢制压力容器储气库的本钱将成为限制其应用的主 要因素。管线钢钢管

9、最初的用途是输送石油或天然气，采用管线钢钢管进行储气时，可以将 其阵列化布置于地上，或浅埋于地下以节省地面空间。在中小容量等级的压缩空气储能系统 中，采用管线钢钢管阵列进行储气成为最正确选择之一，但在大规模压缩空气储能系统中，其 储气本钱仍然偏高。以地下盐穴、煤矿巷道等地下洞穴为代表的地下储气库容量大、占地少， 是目前建造大容量压缩空气储能系统的有利支撑条件。等压储气装置主要包括水下承压气囊和重力恒压储气装置等。恒压储气装置受限于材料 技术、加工工艺和本钱等条件，目前只适用于小容量压缩空气储能系统或实验系统。3-12目前可用于压缩空气储能系统的压缩机有哪几种？它们各有什么优缺点？应用于压缩 空

10、气储能系统时，压缩机应该按照什么方法进行选型？答：目前适用于压缩空气储能系统的压缩机类型主要为往复式压缩机、离心式压缩机和 轴流式压缩机。往复式空气压缩机的优点是机械效率高，排气稳定，排气压力覆盖范围广,排气压力高。 但其转速低、结构复杂、易损件多、日常维修量大；周期性往复运动导致动平衡性差，运转 时有振动。离心式压缩机转速高、排气量大、排气均匀，密封良好、泄漏量少，性能曲线平坦、操 作范围宽。同时，离心式压缩机易损件和维修量较少，易于实现自动化和大型化，非常适合 应用于压缩空气储能系统。但离心式压缩机气流速度大，流道内的零部件有较大的摩擦损失; 存在喘振现象，危害压缩机本身和系统的运行平安。

11、轴流式压缩机具有通流能力大、流量大、阻力损失小、效率高等优点，同时其结构简单、 运行维护方便、占地面积小。但轴流式压缩机一般压比拟小，制造工艺要求较高，稳定工况 区比拟窄，流量可调节的范围比拟小。轴流式压缩机在用于压缩空气储能系统时，一般需要 和离心压缩机串联使用。3-13关于轴流式膨胀机，以下描述错误的选项是(C)A、通流能力大B、流量大C、结构简单、制造工艺要求低 D、损失小、效率高3-14和管壳式换热器相比，板式换热器具有什么优点和缺点？其是否可应用于压缩空气储 能系统？答：板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方 便、应用广泛、使用寿命长等特点。但板式换

12、热器无法承受高温高压，密封难度高，使用过 程中容易出现泄漏问题。尽管在换热能力和体积上板式换热器有一定的优势，但是对于高温 过程和带压的换热过程，实施过程中还是应该主要考虑采用管壳式换热结构。3-15某压缩机进口空气的焰值也为298.45 kJ/kg,流速为55 m/s；压缩机出口空气 焰值2为621.28 kJ/kg,流速为22m/s；散热损失和势能差可以忽略不计。试求1 kg空 气流经压缩机时压缩机对其做功的量。假设空气流量为120 t/h,试求压缩机的功率。解：由式(3-11)可知压缩机的能量方程为1q =也2 %1) + -(CZ22 - CA2) + 9(Z2 Z1)乙根据题意可知，

13、q=0, g-zi)=0,于是压缩1 kg空气所需要的技术功为1% =(八2 九 1) + (CP2 一 0J)1=(621.28 kj/kg - 298.45 kj/kg) + - (22 m/s)2 (55 m/s)2 x IO-3乙=322.83 kj/kg - 1.27 kj/kg = 321.56 kj/kg压缩机的功率为mwc3600mwc3600=10718.7 kW3600120 x 103 kg/s x 321.56 kj/kg3-16空气的初始状态为po=O.lMPa、/i=20,经三级压缩后空气压力到达12.5 MPa。各级 压缩均为等蜡压缩且等熠效率均为90%,压缩机的

14、质量流量为10 kg/s,空气的绝热系数为 1.4,气体常数为0.287kJ/(kg.K)。假设各级压缩机的入口温度均相同，试求压缩系统的最小 功率和排气温度分别是多少？如果采用单机压缩到达12.5 MPa,那么压缩机的功率和排气温 度分别为多少？解：压缩机功耗最小时各级压缩比相等，即3 P3 _ 3 12.5 MPaJpo J 0.1 MPa那么第一级压缩机的功耗为1 k ( ”1、10 kg/s 1.490% X1.4-%二租万口心丁。(卜-1)/ 1.41-x 0.287 kJ/(kg - K) x (273.15 + 20) Kx(5- - 1=1910.19 kW第一级压缩机的出口温

