新型太陽能輔熱式CAES 系統(tǒng)熱力特性分析

張文成

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 310000）

近年來，以傳統(tǒng)化石能源為代表的能源生產(chǎn)和消費方式已經(jīng)不可持續(xù)，以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源正逐漸成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。而以風(fēng)光為首的可再生能源的不穩(wěn)定性給電網(wǎng)帶來極大沖擊，使得電網(wǎng)對新能源的接納能力不足，引起嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象[1]。因此，迫切需要高效大規(guī)模的儲能技術(shù)來解決風(fēng)能和太陽能的集成和調(diào)節(jié)問題。

目前，已有的儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液化空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和電池儲能等[2-3]。其中，壓縮空氣儲能具有工作時間長、容量大、響應(yīng)快和經(jīng)濟(jì)性能好的優(yōu)點。因此，壓縮空氣儲能技術(shù)是具有較大發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一[4-6]。但常規(guī)的CAES系統(tǒng)存在需要補(bǔ)燃、對大型儲氣室比較依賴、運(yùn)行效率低等問題。因此，國內(nèi)外學(xué)者從改變CAES 自身運(yùn)行工況與結(jié)構(gòu)，對其熱力循環(huán)過程進(jìn)行優(yōu)化，與其他技術(shù)進(jìn)行耦合等角度出發(fā)，提出了許多新型的CAES，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于太陽能輔熱的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，并對耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)AA-CAES 系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，新系統(tǒng)的儲能效率提升了9%，耦合儲能效率也提升了2%。文獻(xiàn)[8]提出了一種太陽能與壓縮空氣耦合的分布式能源系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)的變工況特性，并分析了熱力參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響。結(jié)果表明，該系統(tǒng)相對未經(jīng)耦合的傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率提高了1%。

綜上所述，本文提出了一種新型太陽能輔熱式CAES 系統(tǒng)，在太陽能輔熱的基礎(chǔ)下，將變壓比CAES系統(tǒng)與ORC 系統(tǒng)進(jìn)行了耦合；并對系統(tǒng)的熱力特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，揭示了釋能壓力、透平初溫和釋氣流量對系統(tǒng)熱力性能的影響規(guī)律。

1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，系統(tǒng)可分為4 個部分，按照空氣在系統(tǒng)中流經(jīng)的先后順序，分別是變壓比儲能子系統(tǒng)、太陽能輔熱子系統(tǒng)、釋能子系統(tǒng)和ORC 子系統(tǒng)。變壓比儲能子系統(tǒng)包括高壓壓縮機(jī)、低壓壓縮機(jī)及級間冷卻器；太陽能輔熱子系統(tǒng)包括太陽能集熱器、導(dǎo)熱油換熱器、導(dǎo)熱油循環(huán)裝置和儲油罐；釋能子系統(tǒng)包括高壓空氣透平和低壓空氣透平；ORC 子系統(tǒng)包括ORC 透平、蒸發(fā)器、冷凝器和泵。

圖1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)圖

1.2 系統(tǒng)熱力分析理論模型

壓氣機(jī)總功耗[9]為

式中:Wc為空氣壓氣機(jī)總耗功，kW；n為壓氣機(jī)總級數(shù)；ηc為壓縮機(jī)等熵效率；κ 為定熵指數(shù)；mc，i為第i級壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量，kg/s；R為氣體常數(shù)為第i級壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫度，℃；βc，i為第i級壓氣機(jī)壓比。

換熱器出口氣體溫度

儲氣室內(nèi)溫度與時間的關(guān)系為

式中:T為儲氣室內(nèi)部溫度，℃；m為流入儲氣室內(nèi)的氣體質(zhì)量，kg/s；min為流經(jīng)壓縮機(jī)的氣體質(zhì)量流量，kg/s；cp為氣體的定壓比熱容；cv為氣體的定壓比熱容；mout為流出儲氣室的氣體質(zhì)量流量，kg/s。

