壓縮空氣儲能系統(tǒng)余熱利用分析

王澤鵬，姚宇飛，陶永成，裴育峰，郭兆君

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

壓縮空氣儲能具有儲能容量大、建設(shè)成本低、儲能效率高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。目前，國內(nèi)自主開發(fā)及建設(shè)的壓縮空氣儲能示范電站大都采用非補(bǔ)燃、絕熱型式，即電站無外部熱源或其他能源，只接收電網(wǎng)供電用于驅(qū)動空氣壓縮機(jī)，壓縮過程產(chǎn)生的熱量通過儲熱介質(zhì)儲存，待釋能時(shí)加熱壓縮空氣，提高氣體的做功能力，進(jìn)而驅(qū)動氣輪發(fā)電機(jī)組對外供電。

壓縮和儲熱過程中存在大量散熱損失和加熱器端差能量損耗，膨脹發(fā)電時(shí)排氣溫度過高也存在一定的能量損失，這導(dǎo)致目前壓縮空氣儲能電站的效率不足70%。而儲電－放電周期結(jié)束后，儲熱系統(tǒng)仍剩余一部分熱量無法利用，以往工程都需要消耗廠用電和循環(huán)冷卻水，確保儲熱系統(tǒng)“歸零”，這也進(jìn)一步降低了壓縮空氣儲能電站的效率。因此，在目前壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的效率無法大幅度提高的情況下，盡可能回收利用壓縮電站的余熱是提高電站綜合效率[1]、降低運(yùn)營成本的有效途徑。

1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)余熱類型分析

典型非補(bǔ)燃，絕熱式壓縮空氣儲能原則性系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型非補(bǔ)燃，絕熱式壓縮空氣儲能原則性系統(tǒng)圖

空氣經(jīng)壓縮機(jī)升壓后儲存在儲氣裝置中，壓縮過程產(chǎn)生的熱量由低溫水帶走，升溫后的高溫水儲存在儲熱水罐中，完成儲能過程。當(dāng)系統(tǒng)釋能時(shí)，儲氣裝置中的高壓冷空氣經(jīng)高溫水重新加熱，隨后推動膨脹機(jī)做功發(fā)電，完成釋能過程。需要說明的是，為提高系統(tǒng)功率和效率，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)一般采用多級方案，換熱系統(tǒng)也相應(yīng)設(shè)置多級。

壓縮空氣系統(tǒng)余熱是指上述工藝流程中不能回收或無法回收的熱量。對于非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能電站，熱量全部來自于電力消耗，由壓縮過程余熱、膨脹過程余熱和充放電結(jié)束后的富余熱量組成。

1)壓縮過程余熱：空氣經(jīng)過壓縮機(jī)后溫度會大幅提高，這是由氣體絕熱壓縮升溫和能量轉(zhuǎn)換熵增過程放熱2個(gè)因素疊加引起的，大部分熱量經(jīng)氣－水冷卻器換熱后儲存在高溫?zé)崴拗?，剩余熱量除換熱器和管道的自然散熱損失外，低品位、不可利用的熱量經(jīng)循環(huán)冷卻水帶走并對大氣排放；

2)膨脹過程余熱：膨脹機(jī)排氣壓力需略高于大氣壓力，受透平級數(shù)和進(jìn)氣參數(shù)的影響，低壓缸排氣溫度一般高于環(huán)境溫度。與傳統(tǒng)火力發(fā)電的鍋爐排煙類似，排氣通過排氣筒直接排入大氣。為了降低空氣透平排氣阻力，這部分熱量一般無法進(jìn)一步利用，可以通過對系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，盡可能降低排氣溫度，減少余熱損失；

3)充放電結(jié)束后余熱：在壓縮空氣膨脹發(fā)電時(shí)，儲存的熱量全部用于加熱壓縮空氣。在理想氣體壓縮和膨脹過程中，儲存和吸收的熱量是相等的，但由于壓縮過程中存在電－熱轉(zhuǎn)換的熵增熱[2]，因此在膨脹機(jī)發(fā)出全部電量后，仍會有部分熱量未利用，以高溫?zé)峤橘|(zhì)(高溫?zé)崴?、熔鹽或?qū)嵊偷?形式儲存在儲熱水罐中。

壓縮過程產(chǎn)生的余熱是壓縮空氣儲能電站所有的熱量來源，在目前的常規(guī)工藝方案中，已實(shí)現(xiàn)較大程度回收利用，部分余熱未利用主要是由于利用成本較高、經(jīng)濟(jì)上不可行。而膨脹過程余熱受排氣壓力限制，無法進(jìn)一步設(shè)置換熱器進(jìn)行回收。因此，可回收的余熱只有充放電結(jié)束后余熱，這部分熱量品質(zhì)較高，熱源相對穩(wěn)定(每次充放電結(jié)束后都有)。常規(guī)系統(tǒng)方案是采用循環(huán)冷卻水降溫后回流至儲冷水罐，用于下一次空氣壓縮過程換熱。這種方式不僅沒有回收熱量，還需要消耗大量電能和冷卻水，存在較大浪費(fèi)。

