吸收式制冷壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)性能分析

劉希鍇, 王 鼎, 劉仕楨, 張 荻

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 西安 710049)

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出,環(huán)境保護(hù)和能源安全問題越來越受到重視。開發(fā)可替代能源已經(jīng)成為我國能源結(jié)構(gòu)變革中可以實(shí)現(xiàn)的重要途經(jīng)之一。然而,可替代能源的發(fā)展也帶來了一些問題。其中,如何解決可替代能源并入電網(wǎng)所引起的波動(dòng)性、間歇性等問題成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。為了解決此問題,開發(fā)一種安全、經(jīng)濟(jì)的能源儲(chǔ)存技術(shù)成為重要方向之一[3-4]。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上解決了新能源發(fā)電的波動(dòng)性、間歇性等弊端,其中壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)技術(shù)是目前能解決上述問題的主要儲(chǔ)能技術(shù)[5-7]。但是,傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)依賴特殊的地理?xiàng)l件并需要使用化石燃料,導(dǎo)致傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)存在儲(chǔ)能效率和能量密度低等缺點(diǎn)。因此,眾多學(xué)者針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究改進(jìn)。Sun等[8]和李鵬等[9]提出了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)(AA-CAES),該系統(tǒng)利用熱儲(chǔ)存器來收集壓縮升溫過程中的熱量,并在對(duì)外做功時(shí)將儲(chǔ)存的熱量提供給低溫的高壓空氣,代替了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的化石燃料,并大大提高了系統(tǒng)的性能。Luo等[10]提出了超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能(SC-CAES)的概念,該技術(shù)是通過改變工質(zhì)的狀態(tài),使其達(dá)到超臨界狀態(tài),解決了大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)特殊地理環(huán)境依賴的問題。然而,空氣的臨界溫度較低,儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)低溫液態(tài)儲(chǔ)存方面面臨很大的挑戰(zhàn)。因此,可以考慮使用CO2作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工質(zhì)。

相對(duì)于空氣而言,作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的工質(zhì),CO2的臨界溫度在常溫附近,因此可以在常溫下儲(chǔ)存,且其儲(chǔ)能密度和安全性較高[11-12]。因此,使用CO2作為工質(zhì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)(CCES)被提出。何青等[13]針對(duì)跨臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮熱的回收再利用進(jìn)行了熱力學(xué)分析。劉易飛等[14]提出了一種利用太陽能壓縮CO2的儲(chǔ)能系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性分析。李玉平[15]揭示了CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)性能隨關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。吳毅等[16]對(duì)CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了熱力分析以及多目標(biāo)優(yōu)化。