儲氣室內(nèi)壓力與時間的關(guān)系為[10]

式中：P為儲氣室內(nèi)氣體壓力，MPa；V 為儲氣室容積，m3；Tin和Tout為儲氣室入口氣體溫度和儲氣室出口氣體溫度，℃。

式中：ηs為太陽能集熱器效率；Qr為同一時段內(nèi)接收器得到的能量，W；QL為同一時段內(nèi)吸收器對周圍環(huán)境散失的能量，W；Ga為太陽輻照度，W·m-2；Aa為吸收器的開口面積，m2。

空氣透平做功總量

式中：Wt為空氣透平做功總量，J；m為壓氣機(jī)總級數(shù)；ηt為壓縮機(jī)等熵效率；λ 為定熵指數(shù)；mt，j為第j級壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量，kg/s為第j級空氣透平進(jìn)口空氣溫度，℃；βt，j為第j級空氣透平膨脹比。

ORC 透平輸出功率

式中:WORC為ORC 透平輸出功，kW；mORC為ORC 透平有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s為ORC 透平工質(zhì)進(jìn)口焓，kJ/kg為ORC 透平工質(zhì)出口焓，kJ/kg。

工質(zhì)泵耗功

式中:Wp為工質(zhì)泵耗功，kW為工質(zhì)泵工質(zhì)出口焓，kJ/kg為工質(zhì)泵工質(zhì)進(jìn)口焓，kJ/kg。

2 系統(tǒng)仿真模擬

本文采用 Aspen Plus 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，系統(tǒng)計算主要采用PENG-ROB 物性方法，循環(huán)水采用STEAMNBS 物性方法。其中空氣壓氣機(jī)采用Compr 模塊，空氣透平和ORC 透平采用Turbine 模塊；ORC 過程的工質(zhì)泵采用Pump 模塊；間冷器、過熱器、冷凝器和蒸發(fā)器均采用HeatX 模塊，混合器由模塊Mixer 進(jìn)行模擬，分流器由模塊FSplit 進(jìn)行模擬。在模擬過程中，作以下假設(shè)。

空氣為理想氣體，進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體溫度和壓力分別為環(huán)境溫度（298 K）和環(huán)境壓力（0.101 3 MPa）；

運(yùn)行狀態(tài)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；

各級壓縮機(jī)的壓縮比相等，各級空氣空氣透平的膨脹比相等；

忽略空氣在管路之間的壓力損失以及系統(tǒng)中各設(shè)備、管路的散熱損失；

忽略混合器和分流器中介質(zhì)的流動阻力。

3 系統(tǒng)熱力性能

3.1 初始參數(shù)

為定量描述變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)基本參數(shù)見表1。

表1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)參數(shù)選取

3.2 結(jié)果討論

變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)熱力性能的主要參數(shù)包括透平初溫、儲能壓力、釋能壓力等。下文研究這些參數(shù)變化對系統(tǒng)熱力性能的影響。

圖2 所示為釋氣流量1.365 kg/s，透平初溫611 K條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)和變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)輸出總功、太陽能輸入熱量隨釋能壓力變化的曲線。由圖2 可知，2 種系統(tǒng)的變化趨勢相同:當(dāng)釋能壓力在6~10 MPa 范圍內(nèi)，隨著釋能壓力的增大，兩系統(tǒng)輸出總功、太陽能輸入熱量均呈現(xiàn)遞增趨勢，且2 種運(yùn)行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)輸出總功、太陽能輸入熱量皆高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)。這是因為隨著釋能壓力增大，空氣透平膨脹比增大且變化量相同，空氣透平輸出功增大，與定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)相比2 種運(yùn)行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)即1-1 型和2-1 型釋能時間稍有增長，故變壓CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)空氣透平輸出功始終高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)；由于系統(tǒng)輸出總功為空氣透平輸出功和ORC 透平輸出功的復(fù)合函數(shù)，在系統(tǒng)中空氣透平輸出功相對ORC 透平輸出功有較大優(yōu)勢，所以由低壓空氣透平排氣溫度降低導(dǎo)致的ORC 透平輸出功減小量對系統(tǒng)輸出總功影響不大，從而使得系統(tǒng)輸出總功總體呈現(xiàn)上升趨勢[11-12]；另外，隨著釋能壓力增大，各級空氣透平溫度降低，為保證下一級空氣透平入口溫度保持不變，需要輸入更多的太陽能熱量[13]。

