基于有機(jī)朗肯循環(huán)及液化壓縮空氣儲能的新型耦合發(fā)電系統(tǒng)研究

胡立凱

(中國華電集團(tuán)有限公司天津分公司,天津 300203)

0 引言

隨著社會發(fā)展,能源問題不斷加劇,因能源使用引發(fā)的環(huán)境、社會問題也日益突出［1-3］。優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)、降低火電排放等對于我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)尤顯關(guān)鍵和緊迫［4］?？紤]中低溫余熱、廢熱在社會生產(chǎn)上所占巨大比例,在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方面具有巨大潛力［5-6］。目前國內(nèi)外對于中低溫?zé)崮芾米顝V泛的方式是有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電(organic rankine cycle,ORC)。

一方面,從有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀上看,多數(shù)研究都以熱源溫度、蒸發(fā)溫度等為變量進(jìn)行,但就實(shí)際熱源情況而言,此類研究存在很大局限性。因此,本文從降低冷凝溫度的新視角展開討論研究。

另一方面,液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)在接收站供給需求側(cè)時需要進(jìn)行汽化,這一過程將釋放大量冷量,高達(dá)830～860 kJ/kg［7］。目前傳統(tǒng)LNG再汽化工藝多使用海水直接將LNG冷能帶走使之汽化,不僅造成大量冷能損失,還會造成附近海域及接收站冷污染［8-9］。因此,合理利用液化天然氣作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)低溫冷源切實(shí)可行。

此外,為有效解決新能源發(fā)電并網(wǎng)引起的電網(wǎng)波動性、常規(guī)火電供需不平衡而導(dǎo)致的峰谷電力問題,有效解決目前電力“即發(fā)即用”弊端,積極建立儲能系統(tǒng)十分必要［10-11］?，F(xiàn)有儲能方式中壓縮空氣儲能因其綠色安全且具有儲能容量巨大、持續(xù)供電時間長等優(yōu)點(diǎn)［12］得到了發(fā)展應(yīng)用,但其劣勢是建立壓縮空氣儲能站依賴地質(zhì)條件,且占地面積大、能量密度較低,液化壓縮空氣儲能技術(shù)能夠有效解決這些問題［13-14］。

綜上分析,本文建立了基于有機(jī)朗肯循環(huán)及液化壓縮空氣儲能并充分利用LNG汽化冷能的新型耦合發(fā)電系統(tǒng)(ORC+LAES+LNG耦合系統(tǒng)),該系統(tǒng)能綜合利用壓縮空氣儲能熱能及LNG冷能,有效提高了有機(jī)朗肯循環(huán)、液化空氣儲能發(fā)電效率,有利于電力調(diào)峰。

1 耦合發(fā)電系統(tǒng)概況

如圖1所示,該系統(tǒng)可分為液化壓縮空氣子系統(tǒng)、壓縮熱回收子系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)子系統(tǒng)、液化天然氣冷卻子系統(tǒng)4個部分,其相互耦合,可實(shí)現(xiàn)冷熱能利用、儲能、調(diào)峰綜合效果。

圖1 ORC+LAES+LNG耦合系統(tǒng)

液化壓縮空氣子系統(tǒng)分為儲能階段和釋能階段,所采用的壓縮機(jī)為離心式空氣壓縮機(jī)［15］,利用電力驅(qū)動壓縮機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮,所需用電為低谷電及風(fēng)電、太陽能發(fā)電等調(diào)峰電力。采用雙級壓縮,并利用壓縮熱回收子系統(tǒng)中降溫后的導(dǎo)熱油引入壓縮熱回收器,分別將1、2級壓縮空氣冷卻。為提高空氣液化效果,將LNG引入耦合換熱器中,對壓縮后空氣進(jìn)行冷卻。冷卻后的壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫后產(chǎn)生液化壓縮空氣及氣態(tài)低溫空氣,經(jīng)氣液分離器對所得空氣進(jìn)行分離,低溫氣態(tài)空氣引入耦合換熱器對液化前空氣進(jìn)行冷卻,提高空氣降溫效果。液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵送至液化壓縮空氣儲罐中作為儲能用于電網(wǎng)調(diào)峰。

