壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力性能分析與優(yōu)化

姚少勇，孫勁飚，李可意，李 智，洪 楊

(1.國家能源集團(tuán)河北電力有限公司，河北 石家莊 050051；2.江蘇大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031；4.河北省電力勘測設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050031；5.華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，確保能源電力安全、滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展電力需求，我國大力推動(dòng)新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展。新能源電力系統(tǒng)具有靈活高效、智能友好、清潔低碳、開放互動(dòng)、安全可控等基本特點(diǎn)，然而新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展也存在著諸多問題，新能源發(fā)電并網(wǎng)具有間接性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，需要提高電網(wǎng)的靈活性，加重了火電機(jī)組調(diào)峰任務(wù)，不利于火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

儲(chǔ)能技術(shù)是解決火電機(jī)組調(diào)峰的一項(xiàng)關(guān)鍵措施，其中壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)在其安全穩(wěn)定性和儲(chǔ)能效率上具有一定優(yōu)勢，但是由于空氣的密度較低，導(dǎo)致系統(tǒng)效率難以進(jìn)一步提升，有學(xué)者提出使用二氧化碳作為工質(zhì)可有效提升系統(tǒng)整體效率，國內(nèi)外諸多學(xué)者都參與了研究，并發(fā)表了重要成果。

在國內(nèi)方面，韓中合[1]等提出了在耦合太陽能的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能與壓縮二氧化碳儲(chǔ)能在不同運(yùn)行方式下對(duì)比二者工質(zhì)的不同，結(jié)果表明使用二氧化碳作為工質(zhì)在電能輸出時(shí)比空氣的儲(chǔ)能效率高；郝佳豪[2]等介紹了典型二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并表明壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)在未來新型電力市場中有巨大的發(fā)展?jié)摿?；冉鵬[3]等將超臨界二氧化碳與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合，對(duì)冷熱電聯(lián)供進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，所提出的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好，并且循環(huán)效率較高；嚴(yán)曉生[4]等提出了將壓縮二氧化碳系統(tǒng)與火電機(jī)組進(jìn)行耦合的方案，經(jīng)過熱力學(xué)計(jì)算選出了耦合的最佳方案，有效提高了機(jī)組的調(diào)峰能力；趙攀[5]等采用液壓活塞的方式提出了具備近似等溫等壓的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析，通過計(jì)算得出了系統(tǒng)的效率，熱效率和能量密度等重要參數(shù)，對(duì)后續(xù)壓縮二氧化碳儲(chǔ)能的研究起到了重要的實(shí)驗(yàn)作用。

在國外方面，Liu[6]等采用了一種考慮到各部件相關(guān)聯(lián)性的先進(jìn)?分析方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)?分析方法來分析一種新型跨臨界壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)果表明，傳統(tǒng)?分析方法可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員造成誤導(dǎo)，先進(jìn)?分析方法結(jié)果更實(shí)用；Zhang[7]等提出了一種低溫液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)存的方式，提高系統(tǒng)儲(chǔ)存密度，通過計(jì)算得出結(jié)論，無論泵出口壓力和壓比如何變化，?損失最大的部件主要來自于壓縮機(jī)和回?zé)崞?；Zhang[8]等提出了一種跨臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能，分析結(jié)果表明，跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能比先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能效率略低，但是比液態(tài)二氧化碳的系統(tǒng)高4.05%，能量密度是壓縮空氣儲(chǔ)能的2.8倍，是具有很大潛力的儲(chǔ)能技術(shù)；He[9]等提出了一種與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過熱力學(xué)計(jì)算得出與未耦合的原有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相比，改進(jìn)后的系統(tǒng)性能更優(yōu)。

本文將壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，將工質(zhì)替換為二氧化碳，并且通過熱力學(xué)分析，計(jì)算出系統(tǒng)在改動(dòng)前后的循環(huán)效率、能量密度以及換熱效率等參數(shù)來評(píng)價(jià)兩種工質(zhì)的性能。