然而,在傳統(tǒng)的壓縮CO2儲(chǔ)能技術(shù)中,儲(chǔ)能過程中壓縮CO2產(chǎn)生的熱量大部分儲(chǔ)存在冷卻水中,最后會(huì)被當(dāng)作余熱廢氣排放到環(huán)境中,造成了能量的浪費(fèi),且儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率難以得到提升。因此,筆者提出了一種結(jié)合吸收式制冷循環(huán)的壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)。首先,建立了一個(gè)結(jié)合氨水溶液的吸收式制冷循環(huán)的CO2儲(chǔ)能系統(tǒng),并使用Matlab建立了該系統(tǒng)的模型,并對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)模擬。最后,對(duì)該模型進(jìn)行參數(shù)分析以及多目標(biāo)優(yōu)化。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1為吸收式制冷循環(huán)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為該儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫-熵(T-s)圖。該系統(tǒng)的運(yùn)行主要由儲(chǔ)能過程和釋能過程2部分組成。儲(chǔ)能時(shí),常溫常壓的CO2從儲(chǔ)氣室中流出并進(jìn)入第一壓縮機(jī),將CO2增壓至冷凝壓力,增壓升溫后的CO2經(jīng)過熔融鹽儲(chǔ)熱裝置和水儲(chǔ)熱裝置后分流,冷卻后的部分CO2進(jìn)入冷凝器,并利用吸收式制冷循環(huán)提供的冷量冷凝為液態(tài)后,經(jīng)增壓泵增壓至儲(chǔ)存壓力,另一部分CO2進(jìn)入第二壓縮器,進(jìn)一步被壓縮至儲(chǔ)存壓力,升溫后CO2將熱量提供給吸收式制冷循環(huán)的發(fā)生器并將其作為驅(qū)動(dòng)力,發(fā)生器中的氨水溶液被不斷加熱后變成2部分,一部分是從濃溶液中蒸發(fā)出來的氨氣,另一部分變成氨水稀溶液,分離出的氨氣經(jīng)冷凝器冷凝為液態(tài)后,經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器換熱產(chǎn)生冷量。這部分冷量作為吸收式循環(huán)產(chǎn)生的冷量供給另一路的高溫CO2,之后氨氣進(jìn)入吸收器與氨水稀溶液混合成為濃溶液。另一方面,發(fā)生器中的稀溶液在與濃溶液換熱后,通過膨脹閥后降壓流入吸收器,在吸收器中與濃溶液混合,再通過增壓泵進(jìn)入熱交換器交換升溫后進(jìn)入發(fā)生器,完成整個(gè)循環(huán)。經(jīng)過發(fā)生器降溫后的CO2進(jìn)入冷凝器液化為液態(tài),這2部分增壓至儲(chǔ)存壓力的液態(tài)CO2經(jīng)混合器混合后進(jìn)入儲(chǔ)液罐保存,完成系統(tǒng)的儲(chǔ)能過程。釋能時(shí),液態(tài)的CO2從儲(chǔ)液罐中流出并進(jìn)入蒸發(fā)器中轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2,氣態(tài)CO2依次進(jìn)入水儲(chǔ)熱裝置和熔融鹽儲(chǔ)熱裝置,吸收儲(chǔ)能過程中儲(chǔ)存的熱量,升溫后的CO2進(jìn)入透平中膨脹做功,膨脹至常壓后降溫的CO2進(jìn)入冷卻器中被冷卻至常溫,最后進(jìn)入儲(chǔ)氣室,完成系統(tǒng)的釋能過程。

圖1 吸收式制冷循環(huán)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)

圖2 吸收式制冷循環(huán)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的T-s圖

2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析與數(shù)學(xué)建模

在對(duì)吸收式制冷循環(huán)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析前,進(jìn)行以下假設(shè)[17-18]:系統(tǒng)始終在穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行;給定壓縮機(jī)、透平和工質(zhì)泵的等熵效率;系統(tǒng)工質(zhì)在本系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)不會(huì)引起壓力損失;由于采取了良好的保溫措施,忽略管道、換熱器、熱水罐等裝置的熱量損失。

2.1 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上,結(jié)合質(zhì)量守恒和能量守恒定律建立本系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。

壓縮機(jī)的絕熱效率[4]為

(1)

式中:η為絕熱效率;h為焓,kJ/kg;下標(biāo)c、s分別表示壓縮機(jī)和等熵過程;下標(biāo)i、o分別表示進(jìn)口和出口。

Wc=qm,CO2·(hc,o-hc,i)

(2)

式中:W為耗功;qm,CO2為CO2質(zhì)量流量,kg/s。

透平的絕熱效率[4]為

(3)

式中:下標(biāo)t表示透平。

Wt=qm,CO2·(ht,i-ht,o)

(4)

本系統(tǒng)中所使用換熱器中冷熱流體交換的熱量可以利用能量平衡方程計(jì)算得到。

qm,hot(hhot,i-hhot,o)=qm,cold(hcold,o-hcold,i)

(5)

式中:qm為質(zhì)量流量,kg/s;下標(biāo)hot、cold分別表示換熱器熱端和換熱器冷端。

其中,由于第一壓縮器出口CO2溫度較高,因此第一級(jí)換熱器使用的循環(huán)介質(zhì)為熔融鹽,由質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%和40%的NaNO3和KNO3組成。根據(jù)質(zhì)量守恒及能量守恒定律,第一級(jí)換熱器內(nèi)工質(zhì)熔融鹽的放熱量Q為

