1、第3章習題答案3-1簡述壓縮空氣儲能的工作原理及系統組成。答：壓縮空氣儲能就是采用壓縮空氣作為能量載體，實現能量存儲和跨時間、空間轉移 和利用的一種能源系統，其主要包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能量轉化設備及高壓 空氣儲氣裝置。壓縮空氣儲能系統主要可以分為儲能和釋能兩個基本工作過程：儲能時，電 動機驅動壓縮機由環境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態并存入儲氣裝置，電能在該過程中轉 化為壓縮空氣的內能；釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進入空氣透平中膨脹做功發電, 壓縮空氣中蘊含的內能和勢能在該過程中重新轉化為電能。當然，也可以直接采用外部機械 能驅動空氣壓縮機，或使空氣膨脹機直接對外輸出機械能。3

2、-2簡述壓縮空氣儲能和抽水蓄能在工作原理上的相似之處。答：和抽水蓄能一樣，壓縮空氣儲能也是一種采用機械設備實現能量存儲和轉移的物理 儲能技術。根據工作流程，壓縮空氣儲能系統通常包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能 量轉化設備，其功能分別和抽水蓄能中的水泵和水輪機相類似。止匕外，類似于抽水蓄能具有 的低位水庫和高位水庫，壓縮空氣儲能系統還包括由大氣環境和儲氣裝置形成的開放式低壓 氣庫和封閉式高壓氣庫。3-3以下壓縮空氣儲能電站不是采用鹽穴儲氣方式的是(C )A、Huntorf電站B、McIntosh電站C、TICC-500電站D、江蘇金壇電站3-4德國ADELE工程屬于哪種壓縮空氣儲能技術路線？

3、簡述該工程終止的主要原因。答：德國ADELE工程屬于高溫絕熱壓縮空氣儲能技術路線，由于超高溫壓縮和超大容 量的高溫高壓固體填充式蓄熱技術難以實現，受限于上述技術瓶頸和超預算的設備研發制造 本錢，該工程最終終止。3-5以下壓縮空氣儲能技術路線中，不適宜建設大容量儲能電站技術的是(C)A、傳統補燃式壓縮空氣儲能B、中溫絕熱壓縮空氣儲能C、等溫壓縮空氣儲能D、復合式壓縮空氣儲能3-6簡述深冷液化空氣儲能的技術原理及其優缺點。答：深冷液化空氣儲能又稱作液態空氣儲能技術，其在壓縮、膨脹和儲熱方面與絕熱式 壓縮空氣儲能是類似的。所不同的是，其在傳統壓縮空氣儲能技術的基礎上引入了低溫過程 和蓄冷裝置，將高壓

4、空氣液化后常壓存儲液態空氣，其增加了儲能過程中空氣的冷卻、液化、 別離、儲存和釋能過程中空氣的氣化過程。因此，液態空氣儲能技術更為復雜。和壓縮空氣儲能技術相比，液態空氣儲能技術最大的優點是空氣以常壓液態形式儲存, 儲能密度高，可大大減少儲氣系統的容積，減少電站對地形條件的依賴。但由于增加蓄冷系 統，導致系統結構更為復雜。同時，由于蓄冷系統在儲能和釋能過程中動態損失較大，導致 系統的儲能效率偏低。3-7關于復合式壓縮空氣儲能，以下說法錯誤的選項是（B）A、可以與光熱、地熱和工業余熱相結合B、需要化石燃料補燃C、具備多能聯儲、多能聯供能力 D、電站容量可達百兆瓦級別3-8補燃式壓縮空氣儲能的技術原

5、理是什么？其與傳統燃氣動力循環有什么聯系和區別？ 補燃式壓縮空氣儲能的優點和局限性又是什么？答:傳統的燃氣動力循環在吸熱過程中采用天然氣與壓縮空氣混合燃燒的方式提升燃氣 輪機進氣溫度。通過借鑒燃氣動力循環，在壓縮空氣儲能系統膨脹機前設置燃燒器，利用天 然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機進氣溫度。這種采用化石燃料與壓 縮空氣混合燃燒的方式來實現壓縮空氣儲能的技術路線稱為補燃式壓縮空氣儲能系統。補燃式壓縮空氣儲能系統與傳統燃氣動力循環存在較多相似之處,但兩者結構上最顯著 的區別在于，燃氣動力循環中空氣壓縮機與燃氣輪機同軸，燃氣輪機輸出的局部軸功用來驅 動空氣壓縮機，而補燃式壓縮空氣

6、儲能系統中的空氣壓縮機與燃氣輪機相對獨立。補燃式壓縮空氣儲能結構簡單，技術成熟度高、設備運行可靠、投資本錢低，具有較長 的使用壽命，具備與燃氣電站類似的快速響應特性。然而，在當前大力開展綠色能源、控制 碳排放量的大背景下，補燃式壓縮空氣儲能的碳排放已成為其最大弊端之一。3-9非補燃壓縮空氣儲能主要有幾種技術路線？分別闡述其優點及局限性。答：非補燃壓縮空氣儲能主要包括絕熱式、等溫式和復合式，其中，絕熱式壓縮空氣儲 能又分為高溫絕熱壓縮空氣儲能和中溫絕熱壓縮空氣儲能。高溫絕熱壓縮空氣儲能系統效率較高，然而，高溫壓縮機內部的密封結構和潤滑結構目 前均存在重大技術瓶頸，固體式填充床易存在溫度梯度和換熱

