500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)建模仿真

賈明祥，駱貴兵，舒 進(jìn)，都勁松，陳 坤，劉麗春

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近年來(lái)，各類儲(chǔ)能技術(shù)大力發(fā)展，壓縮空氣儲(chǔ)能以其儲(chǔ)能容量大、電能轉(zhuǎn)換效率高、安全可靠等特點(diǎn)被視為一種極具潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)對(duì)可再生能源接入和電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)以及保障電力系統(tǒng)安全具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要補(bǔ)充化石燃料，排放有一定的污染。國(guó)外投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的儲(chǔ)能電廠需要天然氣的補(bǔ)燃才能達(dá)到一定循環(huán)效率，該系統(tǒng)有專門的燃燒室，也有溫室氣體排放[2-4]。德國(guó)Huntorf電站補(bǔ)燃條件下電站循環(huán)效率可達(dá)到42%，美國(guó)McIntosh 電站在補(bǔ)燃條件下的系統(tǒng)總效率可達(dá)到54%，但是非補(bǔ)燃條件下2 個(gè)電站系統(tǒng)總效率低于20%。非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠用在消納可再生能源、削峰填谷、電廠黑啟動(dòng)、增加電力系統(tǒng)的靈活性、節(jié)能減排等方面[3-6]。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的負(fù)荷平衡，提高電網(wǎng)的可靠性與穩(wěn)定性，還可以提高火電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率，增強(qiáng)電網(wǎng)的輸電能力，也可作為工業(yè)節(jié)能、應(yīng)急電源的關(guān)鍵支撐技術(shù)[7-9]。

目前，我國(guó)已經(jīng)在安徽蕪湖成功開發(fā)搭建了500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能發(fā)電示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)在試驗(yàn)階段已實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁發(fā)電。對(duì)該500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能發(fā)電示范系統(tǒng)建模仿真，分析各環(huán)節(jié)的能量損耗，有利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及針對(duì)性地提高系統(tǒng)效率。

1 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站在儲(chǔ)能時(shí)充分利用各階段壓縮所產(chǎn)生的熱量，將其儲(chǔ)存在蓄熱裝置內(nèi)。在釋能時(shí)利用壓縮產(chǎn)生的熱進(jìn)一步加熱儲(chǔ)氣裝置的空氣，被加熱的高壓空氣再進(jìn)入透平中膨脹做功[10-12]，圖1 為非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理。

圖2 和圖3 分別為非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)介質(zhì)控制狀態(tài)示意。由圖2 和圖3 可見(jiàn)，非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)分為充電系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、放電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等[13-16]。

本文搭建的500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)采用五級(jí)間冷活塞式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)級(jí)間的排氣溫度為150 ℃，排氣壓力為10 MPa。其中回?zé)嵯到y(tǒng)由常溫、中溫、高溫水罐、水泵以及換熱器等部件組成，儲(chǔ)熱介質(zhì)為加壓水。儲(chǔ)氣系統(tǒng)由2 個(gè)容量50 m3的鋼結(jié)構(gòu)壓力儲(chǔ)氣罐組成，共可以貯存100 m3的氣體。透平發(fā)電系統(tǒng)包括空氣透平、減速器和發(fā)電機(jī)等?？諝馔钙讲捎萌?jí)同軸布置，級(jí)間有再熱循環(huán)，空氣透平的轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，通過(guò)減速器將其轉(zhuǎn)速減至1 500 r/min后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。

2 500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 壓縮過(guò)程模擬仿真

500 kW 儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮過(guò)程采用5 級(jí)壓縮，每級(jí)壓縮機(jī)后設(shè)置了1 臺(tái)換熱器，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后將熱量傳給換熱介質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)入下一級(jí)壓縮機(jī)。換熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)換熱器后升溫，各級(jí)壓縮機(jī)將壓縮熱收集后經(jīng)蓄熱環(huán)節(jié)儲(chǔ)存。工作介質(zhì)空氣逐級(jí)加壓后存入儲(chǔ)氣室，在發(fā)電時(shí)再對(duì)其加熱利用，其壓縮過(guò)程模型如圖4 所示。圖4 中工作介質(zhì)是空氣，換熱介質(zhì)是水，COMP 表示壓縮機(jī)，H 表示換熱器，箭頭表示物流方向。

2.2 膨脹過(guò)程模擬仿真

500 kW 儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹過(guò)程采用三級(jí)膨脹，3 臺(tái)膨脹機(jī)串聯(lián)，中間設(shè)置間冷換熱系統(tǒng)，用來(lái)吸收壓縮熱量。其膨脹過(guò)程模型如圖5 所示。圖5 中物流分為2 種，其中17、18、21、22、25、26 為工質(zhì)物流，19、20、23、24 為換熱介質(zhì)物流；另外配有3 臺(tái)膨脹機(jī)，用Turbine 表示，2 臺(tái)換熱器用H5 和H6表示。

2.3 模擬結(jié)果和試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

模擬時(shí)壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1 和表2。

表1 壓縮過(guò)程基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters in compression stage

表2 膨脹過(guò)程基礎(chǔ)參數(shù)Tab.2 Foundation parameters in expansion stage

系統(tǒng)壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程軸功率的模擬值和實(shí)際值對(duì)比分別如圖6 和圖7 所示。按照示范工程的介質(zhì)進(jìn)行模擬，各級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度嚴(yán)格按照實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。

