液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與高溫?zé)崴到y(tǒng)的耦合應(yīng)用研究

蘇苗印，汪慧

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州 310014）

0 引言

隨著用電負(fù)荷晝夜峰谷差日益擴(kuò)大，基于高峰負(fù)荷需求設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)火力發(fā)電廠很難長期在高轉(zhuǎn)化率下運(yùn)行，造成了大量的能源浪費(fèi)[1]。相較于傳統(tǒng)一次能源，可再生能源受天氣、地形等自然因素影響大，具有不確定性和不可預(yù)測性，接入電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)大規(guī)模惡性事故[2-3]。綜合我國能源結(jié)構(gòu)，大規(guī)模地推廣高效率、大容量的儲(chǔ)能技術(shù)，用于電力系統(tǒng)的削峰填谷和平抑波動(dòng)，對于提高電廠的靈活性及可再生能源的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用[4-5]。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用貫穿于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，由于容量密度和運(yùn)行費(fèi)用等原因，目前大范圍推廣應(yīng)用的只有空氣儲(chǔ)能技術(shù)和抽水蓄能技術(shù)[6]。液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不受地理?xiàng)l件限制，可利用現(xiàn)有低溫液化技術(shù)及現(xiàn)成設(shè)備，具有儲(chǔ)能密度高、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為近些年的研究熱點(diǎn)[7-8]。新型液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)靈活利用和匹配工質(zhì)的變化，與系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外能量聯(lián)產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，提高了系統(tǒng)的循環(huán)效率[9]。本文對液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)效率加以分析，提出了一種與高溫?zé)崴到y(tǒng)耦合應(yīng)用的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，既改善了系統(tǒng)循環(huán)效率又克服了系統(tǒng)對外部熱源的依賴。

1 空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理

液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)由 3個(gè)相互聯(lián)系的子系統(tǒng)組成：空氣液化儲(chǔ)存、空氣膨脹發(fā)電和空氣蓄冷換熱[10]。空氣液化儲(chǔ)存主要設(shè)備包括原料入口過濾器、壓縮機(jī)、冷氣機(jī)、制冷膨脹機(jī)、冷箱和貯槽；空氣膨脹發(fā)電主要設(shè)備包括低溫液體泵、汽化器和發(fā)電膨脹機(jī)；空氣蓄冷換熱主要設(shè)備包括蓄冷器和循環(huán)風(fēng)機(jī)。

構(gòu)成液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包含兩個(gè)過程[10]，如圖1所示。用電低谷時(shí)段的儲(chǔ)能過程：原料空氣過濾后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓，高壓氣體進(jìn)入制冷膨脹機(jī)降溫液化，低溫液空進(jìn)入貯槽暫時(shí)儲(chǔ)存，同時(shí)液化冷箱從蓄冷器獲取冷量；用電高峰時(shí)段的釋能過程：低溫液空經(jīng)液體泵增壓后，進(jìn)入汽化器加熱氣化，高壓空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電膨脹機(jī)輸出電能，同時(shí)液空氣化釋放的冷量傳遞給蓄冷器。

圖1 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)流程簡圖

2 系統(tǒng)循環(huán)效率分析

2.1 系統(tǒng)循環(huán)效率計(jì)算分析

液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能時(shí)耗電，釋能時(shí)發(fā)電，系統(tǒng)循環(huán)效率為釋能過程的凈輸出功與儲(chǔ)能過程的凈輸入功的比值[11]，如式1所示：

式中：

We——發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；

Wpum——液體泵消耗功率，kW；

Wcom——壓縮機(jī)消耗功率，kW；

T1——單周期內(nèi)儲(chǔ)能時(shí)間，h；

T2——單周期周期內(nèi)釋能時(shí)間，h；

ηtot——系統(tǒng)循環(huán)效率，%。

式(1)中，低溫液體泵耗功占總消耗相對較少，主要受低溫泵設(shè)備運(yùn)行效率影響。壓縮機(jī)耗功和空氣液化工藝、冷量回用效率等有關(guān)，是液化儲(chǔ)能系統(tǒng)提效研究的一個(gè)重要方向[11]，不在本文討論范圍。影響系統(tǒng)循環(huán)效率的另一個(gè)重要因素為膨脹發(fā)電機(jī)的輸出電量能力，假設(shè)不計(jì)設(shè)備機(jī)械損失，發(fā)電機(jī)輸出功率We為各級膨脹機(jī)膨脹功的總和，計(jì)算方法如式2[12]：