壓縮熱回收采用的介質(zhì)為導(dǎo)熱油,該導(dǎo)熱油適用最佳工作溫度區(qū)間為0～345 ℃,能符合壓縮空氣溫度及ORC蒸發(fā)器的換熱溫度要求。導(dǎo)熱油經(jīng)油泵被分為2條支路,分別回收液化壓縮空氣子系統(tǒng)中1級壓縮熱和2級壓縮熱,然后共同回到熱油儲罐,作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的熱源在蒸發(fā)器內(nèi)向有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)放熱,經(jīng)放熱冷卻后的導(dǎo)熱油進(jìn)入冷油儲罐。冷油儲罐中的導(dǎo)熱油作為冷卻介質(zhì)再次分別進(jìn)入壓縮熱回收器中對壓縮空氣進(jìn)行冷卻。

該耦合系統(tǒng)中有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電部分在用電高峰時啟動,系統(tǒng)中有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收來自高溫導(dǎo)熱油熱量并蒸發(fā),隨后進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行膨脹做功,膨脹機(jī)連接發(fā)電機(jī)對外輸出電力。做功后有機(jī)工質(zhì)乏汽進(jìn)入冷凝器,與LNG進(jìn)行換熱并被冷卻為液態(tài)工質(zhì)。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸收導(dǎo)熱油熱量,完成有機(jī)朗肯循環(huán)。

耦合系統(tǒng)中的液化天然氣冷卻子系統(tǒng)由LNG儲罐、LNG泵、切換閥門及3臺換熱器組成。在用電低谷期需要進(jìn)行液化壓縮空氣儲能,儲能時通過閥門切換,低溫LNG在耦合換熱器中對壓縮后的空氣進(jìn)行降溫冷卻,然后經(jīng)LNG-水換熱器與海水換熱成為氣態(tài)天然氣進(jìn)入管道供用戶側(cè)使用。在用電高峰期,經(jīng)過閥門切換,低溫LNG在冷凝器中對膨脹后的工質(zhì)乏汽進(jìn)行冷卻,使工質(zhì)冷凝為液態(tài),升溫后的LNG再經(jīng)過LNG-水換熱器與海水換熱后供用戶側(cè)使用。

2 耦合發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)模型

該耦合系統(tǒng)熱力學(xué)模型中,將導(dǎo)熱油的進(jìn)出口參數(shù)設(shè)為固定值,具體見表1。

表1 導(dǎo)熱油參數(shù)設(shè)定

液化壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作時,利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等電力驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行空氣壓縮。采用兩級壓縮中間冷卻壓縮方式,壓縮機(jī)采用離心式空氣壓縮機(jī)［15］,為使壓縮熱回收子系統(tǒng)中導(dǎo)熱油更好地回收壓縮空氣的兩級壓縮熱,設(shè)定參數(shù)需保證每1級壓縮空氣出口處的溫度相等。

1級壓縮空氣出口焓值:

(1)

式中:hin為空氣進(jìn)口焓值;hout1_ideal為經(jīng)1級壓縮后空氣焓值。

同理可得壓縮空氣2級出口焓值hout2。

根據(jù)初始設(shè)定的空氣進(jìn)氣量,可得導(dǎo)熱油質(zhì)量流量moil:

(2)

式中:mair為壓縮機(jī)入口空氣質(zhì)量流量;hair_out1為空氣在1級空氣壓縮機(jī)出口焓值;hair_in2為經(jīng)1級熱回收器冷卻后空氣焓值;hair_out2為空氣在2級空氣壓縮機(jī)出口焓值;hair_to_LNG為經(jīng)2級壓縮熱回收器冷卻后空氣焓值;hoil_in、hoil_out分別為導(dǎo)熱油進(jìn)壓縮熱回收器前、后焓值。