7、不均。因此，在當前的設備技 術和工藝水平條件下，高溫絕熱壓縮空氣儲能系統難以實現工程應用。中溫絕熱壓縮空氣儲 能關鍵設備技術成熟、本錢合理，可基于當前成熟的關鍵設備技術和工藝水平開展設計和制 造；系統穩定性、可控性較強，具備多能聯儲、多能聯供的能力，易于實現工程化應用，但 其效率還需要進一步提升。等溫壓縮空氣儲能系統的優點是系統結構簡單、運行參數低，但其裝機功率一般較小, 儲能效率較低，等溫的壓縮過程和膨脹過程也難以實現，僅適用于小容量的儲能場景，例如 分布式儲能、家庭儲能。復合式壓縮空氣儲能系統形式較多，可在理論研究或工程應用中根據需求進行多樣化的 設計和調整。復合壓縮空氣儲能系統具有較強的

8、多能聯儲、多能聯供的能力，可以實現多種 能量形式的儲存、轉換和利用，滿足不同形式的用能需求，提升系統能量綜合利用效率。3-10以下對于中溫絕熱壓縮空氣儲能系統的描述中錯誤的選項是(A)A、一般采用固體填充床進行蓄熱B、關鍵設備技術成熟、本錢合理C、系統穩定、可控性強D、具備多能聯供能力3-11簡述常用的壓縮空氣儲能空氣存儲設備及其優缺點。答：壓縮空氣儲存設備主要分為等容型和等壓型。等容型儲氣裝置主要包括鋼制壓力容 器、管線鋼鋼管和深地空間。普通鋼制壓力容器在壓縮氣體領域的應用非常廣泛，然而，當 應用于中等容量以上的儲能場景時，普通鋼制壓力容器儲氣庫的本錢將成為限制其應用的主 要因素。管線鋼鋼管

9、最初的用途是輸送石油或天然氣，采用管線鋼鋼管進行儲氣時，可以將 其陣列化布置于地上，或淺埋于地下以節省地面空間。在中小容量等級的壓縮空氣儲能系統 中，采用管線鋼鋼管陣列進行儲氣成為最正確選擇之一，但在大規模壓縮空氣儲能系統中，其 儲氣本錢仍然偏高。以地下鹽穴、煤礦巷道等地下洞穴為代表的地下儲氣庫容量大、占地少， 是目前建造大容量壓縮空氣儲能系統的有利支撐條件。等壓儲氣裝置主要包括水下承壓氣囊和重力恒壓儲氣裝置等。恒壓儲氣裝置受限于材料 技術、加工工藝和本錢等條件，目前只適用于小容量壓縮空氣儲能系統或實驗系統。3-12目前可用于壓縮空氣儲能系統的壓縮機有哪幾種？它們各有什么優缺點？應用于壓縮 空

10、氣儲能系統時，壓縮機應該按照什么方法進行選型？答：目前適用于壓縮空氣儲能系統的壓縮機類型主要為往復式壓縮機、離心式壓縮機和 軸流式壓縮機。往復式空氣壓縮機的優點是機械效率高，排氣穩定，排氣壓力覆蓋范圍廣,排氣壓力高。 但其轉速低、結構復雜、易損件多、日常維修量大；周期性往復運動導致動平衡性差，運轉 時有振動。離心式壓縮機轉速高、排氣量大、排氣均勻，密封良好、泄漏量少，性能曲線平坦、操 作范圍寬。同時，離心式壓縮機易損件和維修量較少，易于實現自動化和大型化，非常適合 應用于壓縮空氣儲能系統。但離心式壓縮機氣流速度大，流道內的零部件有較大的摩擦損失; 存在喘振現象，危害壓縮機本身和系統的運行平安。

11、軸流式壓縮機具有通流能力大、流量大、阻力損失小、效率高等優點，同時其結構簡單、 運行維護方便、占地面積小。但軸流式壓縮機一般壓比擬小，制造工藝要求較高，穩定工況 區比擬窄，流量可調節的范圍比擬小。軸流式壓縮機在用于壓縮空氣儲能系統時，一般需要 和離心壓縮機串聯使用。3-13關于軸流式膨脹機，以下描述錯誤的選項是(C)A、通流能力大B、流量大C、結構簡單、制造工藝要求低 D、損失小、效率高3-14和管殼式換熱器相比，板式換熱器具有什么優點和缺點？其是否可應用于壓縮空氣儲 能系統？答：板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方 便、應用廣泛、使用壽命長等特點。但板式換