式中：

qm——進(jìn)膨脹機(jī)空氣質(zhì)量流量，kg/s；

πi——各級膨脹比，πi為各級壓力比P2i/P1i；

Ti——各級膨脹機(jī)空氣入口溫度，K；

ηi——各級膨脹機(jī)效率，%；

Rm——空氣氣體常數(shù)，J/(kg?K)；

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)；

n——膨脹發(fā)電機(jī)級數(shù)。

根據(jù)上式，從能源綜合利用角度提升液化儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的有效途徑為優(yōu)化每級膨脹發(fā)電機(jī)入口溫度Ti、各級膨脹比πi和級數(shù)n，其中各級膨脹比πi的n次連乘結(jié)果為總膨脹比π：

式中：

P11——進(jìn)首級膨脹機(jī)壓力，MPa；

P2n——出末級膨脹機(jī)壓力，MPa。

常規(guī)液化儲(chǔ)能工藝的膨脹機(jī)末級出口直接面向環(huán)境大氣排放，P2n取值接近大氣壓力，結(jié)合式2和式 3繪制一條首級入口壓力P11和系統(tǒng)循環(huán)效率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 膨脹機(jī)首級入口壓力與系統(tǒng)循環(huán)效率關(guān)系圖

提高首級入口壓力P11有助于提升系統(tǒng)循環(huán)效率ηtot，但效率增量效益隨著壓力的增加逐漸減緩，當(dāng)P11超過12 MPa以后，效率幾乎無多大變化。此外，當(dāng)前國內(nèi)外立式多級高壓低溫離心泵的最高操作壓力不超過12 MPa～15 MPa[13]，即膨脹機(jī)首級入口壓力同時(shí)會(huì)受限于低溫液體泵的增壓能力。

2.2 增溫提效方案

通過式2可知，膨脹機(jī)每級入口溫度Ti與發(fā)電機(jī)輸出功率We成正比關(guān)系，提高膨脹機(jī)入口溫度的主流應(yīng)用方案有：利用壓縮熱方案和利用外界余熱方案，前者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)冷熱聯(lián)動(dòng)耦合，后者與外界聯(lián)產(chǎn)耦合[14-15]。

2.2.1 系統(tǒng)內(nèi)壓縮熱利用方案

空氣壓縮產(chǎn)生大量熱，利用熱水收集此部分熱量于高溫罐內(nèi)，釋能階段用于加熱膨脹機(jī)每級入口空氣，供發(fā)電時(shí)增加電能輸出。冷卻后的水儲(chǔ)存在常溫罐，待儲(chǔ)能階段再次用于回收壓縮熱。壓縮熱方案借助常溫罐和高溫罐跨時(shí)間利用空氣壓縮能，增加膨脹機(jī)入口空氣內(nèi)能，達(dá)到優(yōu)化液化儲(chǔ)能循環(huán)效率的效果，方案流程見圖3[15]。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)壓縮熱利用方案

由于壓縮機(jī)等溫壓縮可以節(jié)省耗功，為保證壓縮過程充分冷卻，壓縮機(jī)排氣溫度應(yīng)合理控制[16]，一般不超過120 ℃。壓縮機(jī)排氣溫度受限意味著膨脹機(jī)入口空氣無法獲取高品質(zhì)熱源，如無外界熱源輸入，只能靠增加原料空氣量的擴(kuò)容方案提高發(fā)電量。

2.2.2 系統(tǒng)外余熱利用方案

利用系統(tǒng)外界廢熱或余熱加熱膨脹機(jī)每級入口空氣，熱源主要來自外系統(tǒng)的煙氣、廢汽或廢水余熱，方案流程見圖4。

利用余熱作為熱源可以使液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生更多的電力，對提高能源利用率和節(jié)能減排具有重大的意義[17-18]。但是余熱利用裝置受場地條件制約，可再生能源所處環(huán)境極少會(huì)存在富余工業(yè)余熱，且余熱本身也具有周期性和間斷性的缺點(diǎn)，較難和液化空氣儲(chǔ)能工藝系統(tǒng)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)[19]。

圖4 系統(tǒng)外余熱利用方案

3 電加熱與壓縮熱聯(lián)合方案

3.1 電加熱方案流程

為解決高溫?zé)嵩春蛨龅叵拗茊栴}，在利用內(nèi)壓縮熱方案基礎(chǔ)上，提出一種基于電加熱和壓縮熱聯(lián)合加熱的高溫?zé)崴到y(tǒng)方案，方案流程如圖5所示。高溫罐內(nèi)置電加熱器，儲(chǔ)能階段工作時(shí)，除了獲取壓縮熱外，熱水被電加熱器加熱到更高溫度，使釋能階段的膨脹機(jī)入口空氣獲取更多的熱源。