圖2 系統(tǒng)輸出總功，太陽能輸入熱量隨釋能壓力的變化

圖3 所示為釋氣流量1.365 kg/s，透平初溫611 K條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)和變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)能量效率、效率隨釋能壓力變化的曲線。圖4 所示為為釋氣流量1.365 kg/s，釋能壓力7 MPa 條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)和變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)輸出總功。太陽能輸入熱量隨透平初溫變化的曲線。對比圖3 可知，2 種系統(tǒng)的變化趨勢相同:當(dāng)釋能壓力在6~10 MPa 范圍內(nèi)，隨著釋能壓力的增大，兩系統(tǒng)能量效率效率均呈現(xiàn)遞增趨勢，且1-1 型和2-1 型系統(tǒng)能量效率效率皆高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)。這是由于隨著釋能壓力增大，系統(tǒng)輸出總功、太陽能輸入熱量和太陽能輸入均增加，在計算系統(tǒng)能量效率效率時，系統(tǒng)輸出總功變化量均大于太陽能輸入熱量和太陽能輸入，而壓縮機(jī)總功耗不變，所以能量效率及效率數(shù)值均增大[14]；另一方面，1-1 型和2-1 型系統(tǒng)太陽能輸入熱量和太陽能輸入變化量相對定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)較高，彌補(bǔ)了二者壓縮機(jī)功耗略高的問題，有效提高了系統(tǒng)能量效率、效率。由圖4 可知，當(dāng)透平初溫在500~625 K 范圍內(nèi)，隨著透平初溫的升高，兩系統(tǒng)太陽能輸入熱量。透平輸出功均呈現(xiàn)遞增趨勢，且1-1 型和2-1 型系統(tǒng)太陽能輸入熱量、透平輸出功變化量相對較大。這是由于透平進(jìn)氣溫度升高依靠輸入系統(tǒng)中的太陽能熱量的提高，且透平進(jìn)氣溫度升高使得空氣透平比功增加，導(dǎo)致空氣透平輸出功增大，與此同時ORC 子系統(tǒng)進(jìn)氣溫度不變導(dǎo)致ORC 透平輸出功保持不變。

圖3 系統(tǒng)能量效率，效率隨釋能壓力的變化

圖4 系統(tǒng)輸出總功，太陽能輸入熱量隨透平初溫的變化

4 結(jié)論

1）本文提出新型太陽能輔熱式CAES 系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)定壓比CAES 系統(tǒng)能量效率較低的問題，還通過利用太陽能對空氣透平進(jìn)行輔熱提高其入口空氣溫度，并在透平尾部加以O(shè)RC 子系統(tǒng)吸收余熱，使系統(tǒng)能量得到綜合有效利用，同時提高儲能效率和太陽能利用效率。

2）通過對系統(tǒng)熱力特性分析發(fā)現(xiàn):變壓比CAES+CSP+OR 系統(tǒng)和定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)熱力特性變化規(guī)律相同。隨著釋能壓力的增大，變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)和定壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)的能量效率、效率均增大；隨著透平初溫增加，兩系統(tǒng)能量效率、效率均升高；隨著釋氣流量的增大，兩系統(tǒng)的能量效率效率均減??；在不同運(yùn)行條件下，2種運(yùn)行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統(tǒng)即1-1型和2-1 型系統(tǒng)能量效率效率均基本相同。