12、熱器無法承受高溫高壓，密封難度高，使用過 程中容易出現泄漏問題。盡管在換熱能力和體積上板式換熱器有一定的優勢，但是對于高溫 過程和帶壓的換熱過程，實施過程中還是應該主要考慮采用管殼式換熱結構。3-15某壓縮機進口空氣的焰值也為298.45 kJ/kg,流速為55 m/s；壓縮機出口空氣 焰值2為621.28 kJ/kg,流速為22m/s；散熱損失和勢能差可以忽略不計。試求1 kg空 氣流經壓縮機時壓縮機對其做功的量。假設空氣流量為120 t/h,試求壓縮機的功率。解：由式(3-11)可知壓縮機的能量方程為1q =也2 %1) + -(CZ22 - CA2) + 9(Z2 Z1)乙根據題意可知，

13、q=0, g-zi)=0,于是壓縮1 kg空氣所需要的技術功為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壓縮機的功率為mwc3600mwc3600=10718.7 kW3600120 x 103 kg/s x 321.56 kj/kg3-16空氣的初始狀態為po=O.lMPa、/i=20,經三級壓縮后空氣壓力到達12.5 MPa。各級 壓縮均為等蠟壓縮且等熠效率均為90%,壓縮機的

14、質量流量為10 kg/s,空氣的絕熱系數為 1.4,氣體常數為0.287kJ/(kg.K)。假設各級壓縮機的入口溫度均相同，試求壓縮系統的最小 功率和排氣溫度分別是多少？如果采用單機壓縮到達12.5 MPa,那么壓縮機的功率和排氣溫 度分別為多少？解：壓縮機功耗最小時各級壓縮比相等，即3 P3 _ 3 12.5 MPaJpo J 0.1 MPa那么第一級壓縮機的功耗為1 k ( ”1、10 kg/s 1.490% X1.4-%二租萬口心丁。(卜-1)/ 1.41-x 0.287 kJ/(kg - K) x (273.15 + 20) Kx(5- - 1=1910.19 kW第一級壓縮機的出口溫

15、度為/ k-l/- 1。1+4由于二、三級入口溫度相等，那么可以求得其功耗分別為/1.4-1- 273.15 K = 210.16 / - 1-273.15 = 293.15 Kx 1 + 90%w2 = w3 = 1910.19 kW第二、三級的排氣溫度為t2 = ts = ti = 210.16 那么該壓縮空氣儲能系統壓縮機的總功耗為w = 3 wt = 1910.19 kWx 3 = 5730.57 kW假設采用單級壓縮，那么其壓縮比夕為125,其功耗為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壓縮機排氣溫度為/k-1/-273.15x 1254- - 1 = 9727.3 kW/1.4-1/125F-1293.15 Kx 1 + -273.15 K90%/=988.37 3-17某壓縮空氣儲能系統膨脹局部采用三級膨脹、級間再熱的方式。一級空氣透平進氣壓 力pi=6.4MPa、Zi=180,三級膨脹完畢后的壓力為環境壓力0.1 MPa。各級透平均為等場 膨脹，三級透平的等端膨脹效率分別為90%、88%和85%,膨脹比均為5,透平的質量流量 為2.5kg/s,空氣的絕熱系數為1.4,氣體常數為0.287 kJ/(kgK

17、)。假設各級空氣透平的入口 溫度相同且不考慮換熱器的流動阻力損失，試求透平的輸出功率及各級透平排氣溫度。解：一級透平的排氣溫度為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一級透平的輸出功率為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類似可求得，二級、三級透平的溫度分別為33.01 和38

18、.02 C；二級、三級透平的輸出功率為369.14 kW和356.55 kW,透平的總輸出功率為w = Wj = 377.53 kW + 369.14 kW + 356.55 kW = 1103.22 kW3-18某深冷液化空氣儲能系統，采用兩級壓縮、兩級膨脹的布置方式，其儲能時間和釋能 時間均為6小時。除了輸出電力外，該系統還可同時實現供熱和制冷應用。儲能階段，一、 二級壓縮機的功率分別為10.32MW和9.75MW,釋能階段，一、二級空氣透平的輸出功率 分別為5.42 MW和4.98 MW,其供熱和制冷功率分別為1.84 MW和870 kWo試求該系統的電-電效率和循環效率。解：該系統的電

19、-電效率為Kese =Kese =x 100% = 51.82%wtTdis (5.42 + 4.98)MW x 6hwcTch (10.32 + 9.75)MW x 6h循環效率為_ (% + 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某非補燃壓縮空氣儲能系統采用四級壓縮、三級膨脹的技術方案，采用加壓水作為傳 熱和儲熱工質，其方案如以下圖所示。圖中，各物流節點都進行了標注，A代表空氣，W代表 水，各節點的壓力、溫度、流量、比煙如下表所示。該方案中，壓縮時間為8小時，膨脹時

20、 間為4小時。1-4級壓縮機的功率分別為的607 MW、3.907 MW、3.907 MW和3.914 MW, 1-3級透平的功率分別為5.564MW、5.591MW和5.552MW。試求：(1)該壓縮空氣儲能的 循環效率；(2)各壓縮機、透平和換熱器的嫻損失。習題3-19附圖某非補燃壓縮空氣儲能流程圖習題3.19附表某非補燃壓縮空氣儲能節點參數表節點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