1 系統(tǒng)描述

本文將壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)中的不同工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，氣體工質(zhì)為空氣與二氧化碳，采用四級(jí)壓縮機(jī)，四級(jí)膨脹機(jī)，使用循環(huán)水吸收工質(zhì)壓縮產(chǎn)生熱量并儲(chǔ)存起來，膨脹時(shí)為工質(zhì)做功提供所需熱量，為確保工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)膨脹機(jī)的壓力穩(wěn)定，采用節(jié)流閥控制。為了便于對(duì)比，當(dāng)系統(tǒng)以空氣作為介質(zhì)時(shí)，壓縮機(jī)入口處空氣壓力選取和二氧化碳相同的壓力值為0.6 MPa。

如圖1所示，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程中，環(huán)境中的空氣通過加壓到0.6 MPa后進(jìn)入壓縮機(jī)組進(jìn)行逐級(jí)壓縮(1-2，3-4，5-6，7-8)過程以及多級(jí)間冷卻(2-3，4-5，6-7)過程，其中換熱器從左到右編號(hào)依次為A1、A2、A3，經(jīng)過壓縮后的空氣儲(chǔ)存到高壓儲(chǔ)氣室中；系統(tǒng)在釋能過程中，空氣從高壓儲(chǔ)氣庫流經(jīng)節(jié)流閥(10-11)后，進(jìn)入膨脹機(jī)組主機(jī)膨脹(11-12，13-14，15-16，17-18)過程以及多級(jí)間加熱(12-13，14-15，16-17)過程，其中換熱器從左到右編號(hào)依次為B1、B2、B3，經(jīng)過膨脹后的空氣排出到環(huán)境中。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)圖

圖2為壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中M表示電動(dòng)機(jī)、G表示發(fā)電機(jī)、C1-C4表示4個(gè)壓縮機(jī)、T1-T4表示4個(gè)膨脹機(jī)、HS表示高壓儲(chǔ)氣罐、LS表示低壓儲(chǔ)氣罐、HT表示儲(chǔ)熱罐、CT表示儲(chǔ)冷罐。與壓縮空氣不同點(diǎn)在于需要新增一個(gè)低壓儲(chǔ)氣罐，由于二氧化碳屬于溫室氣體，如果排放到大氣當(dāng)中不符合碳中和碳達(dá)峰的目標(biāo)[10]。

圖2 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)圖

圖3 系統(tǒng)換熱器做功參數(shù)

2 壓縮氣體儲(chǔ)能熱力學(xué)模型

為研究壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)模型需要對(duì)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行建模，為簡化分析將列出如下假設(shè)：

1)工作條件為穩(wěn)態(tài)；

2)忽略各部件的熱損和摩擦損失；

3)未考慮管道中工質(zhì)的壓降和能耗[11]；

4)假定閥門出口壓力恒定溫度恒定；

5)未考慮發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)上述假設(shè)對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)部件進(jìn)行建模，詳細(xì)模型如下。

2.1 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)的等熵效率

式中：η表示等熵效率；h為焓值；下標(biāo)c表示壓縮機(jī)；下標(biāo)o和i分別表示出口和入口；下標(biāo)s表示等熵過程。

本文中提到的系統(tǒng)有四級(jí)壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)所需的電力來自于電網(wǎng)多余的電量，各級(jí)壓縮機(jī)的功率為：

2.2 換熱器模型

本系統(tǒng)中包含3個(gè)中間冷卻器和3個(gè)加熱器。換熱器的熱平衡方程為：

2.3 膨脹機(jī)模型

膨脹機(jī)的等熵效率：

式中：下標(biāo)t表示膨脹機(jī)。

膨脹機(jī)的功率為：

2.4 儲(chǔ)罐模型

與壓縮空氣不同，二氧化碳作為工質(zhì)有兩個(gè)儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐為絕熱，工質(zhì)等壓儲(chǔ)存。因此儲(chǔ)罐進(jìn)出口工質(zhì)流體的基本參數(shù)相同。二氧化碳作為工質(zhì)是與外界環(huán)境無質(zhì)量交換，故在系統(tǒng)充放電過程中質(zhì)量守恒，質(zhì)量平衡方程為：