由表1、表2 及圖6、圖7 可見(jiàn)，各級(jí)排氣溫度均存在偏差，原因在于模擬過(guò)程把空氣當(dāng)做理想氣體，導(dǎo)致理想密度與實(shí)際密度有一定的誤差。但是對(duì)于軸功率的影響較小，對(duì)比2 個(gè)軸功率，兩者的相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，在工程誤差允許范圍之內(nèi)。

由圖7 可見(jiàn)，一、二、三級(jí)膨脹過(guò)程軸功率模擬值分別比實(shí)際值多0.67 kW、低2.13 kW、低5.32 kW，所有模擬值與實(shí)際值的相對(duì)誤差小于3%，符合工程要求。二級(jí)和三級(jí)膨脹過(guò)程軸功率模擬值與實(shí)際值的差距大于一級(jí)，主要原因是模擬過(guò)程中的氣體采用的是理想氣體，并且假設(shè)空氣密度恒定不變，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中有氣體干濕度及密度變化的影響。

試驗(yàn)中充電時(shí)間為5.3 h，放電時(shí)間為1 h，電換電效率為32.87%，非補(bǔ)燃情況下能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了Huntorf 電站和McIntosh 電站的效率。

3 500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)系統(tǒng)?分析

?分析法可以兼顧能量的量和質(zhì)，全方面分析能量的數(shù)量與品質(zhì)，從而找到影響系統(tǒng)熱力學(xué)性能的重要因素[17-21]。采用?分析法對(duì)500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，通過(guò)計(jì)算得出系統(tǒng)各組成部分的?損，找到影響系統(tǒng)效率的主要部件，為系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行方式提供理論基礎(chǔ)。各部件?損計(jì)算方法如下。

壓縮機(jī)?損為

式中：Es,c為整個(gè)壓縮機(jī)的?損，kW；Ec,1為壓縮機(jī)入口空氣的?，kW；Ec,2為壓縮機(jī)出口空氣?，kW；Wc為壓縮機(jī)耗功，kW。

換熱器?損為

式中：Es,j為整個(gè)換熱器的?損，kW；Ej,1為換熱器進(jìn)口氣體的?，kW；Ej,2為換熱器出口氣體?，kW；Ej,3為換熱器進(jìn)口液體?，kW；Ej,4為換熱器出口液體?，kW。

膨脹機(jī)?損為

式中：Es,t為透平膨脹機(jī)的?損，kW；Et,1為進(jìn)入透平時(shí)氣體的?，kW；Et,2為排出透平時(shí)氣體的?，kW；Wt為透平對(duì)外做功，kW。

物流?的計(jì)算公式為

式中：H為物流的焓，kW；H0為物流在環(huán)境條件下的焓，kW；T0為環(huán)境溫度，K；S為物流的熵，kW/K；S0為物流在環(huán)境條件下的熵，kW/K。

500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)各部件?損見(jiàn)表3。

表3 500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)部件?損Tab.3 The component exergy loss of the 500 kW non afterburning compressed air energy storage system

五級(jí)壓縮機(jī)總?損為65.71 kW，五級(jí)換熱器總?損為49.37 kW，膨脹機(jī)總?損為97.04 kW。在五級(jí)壓縮過(guò)程中隨著壓縮級(jí)數(shù)的增加，壓縮機(jī)?損、換熱器?損逐漸降低。在三級(jí)膨脹中隨著膨脹級(jí)數(shù)的增加，?損逐漸增加。膨脹機(jī)的?損最大，換熱器?損最小。膨脹機(jī)的?損最大，主要是由機(jī)械損失、熱損失以及膨脹做功過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆損失導(dǎo)致的。根據(jù)不同部件的?損比較，優(yōu)化時(shí)可以首選膨脹過(guò)程進(jìn)行，優(yōu)先選用絕熱效率高的膨脹機(jī)來(lái)減少?損。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果與試驗(yàn)工程運(yùn)行數(shù)據(jù)基本一致，軸功率誤差均在2%以內(nèi)，模擬仿真方法正確可靠，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)。

2）500 kW 非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著壓縮級(jí)數(shù)增加，單級(jí)消耗軸功率逐漸減??；三級(jí)膨脹中從第一級(jí)到第三級(jí)，軸功率逐漸增加。

3）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)部件的?分析，得出膨脹機(jī)的?損最大，三級(jí)膨脹機(jī)的?損達(dá)到97.04 kW；壓縮過(guò)程?損低于膨脹過(guò)程，達(dá)到65.71 kW；換熱過(guò)程?損最小，為49.37 kW。對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)應(yīng)首先考慮膨脹過(guò)程，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最大限度減小其他過(guò)程不可逆損失的同時(shí)再使用效率高的膨脹機(jī)能夠有效增加系統(tǒng)綜合效率。同理，增加壓縮機(jī)效率、增強(qiáng)換熱器換熱效果都可以增加系統(tǒng)效率。

4）非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)電換電效率可達(dá)到33%左右，可以用于消納新能源，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻功能。若將該系統(tǒng)與其他新能源系統(tǒng)進(jìn)行耦合，利用棄風(fēng)棄光電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)綜合效率，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。