15、度为/ k-l/- 1。1+4由于二、三级入口温度相等，那么可以求得其功耗分别为/1.4-1- 273.15 K = 210.16 / - 1-273.15 = 293.15 Kx 1 + 90%w2 = w3 = 1910.19 kW第二、三级的排气温度为t2 = ts = ti = 210.16 那么该压缩空气储能系统压缩机的总功耗为w = 3 wt = 1910.19 kWx 3 = 5730.57 kW假设采用单级压缩，那么其压缩比夕为125,其功耗为1 k( k-l 吻=%口3。(夕k -1) TOC o 1-5 h z 10 kg/s 1.4z=go. x /工 x 0.287 k

16、j/(kg . K) x (273.15 + 20) K/1.4-1压缩机排气温度为/k-1/-273.15x 1254- - 1 = 9727.3 kW/1.4-1/125F-1293.15 Kx 1 + -273.15 K90%/=988.37 3-17某压缩空气储能系统膨胀局部采用三级膨胀、级间再热的方式。一级空气透平进气压 力pi=6.4MPa、Zi=180,三级膨胀完毕后的压力为环境压力0.1 MPa。各级透平均为等场 膨胀，三级透平的等端膨胀效率分别为90%、88%和85%,膨胀比均为5,透平的质量流量 为2.5kg/s,空气的绝热系数为1.4,气体常数为0.287 kJ/(kgK

17、)。假设各级空气透平的入口 温度相同且不考虑换热器的流动阻力损失，试求透平的输出功率及各级透平排气温度。解：一级透平的排气温度为l-kl-kT2 = Tr 1 - 1 一行?7 = (180 + 273,15) Kx 1 90% x (1 sMd)=302.82 Kt2=T2 - 273.1529.67 C一级透平的输出功率为l-kwi =租-6三/、1.4=2.5 kg/s x (180 + 273.15) K x - x 0.287 kJ/(kg K) x 90%1.4 11-1.4x 1 - 5Fx 1 - 5F=377.53 kW类似可求得，二级、三级透平的温度分别为33.01 和38

18、.02 C；二级、三级透平的输出功率为369.14 kW和356.55 kW,透平的总输出功率为w = Wj = 377.53 kW + 369.14 kW + 356.55 kW = 1103.22 kW3-18某深冷液化空气储能系统，采用两级压缩、两级膨胀的布置方式，其储能时间和释能 时间均为6小时。除了输出电力外，该系统还可同时实现供热和制冷应用。储能阶段，一、 二级压缩机的功率分别为10.32MW和9.75MW,释能阶段，一、二级空气透平的输出功率 分别为5.42 MW和4.98 MW,其供热和制冷功率分别为1.84 MW和870 kWo试求该系统的电-电效率和循环效率。解：该系统的电

19、-电效率为Kese =Kese =x 100% = 51.82%wtTdis (5.42 + 4.98)MW x 6hwcTch (10.32 + 9.75)MW x 6h循环效率为_ (% + q九 + %)%s(5.42 + 4.98 + 1.84 + 0.87)MW x 6h(10.32 + 9.75)MWx 6hx 100% = 65.32%3-19某非补燃压缩空气储能系统采用四级压缩、三级膨胀的技术方案，采用加压水作为传 热和储热工质，其方案如以下图所示。图中，各物流节点都进行了标注，A代表空气，W代表 水，各节点的压力、温度、流量、比烟如下表所示。该方案中，压缩时间为8小时，膨胀时

20、 间为4小时。1-4级压缩机的功率分别为的607 MW、3.907 MW、3.907 MW和3.914 MW, 1-3级透平的功率分别为5.564MW、5.591MW和5.552MW。试求：(1)该压缩空气储能的 循环效率；(2)各压缩机、透平和换热器的娴损失。习题3-19附图某非补燃压缩空气储能流程图习题3.19附表某非补燃压缩空气储能节点参数表节点P/MPat/m /(kg/s)ex /(kJ/kg)A10.1012027.780.0632A20.30149.6727.78113.54A30.304027.7893.20A40.90179.8627.78217.3A50.904027.78

21、186.94A62.70180.227.78311A72.704027.78280.1A88.10180.727.78404.5A98.104027.78372A104.302555.56318.8All4.3011055.56329.6A121.2256.62555.56213.4A131.22511055.56223.2A140.358.13955.56106.5A150.3511055.56116.3A160.1019.50655.560.434W10.1013039.010.179W20.630.0339.010.769W30.630.0310.830.769W40.312010.8355.11W50.630.0310.280.769W60.312010.2855.11W70.630.0310.070.769W80.312010.0755.11W90.630.037.830.769W100.31207.8355.11W11