2 余熱利用系統(tǒng)

本文主要研究以熱水為儲熱介質(zhì)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)余熱利用，該系統(tǒng)在常規(guī)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，優(yōu)化了儲熱系統(tǒng)，引入了電鍋爐采暖系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)。其中：儲熱系統(tǒng)以帶壓水作為儲熱介質(zhì)，通過提高水系統(tǒng)的壓力從而提高飽和溫度。初步設(shè)定工作壓力為1.6 MPa(a)，在50～190 ℃范圍內(nèi)循環(huán)儲、放熱過程中，能夠維持10 ℃以上的過冷度，確保儲熱系統(tǒng)不汽化；目前國內(nèi)壓縮空氣儲能電站大多建設(shè)在電網(wǎng)側(cè)，位置相對偏僻，集中供熱或化石能源供熱的難度和成本均較高，因此，推薦采用系統(tǒng)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定的電鍋爐采暖系統(tǒng)；蓄熱系統(tǒng)能夠解決儲能系統(tǒng)與熱用戶的供需時(shí)間不匹配問題，采用技術(shù)成熟的斜溫層蓄熱水罐儲存95 ℃高溫?zé)峋W(wǎng)水，實(shí)現(xiàn)間斷蓄熱、持續(xù)供熱。余熱利用系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 壓縮空氣余熱利用系統(tǒng)流程圖

余熱利用系統(tǒng)主要特點(diǎn)是將壓縮空氣儲能的換熱系統(tǒng)與廠區(qū)熱網(wǎng)系統(tǒng)耦合到一起，具體流程如下：當(dāng)系統(tǒng)放電結(jié)束后，儲熱水罐中的高壓熱水與常壓蓄熱水罐的冷水換熱后降溫至65 ℃，經(jīng)開式水冷卻器進(jìn)一步降溫至50 ℃后回到儲冷水罐中，蓄熱水罐底部的冷水加熱至95 ℃后回到常壓蓄熱水罐上部，待儲熱水罐中的高壓熱水用盡后，切斷壓縮空氣儲能換熱系統(tǒng)與余熱利用側(cè)的連接閥門，此時(shí)壓縮空氣儲能的換熱系統(tǒng)恢復(fù)至原始狀態(tài)，完成余熱回收流程。余熱回收系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 余熱回收系統(tǒng)流程圖

當(dāng)系統(tǒng)對廠區(qū)熱網(wǎng)供熱時(shí)，通過切換閥門開閉狀態(tài)，常壓蓄熱水罐的熱水加壓后直接進(jìn)入熱網(wǎng)系統(tǒng)放熱，冷卻后的熱網(wǎng)回水回到常壓蓄熱水罐的底部。待常壓蓄熱水罐中的熱水用盡后，關(guān)閉常壓蓄熱水罐系統(tǒng)管路，完成余熱利用流程。余熱利用系統(tǒng)流程如圖4所示。需要說明的是，當(dāng)常壓蓄熱水罐儲存的熱量不足以滿足熱網(wǎng)所需時(shí)，應(yīng)在谷電時(shí)期提前開啟電鍋爐直接供熱，暫時(shí)關(guān)閉常壓蓄熱水罐及其循環(huán)泵，以充分利用低谷電價(jià)，降低供熱成本。

圖4 余熱利用系統(tǒng)流程圖

3 余熱利用案例分析

某200 MW壓縮空氣儲能電站所在地的年平均溫度為6.7 ℃，大氣壓力0.093 MPa，每天調(diào)用一次，儲能時(shí)間8 h，釋能時(shí)間5 h。電站的主要系統(tǒng)配置原則如下：1)壓縮機(jī)采用雙線配置方案，每條線采用4級壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，末級壓縮機(jī)出口壓力最高12.4 MPa；2)儲氣裝置額定儲氣壓力為12 MPa，儲氣溫度40 ℃；3)膨脹機(jī)采用單線配置方案，高、中、低壓缸同軸串聯(lián)驅(qū)動200 MW發(fā)電機(jī)；4)儲熱系統(tǒng)采用高壓熱水為儲熱介質(zhì)，溫度變化范圍50～190 ℃。各級壓縮機(jī)進(jìn)出口空氣及儲熱參數(shù)見表1所列。