根據(jù)導(dǎo)熱油液態(tài)比焓隨溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合得:

(3)

(4)

式中:toil_in、toil_out分別為導(dǎo)熱油進(jìn)壓縮熱回收器前、后的溫度。

空氣在1、2級壓縮熱回收器放熱量Qair1、Qair2分別為

Qair1=mair(hair_out1-hair_in2)

(5)

Qair2=mair(hair_out2-hair_to_LNG)

(6)

空氣總壓縮熱Qair為

Qair=Qair1+Qair2

(7)

根據(jù)進(jìn)出口焓值情況,可求得空氣壓縮機(jī)耗功:

Wcomp1=mair(hair_out1-hair_in1)

(8)

Wcomp2=mair(hair_out2-hair_in2)

(9)

空氣壓縮機(jī)總耗功Wcomp:

Wcomp=Wcomp1+Wcomp2

(10)

現(xiàn)將空氣經(jīng)耦合換熱器降溫后節(jié)流過程視作前、后焓值不變的節(jié)流過程,根據(jù)設(shè)定節(jié)流后壓力,可求得節(jié)流后空氣干度x,因此節(jié)流后所獲得液化空氣量mliquid_air為

mliquid_air=mair(1-x)

(11)

在非儲能時段,儲能階段被加熱過的導(dǎo)熱油作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)熱源,LNG作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)冷源,來驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電?？紤]到低溫冷凝設(shè)定,選取丙烷作為有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)初始設(shè)定參數(shù)見表2。

表2 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)初始設(shè)定參數(shù)

由于系統(tǒng)本身復(fù)雜性,在建立該子系統(tǒng)熱力學(xué)模型時忽略了冷熱源泵耗功。

工質(zhì)質(zhì)量流量mfluid:

(12)

式中:hfluid_eva_in、hfluid_eva_out分別為工質(zhì)進(jìn)出蒸發(fā)器前、后的焓值。

工質(zhì)泵耗功Wpump:

Wpump=mfluid(hfluid_pump_out-hfluid_pump_in)

(13)

式中:hfluid_pump_in、hfluid_pump_out分別為工質(zhì)在工質(zhì)泵前、后焓值。

膨脹機(jī)輸出功Wexp:

Wexp=mfluid(hfluid_exp_out-hfluid_exp_in)

(14)

式中:hfluid_exp_in、hfluid_exp_out分別為工質(zhì)在膨脹機(jī)前、后焓值。

系統(tǒng)凈輸出功Wnet_ORC:

Wnet_ORC=Wexp-Wpump

(15)

系統(tǒng)熱效率ηth_ORC:

(16)

3 耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化

該耦合系統(tǒng)性能優(yōu)劣主要受系統(tǒng)輸入電量、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量及液化空氣獲得量影響。在對耦合系統(tǒng)進(jìn)行性能分析時所考慮的主要變量參數(shù)有壓縮熱所能提供的ORC蒸發(fā)溫度、壓縮空氣節(jié)流前壓力、節(jié)流前溫度及節(jié)流后壓力。

3.1 耦合系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素

由于丙烷臨界溫度為369.93 K,并不宜選取較高蒸發(fā)溫度,故本文分析時假定ORC系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為90 ℃,冷凝溫度為-125 ℃。另外,設(shè)定節(jié)流后液化空氣壓力為1 MPa,這樣既可使空氣得以溫降,又保證了液化空氣儲罐體積和承壓。壓縮空氣節(jié)流前壓力、溫度直接影響空氣液化量,是液化壓縮空氣發(fā)電量的關(guān)鍵影響因素。

由文獻(xiàn)［15］可知,系統(tǒng)節(jié)流前壓力對液化率影響明顯,但其規(guī)律并不是一成不變,具體影響規(guī)律還與節(jié)流前壓縮空氣溫度有關(guān)。在設(shè)定節(jié)流后液化空氣壓力為1 MPa時,耦合系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率變化情況如圖2所示。