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文將采用以下幾種參數(shù)作為衡量系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。

1)系統(tǒng)循環(huán)效率

系統(tǒng)循環(huán)效率是指系統(tǒng)釋能過程中輸出功比系統(tǒng)儲(chǔ)能過程中輸入功：

式中：ηret為循環(huán)效率。

2)系統(tǒng)換熱效率[12]

系統(tǒng)中換熱效率用來衡量系統(tǒng)熱量的利用率，其定義為系統(tǒng)在釋能過程中循環(huán)水通過換熱器對(duì)氣體輸出的熱量與儲(chǔ)能過程中循環(huán)水通過換熱器吸收氣體熱量的比值：

3)系統(tǒng)儲(chǔ)能密度[13]

系統(tǒng)的能量儲(chǔ)存密度可以定義為系統(tǒng)單位儲(chǔ)存容量所產(chǎn)生的能量：

式中：ρ為儲(chǔ)能密度；Vs為氣體儲(chǔ)存體積，可看作儲(chǔ)罐體積。

3 系統(tǒng)熱力學(xué)建模與分析

3.1 初始參數(shù)

本文將分別對(duì)工質(zhì)為空氣與二氧化碳進(jìn)行熱力學(xué)分析，表1為空氣與二氧化碳的初始參數(shù)，根據(jù)參數(shù)對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。

表1 壓縮二氧化碳/空氣系統(tǒng)初始參數(shù)

3.2 熱力學(xué)分析

本文使用thermoflow軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過給出的工質(zhì)初始狀態(tài)參數(shù)模擬得出系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)，根據(jù)得出的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算出各壓縮機(jī)耗功和各膨脹機(jī)做功數(shù)值。如表2，表3所列，可以看出壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功總和要低于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)做功總和高于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。由此可以看出，當(dāng)以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗功減少，系統(tǒng)膨脹做功總量增加。

表2 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)各壓縮機(jī)耗功和膨脹機(jī)功率

表3 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)各壓縮機(jī)耗功和膨脹機(jī)功率

圖3為壓縮空氣和壓縮二氧化碳的儲(chǔ)能側(cè)與釋能側(cè)換熱器做功對(duì)比圖，可以看出以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)，壓縮側(cè)各換熱器所做的功均高于以空氣作為工質(zhì)時(shí)壓縮側(cè)換熱器所做的功。膨脹側(cè)各換熱器做的功依然是壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)高于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。所以當(dāng)以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)，循環(huán)水吸收壓縮機(jī)壓縮二氧化碳所產(chǎn)生的壓縮熱更多，循環(huán)水提供給膨脹側(cè)二氧化碳的熱量更多。

根據(jù)表4可以看出壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：循環(huán)效率為66.01%，換熱效率為80.66%，儲(chǔ)能密度為12.49 kWh/m3。根據(jù)表5可以看出壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：循環(huán)效率為65.46%，換熱效率為53.32%，儲(chǔ)能密度為11.58 kWh/m3。由此可以得出當(dāng)系統(tǒng)以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)，以電換電效率略高于空氣，壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱能夠更多的被膨脹側(cè)二氧化碳利用，儲(chǔ)能密度也略高于空氣。

表4 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)性能指標(biāo)

表5 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能指標(biāo)

通過對(duì)兩種不同工質(zhì)的對(duì)比可以看出，當(dāng)系統(tǒng)以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于空氣，故壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)有很大的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

本文基于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行中提出了兩種不同工質(zhì)的方案，并且分別對(duì)兩種方案分析和討論了熱力性能，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)二者進(jìn)行了定論，得出的結(jié)果如下：

1)兩種工質(zhì)初始條件相同的情況下，壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率略高于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2)壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的換熱效率遠(yuǎn)高于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3)壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度略高于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。