液氣蓄能與LNG 冷回收一體化初步研究

聶江穩(wěn)

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000）

引言

可再生能源在全球能源消費(fèi)中的份額為19%，到2050 年有可能達(dá)到100%。由于可再生能源的間歇性，需要儲能來平滑間歇性并轉(zhuǎn)移峰值負(fù)荷。在大規(guī)模儲能技術(shù)中，液-氣儲能（LAES）因其儲能密度大、無地理限制、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。一些研究表明[1]，將LAES 與外部冷/熱源集成可顯著提高LAES 效率。據(jù)研究[2]，LAES 中存在大量過量的壓縮熱。另一方面，LNG 釋放大量冷能，這是一種能源浪費(fèi)。本文通過布雷頓循環(huán)發(fā)電整合LAES 中的過剩壓縮熱與LNG 中的浪費(fèi)冷能（LAES-LNG）。整合后具有較高的往返效率，提高了LAES 在大型儲能技術(shù)中的競爭力。

1 LAES 與LNG 的集成

圖1 顯示了LAES-LNG 系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括基準(zhǔn)LAES、布雷頓循環(huán)和LNG 循環(huán)?；鶞?zhǔn)LAES由一個充氣循環(huán)和一個排氣循環(huán)組成。

圖1 LAES-LNG 系統(tǒng)示意圖

在非高峰時(shí)間，充氣循環(huán)產(chǎn)生液體空氣[3]：非高峰電力用于將環(huán)境空氣（狀態(tài)2）壓縮至高壓（狀態(tài)8），同時(shí)空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量儲存在熱油儲罐中；然后，通過在空氣排放循環(huán)中從液體空氣中回收的冷能將高壓空氣冷卻至低溫（狀態(tài)10）；最后，低溫空氣在低溫渦輪機(jī)中膨脹，部分空氣液化，儲存在液體空氣罐中。LNG 循環(huán)在任何時(shí)間（峰值或非峰值）工作，LNG 的冷能被回收并儲存在加壓丙烷儲罐。在高峰時(shí)間，空氣排放循環(huán)工作以發(fā)電：液態(tài)空氣（狀態(tài)24）被泵送至高壓，然后逐漸向丙烷和甲醇釋放冷能。

在高峰時(shí)間，布雷頓循環(huán)用于輔助發(fā)電的空氣排放循環(huán)[4]：從LNG 中回收的多余熱油和冷能分別作為布雷頓循環(huán)的熱源和冷源，氮?dú)庾鳛椴祭最D循環(huán)的工作介質(zhì)。

基線LAES（LAES）的往返效率定義為空氣放電循環(huán)中的輸出功率與空氣充電循環(huán)中的輸入功率之比。計(jì)算見式（1）：

式中：tdis為排氣時(shí)間；tch是充氣時(shí)間。

對于LAES-LNG，其往返效率定義為充氣循環(huán)和布雷頓循環(huán)中輸出功率之和與充氣循環(huán)中輸入功率之比。計(jì)算見式（2）：

直接膨脹液化天然氣循環(huán)中單位質(zhì)量液化天然氣發(fā)電量的計(jì)算公式為式（3）：

式中：mLNG是LNG 的質(zhì)量流量。

在與布雷頓循環(huán)耦合的LNG 循環(huán)中，單位質(zhì)量LNG 的發(fā)電量通過公式（4）計(jì)算[5]。

2 結(jié)果及討論

系統(tǒng)性能工作參數(shù)：渦輪和壓縮機(jī)的等熵效率分別為0.9 和0.89；低溫泵和低溫渦輪的等熵效率分別為0.7 和0.8；充氣壓力和排氣壓力均設(shè)定為12 MPa；LNG 汽輪機(jī)進(jìn)口壓力為12 MPa，天然氣輸送壓力為7 MPa；布雷頓水輪機(jī)進(jìn)口壓力固定在12 MPa，出口壓力可變。

2.1 LAES-LNG 的往返效率

圖2 顯示了LAES-LNG 與基線LAES 的比較。LAES-LNG 的往返效率高達(dá)0.72，比基線LAES 高出31%，在大型儲能技術(shù)中具有相當(dāng)?shù)母偁幜?。此外，隨著布雷頓汽輪機(jī)出口壓力的升高，LAES-LNG 的往返效率先升高后降低，在研究條件為2 MPa 情況下，LAES-LNG 存在最佳布雷頓汽輪機(jī)出口壓力。

圖2 不同布雷頓汽輪機(jī)出口壓力下LAES-LNG 和LAES 的比較

2.2 采用和不采用布雷頓循環(huán)的液化天然氣比發(fā)電量比較

利用液化天然氣發(fā)電的最簡單方法是在環(huán)境熱源加熱后直接膨脹高壓液化天然氣，而無需從液化天然氣中進(jìn)行冷回收。LNG 的冷能用于驅(qū)動布雷頓循環(huán)，LAES 中的多余壓縮熱作為熱源。圖3 顯示了液化天然氣擴(kuò)建和液化天然氣布萊頓之間單位質(zhì)量液化天然氣發(fā)電量的比較。液化天然氣擴(kuò)建產(chǎn)生的功率為8.5 kJ/kg，而液化天然氣布雷頓擴(kuò)建產(chǎn)生的功率高于80 kJ/kg。因此，LAES-LNG 可以顯著提高LNG 的發(fā)電量。此外，布雷頓汽輪機(jī)出口壓力較低有利于LNG發(fā)電。

圖3 使用和不使用布雷頓循環(huán)的液化天然氣比發(fā)電量比較

2.3 LAES-LNG 當(dāng)前配置中的浪費(fèi)冷能

在LAES-LNG 的當(dāng)前配置中，LNG 的冷能用于冷卻布雷頓循環(huán)中離開布雷頓渦輪機(jī)的氮?dú)猓坏蜏氐獨(dú)怆S后由布雷頓壓縮機(jī)壓縮至高壓（狀態(tài)39）。為了評估狀態(tài)39 下的氮?dú)馐欠袢跃哂杏袃r(jià)值的冷能，對其溫度和冷能量進(jìn)行分析，如圖4 所示。隨著布雷頓水輪機(jī)出口壓力的增加，氮?dú)鉁囟蕊@著降低至134K，冷量顯著增加。因此，仍有高品位的冷能需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。

圖4 LAES-LNG 當(dāng)前配置中的浪費(fèi)冷能

3 結(jié)論

將LAES 與LNG 整合：LAES 中的多余壓縮熱和LNG 的廢冷能用于驅(qū)動布雷頓循環(huán)發(fā)電。主要結(jié)論如下：

1）LAES-LNG 可實(shí)現(xiàn)約0.72 的高往返效率，與其他大型儲能技術(shù)（約0.7）相當(dāng)。因此，本文提出的方法是提高LAES 效率的有效途徑。

2）布雷頓汽輪機(jī)的出口壓力對LAES-LNG 的往返效率有顯著影響，實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能的最佳值為2 MPa。

3）與直接膨脹相比，布雷頓循環(huán)單位質(zhì)量的液化天然氣可以產(chǎn)生更多的功率。