圖2 電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前空氣壓力變化情況

在相同節(jié)流后壓力(1 MPa)下,耦合系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前壓縮空氣壓力而變化,由圖2可知,在節(jié)流前空氣溫度大于-140 ℃時,隨空氣壓力升高,系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率不斷升高;當(dāng)節(jié)流前空氣溫度低于-140 ℃時,隨空氣壓力升高,系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先升高、后逐漸下降趨勢。

系統(tǒng)節(jié)流前空氣溫度對液化率影響見圖3。

圖3 電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前空氣溫度變化情況

3.2 耦合系統(tǒng)性能計(jì)算

設(shè)定節(jié)流前的空氣溫度為-145 ℃,節(jié)流前的空氣壓力為4 MPa、節(jié)流后的空氣壓力為1 MPa,空氣流量為10 kg/s。根據(jù)設(shè)定參數(shù),可得有機(jī)朗肯循環(huán)及液化空氣儲能總輸出功率,從而得到電-電轉(zhuǎn)化效率。

對于ORC發(fā)電子系統(tǒng),根據(jù)設(shè)定參數(shù)(工質(zhì)為丙烷、蒸發(fā)溫度為90 ℃、冷凝溫度為-125 ℃),結(jié)合所建立熱力學(xué)模型,可得ORC系統(tǒng)發(fā)電效率為37.63%［16］。

通過調(diào)用NIST數(shù)據(jù)庫并計(jì)算可得圖1中壓縮空氣子系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),如表3所示。其中節(jié)點(diǎn)7處壓縮空氣干度x為0.297,節(jié)點(diǎn)8處液化空氣量為7.03 kg。

表3 液化壓縮空氣子系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)定參數(shù),ORC系統(tǒng)發(fā)電量Wnet_ORC為1549.4 kW,液化壓縮空氣系統(tǒng)發(fā)電量Wnet_air為3162.4 kW。

耦合系統(tǒng)總發(fā)電量Wnet為

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Wnet=Wnet_ORC+Wnet_air=4240.7 kW

(17)

整個系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功,即輸入電能Win為

Win=Wcomp1+Wcomp2=mair［(h2-h1)+(h4-h3)］

(18)

帶入數(shù)據(jù)可得Win為5182.4 kW。

整個ORC+LAES+LNG耦合系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率ε為

(19)

目前液化空氣儲能系統(tǒng)效率一般為60%左右［17］,本文所設(shè)計(jì)綜合系統(tǒng)效率高達(dá)81.8%,能夠達(dá)到如此高轉(zhuǎn)化效率的主要原因一是將壓縮熱和LNG冷能綜合利用到ORC發(fā)電系統(tǒng)中,顯著提高ORC系統(tǒng)發(fā)電效率;二是利用LNG汽化所釋放的高品位冷能來降低液化前空氣溫度,從而顯著提高空氣液化率。

4 結(jié)論

a.耦合系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前壓縮空氣壓力、溫度而變化,經(jīng)綜合分析,當(dāng)節(jié)流前空氣溫度為-145 ℃,節(jié)流前空氣壓力為4 MPa、節(jié)流后空氣壓力為1 MPa時,系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率相對最優(yōu)。

b.耦合系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前壓縮空氣壓力而變化,但變化趨勢受節(jié)流前空氣溫度影響,電-電轉(zhuǎn)化率隨節(jié)流前壓縮空氣溫度升高呈現(xiàn)不斷降低趨勢。

c.在設(shè)定參數(shù)下,所得儲能效率高達(dá)81.8%,明顯高于常規(guī)液化空氣儲能系統(tǒng)效率。其主要原因是該系統(tǒng)將壓縮熱和LNG冷能用來擴(kuò)大ORC循環(huán)溫差及降低液化前空氣溫度,從而顯著提高了系統(tǒng)電-電轉(zhuǎn)化率。