表1 各級壓縮機(jī)進(jìn)出口空氣及儲熱參數(shù)表

各級膨脹機(jī)進(jìn)出口空氣及放熱參數(shù)見表2所列。

表2 各級膨脹機(jī)進(jìn)出口空氣及放熱參數(shù)表

由表2可知，系統(tǒng)放電結(jié)束后，儲熱系統(tǒng)剩余熱量為222.7 GJ，折合儲熱水量約為408 t?？紤]到常壓蓄熱水罐中的熱水不能將儲熱系統(tǒng)的高壓熱水冷卻至50 ℃，需要采用循環(huán)冷卻水進(jìn)一步冷卻，因此，余熱量不能全部回收利用，儲熱系統(tǒng)可利用的余熱變化幅度為65～190 ℃，而熱網(wǎng)供回水溫度分別為95 ℃/60 ℃。經(jīng)過計(jì)算，常壓蓄熱水罐能夠儲存95 ℃熱網(wǎng)循環(huán)水量約為1 484 t，折合到24 h內(nèi)的平均流量為61.8 t/h。

該項(xiàng)目全廠供熱面積為2萬m2，采暖期室外計(jì)算溫度為-20.5 ℃，室外平均溫度為-7.8 ℃，供熱期176 d，綜合采暖熱指標(biāo)為180 W/m2，設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷為3.6 MW，平均熱負(fù)荷2.41 MW。熱網(wǎng)供/回水溫度按95 ℃/60 ℃計(jì)算，所需熱網(wǎng)循環(huán)水量最高為88.3 t/h，平均水量為61.3 t/h。按照常壓蓄熱水罐的蓄熱能力，能夠滿足平均熱負(fù)荷及以下工況的供熱需求，供熱初末期尚有富余，供熱中期需要啟動電鍋爐作為尖峰熱源。采暖期的熱負(fù)荷持續(xù)曲線如圖5所示。

圖5 采暖期熱負(fù)荷持續(xù)曲線圖

4 經(jīng)濟(jì)性分析

通過對余熱利用系統(tǒng)和常規(guī)電鍋爐供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，可以分析出實(shí)際運(yùn)行過程中哪種供熱方式更優(yōu)，經(jīng)濟(jì)性比較采用最小年費(fèi)用法，其計(jì)算式如下：

式中：NF為年費(fèi)用，萬元；f為固定費(fèi)用率，由資金回收系數(shù)f1、稅金費(fèi)用率f2、管理費(fèi)用率f3、保險(xiǎn)費(fèi)用率f4、大修費(fèi)用率f5、排污費(fèi)用率f6及其它費(fèi)用率f7構(gòu)成，綜合各種系數(shù)，統(tǒng)一取0.17；Z為設(shè)備總投資，萬元；U為年運(yùn)行費(fèi)用，萬元；U包含消耗的煤、水、油等原料費(fèi)用，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和人工成本。

電價(jià)按照谷電價(jià)格0.22元/kWh考慮，常規(guī)電鍋爐供熱系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)兩種方案的年費(fèi)用比較情況見表3所列。

表3 兩種系統(tǒng)方案的年費(fèi)用對比表

常規(guī)系統(tǒng)的設(shè)備投資包含電鍋爐及配套供熱系統(tǒng)；在余熱利用系統(tǒng)中，為確保壓縮空氣儲能機(jī)組不調(diào)用時(shí)也能夠具備供熱能力，需要設(shè)置同等容量的電鍋爐，同時(shí)配套建設(shè)換熱、蓄熱和供熱系統(tǒng)。在耗電量方面，常規(guī)系統(tǒng)需要考慮供熱期內(nèi)全部采用電鍋爐采暖和余熱冷卻系統(tǒng)的耗電量，而余熱利用系統(tǒng)僅需考慮尖峰供熱耗電量，余熱冷卻系統(tǒng)的耗電量大幅降低。由表3可知，余熱利用系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用明顯低于常規(guī)系統(tǒng)，能夠?yàn)閴嚎s空氣儲能電站大幅降低供熱成本。

5 結(jié)語

本文以某200 MW壓縮空氣儲能電站為例，通過余熱回收利用和供熱系統(tǒng)計(jì)算可以看出：1)當(dāng)處于供熱期的平均熱負(fù)荷及以下工況時(shí)，壓縮空氣儲能電站每天調(diào)用一次即可滿足當(dāng)日的供暖需求；2)在供熱初末期熱負(fù)荷較低時(shí)，電站的整體效率將有所降低，這主要是由于余熱不能完全由廠區(qū)供暖系統(tǒng)消耗，仍需采用循環(huán)冷卻水將其冷卻；3)在供熱中期，余熱能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的回收利用，電站效率達(dá)到最高。

余熱回收利用系統(tǒng)不能提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的電－電轉(zhuǎn)換效率，這主要是由于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)并沒有改變，壓縮機(jī)的耗電量和膨脹機(jī)的發(fā)電量也維持不變。而通過余熱回收利用可以降低廠用電，減少電站供熱成本，因此，從電站全廠角度考慮，綜合效率得到提高。