圖5 電加熱和壓縮熱聯(lián)合利用方案

3.2 電加熱方案計(jì)算分析

設(shè)電加熱器使熱水溫度升高ΔT，則電加熱提供的熱量ΔE如下式：

式中：

m——高溫罐中水的質(zhì)量，kg；

C——水比熱容，kJ/(kg?K)。

式中：

η'——膨脹過程對電熱能的利用效率，%。

由于液化過程涉及一系列復(fù)雜的流體換熱和物質(zhì)狀態(tài)變化過程，如壓縮、膨脹、制冷、蓄冷和液化儲(chǔ)存等，而電加熱能利用過程相對簡單得多，所以膨脹過程對電熱能的利用效率η'要遠(yuǎn)大于包含液化過程的原系統(tǒng)循環(huán)效率ηtot。利用電熱能后系統(tǒng)循環(huán)效率和電熱能輸入比例的關(guān)系如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)循環(huán)效率和電熱能占比關(guān)系圖

從曲線可以看出，提高電熱能輸入比例不僅有利于擴(kuò)大液化儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)容量，還有利于改善系統(tǒng)循環(huán)效率。假定每級膨脹比都一樣，每級膨脹機(jī)入口前復(fù)熱到首級入口溫度T1，不考慮其它損失，可得膨脹功We為[20]：

取總膨脹比π為定值，繪制出膨脹功和級數(shù) n之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。膨脹功與級數(shù)成正相關(guān)，膨脹機(jī)級數(shù)超過4級后，膨脹功的增效快速減緩。

圖7 膨脹功和膨脹機(jī)級數(shù)關(guān)系圖

3.3 電加熱方案研究應(yīng)用

實(shí)際上系統(tǒng)熱力計(jì)算過程較為復(fù)雜，影響電加熱量和加熱溫度的因素除去膨脹功和循環(huán)效率外，還受飽和水溫壓關(guān)系、級間熱量損失、設(shè)備換熱效率和設(shè)備運(yùn)行效率等因素影響[21-22]。為了便于計(jì)算，以下僅對幾個(gè)重要特征點(diǎn)的熱力參數(shù)進(jìn)行舉例說明：已知膨脹機(jī)首級入口壓力為12 MPa，4級等膨脹比膨脹發(fā)電，膨脹機(jī)運(yùn)行效率保持在85%，忽略其它阻力損失和傳熱損失。

無熱量回用方案作為比較基礎(chǔ)，壓縮熱和電加熱方案的膨脹功和系統(tǒng)循環(huán)效率增量比分別為：

式中：

匯總上述計(jì)算內(nèi)容，方案1為無熱量回用方案，方案2為壓縮熱方案，方案3為利用電熱和壓縮熱的方案，結(jié)果如表1所示。

表1 各方案主要參數(shù)比較

由表1可知，基于電加熱和壓縮熱聯(lián)合加熱的高溫?zé)崴到y(tǒng)方案，可有效提高液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的單機(jī)發(fā)電能力和系統(tǒng)循環(huán)效率，而且系統(tǒng)工藝簡單、易于控制，電加熱結(jié)構(gòu)成熟可靠，是一種較有價(jià)值的應(yīng)用方案。

導(dǎo)熱油作為有機(jī)熱載體，相較于熱水介質(zhì)，常壓下可以獲得很高的操作溫度，節(jié)省了水處理系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行能耗[23]，但導(dǎo)熱油比熱較小，火災(zāi)危險(xiǎn)性較高，物料初始投資成本高，選用時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際要求做技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合分析。

4 結(jié)論

本文以分析液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率為切入點(diǎn)，提出基于電加熱和壓縮熱聯(lián)合加熱的高溫?zé)崴到y(tǒng)方案，并對比計(jì)算了不同方案下的重要熱力參數(shù)，有如下結(jié)論：

1）液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究是儲(chǔ)能技術(shù)的熱門方向，值得大力推廣，但系統(tǒng)容量和效率問題限制了其適用范圍；

2）基于電加熱和壓縮熱綜合利用的高溫?zé)崴到y(tǒng)可使液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)增產(chǎn)提效和解決系統(tǒng)對外界熱源依賴的問題；

3）高溫?zé)崴到y(tǒng)和液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的耦合涉及一系列熱力過程，此文僅就重要特征參數(shù)做研究分析，成果可作為后續(xù)詳細(xì)性質(zhì)參數(shù)深入研究的依據(jù)。