Q=qm,saltcp,salt(Ti,salt-To,salt)

(6)

式中:cp為比定壓熱容,kJ/(kg·K);下標(biāo)salt表示熔融鹽。

本系統(tǒng)中CO2的分流比由冷凝器、蒸發(fā)器和發(fā)生器之間的能量守恒以及質(zhì)量守恒定律計(jì)算得到,使得主路CO2冷凝所需要的冷量能夠完全由吸收式制冷循環(huán)提供。

(7)

式中:Qcond1、Qevap2分別為單位時(shí)間內(nèi)冷凝器和蒸發(fā)器所需的熱量;qm,1為主路中的CO2質(zhì)量流量,kg/s;qm,2為支路中的CO2質(zhì)量流量,kg/s;qm,3為吸收式制冷循環(huán)中所需的制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;qm,4為發(fā)生器中的稀溶液質(zhì)量流量,kg/s;qm,5為發(fā)生器中的濃溶液質(zhì)量流量,kg/s。

定義本系統(tǒng)中的CO2分流比x為

(8)

2.2 系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率定義為總輸出功與總輸入功之比,在本系統(tǒng)中儲(chǔ)能效率ηsys為

(9)

式中:WP為增壓泵耗功;tchar為儲(chǔ)能時(shí)間;tdischar為釋能時(shí)間。

系統(tǒng)的能量密度[19]是反映儲(chǔ)能系統(tǒng)緊湊性的性能指標(biāo),可以表示為釋能階段系統(tǒng)凈輸出功與儲(chǔ)罐總儲(chǔ)存體積之比。

(10)

式中:ρEVR為系統(tǒng)的能量密度,kW·h/m3;V為儲(chǔ)罐體積;下標(biāo)H、L分別表示高壓儲(chǔ)罐和低壓儲(chǔ)罐。

(11)

式中:qm,d為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量流量,kg/s;h0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的焓,kJ/kg;s0、T0分別為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的熵和溫度;下標(biāo)j表示進(jìn)口或出口。

系統(tǒng)中部件k的損為

(12)

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)的初步仿真分析

在對(duì)所提出的結(jié)合吸收式制冷循環(huán)CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí),基本條件設(shè)置如下:儲(chǔ)能釋能時(shí)長均為1 h,CO2質(zhì)量流量為1 kg/s,兩級(jí)壓縮機(jī)等熵效率相等,其余參數(shù)設(shè)置如表1所示。在Matlab軟件中搭建了仿真模型,系統(tǒng)中各工質(zhì)的物性參數(shù)使用插件REFPROP查詢得到。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況

在設(shè)計(jì)工況下,吸收式制冷循環(huán)壓縮CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率約為65.57%,能量密度為0.138 kW·h/m3。表2和表3為該儲(chǔ)能系統(tǒng)各部件的狀態(tài)以及各節(jié)點(diǎn)工質(zhì)的熱力狀態(tài)。由表2可知,二級(jí)壓縮機(jī)在系統(tǒng)中耗功比例占比較小,這是由于二級(jí)壓縮機(jī)的主要作用是將分流的CO2進(jìn)一步壓縮至儲(chǔ)存壓力,將這一過程中產(chǎn)生的壓縮熱提供給制冷劑發(fā)生器并作為驅(qū)動(dòng)力,使制冷循環(huán)開始工作。另一方面,二級(jí)壓縮機(jī)的壓比相較于一級(jí)壓縮機(jī)較小,因此這部分壓縮機(jī)所產(chǎn)生的功耗在系統(tǒng)耗功中所占比例較小。此外,冷凝器1所需冷量與蒸發(fā)器2產(chǎn)生的冷量相同。這是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所設(shè)計(jì)的吸收式制冷循環(huán)所提供的冷量全部用于主路CO2的冷卻,因此制冷循環(huán)提供的冷量會(huì)根據(jù)CO2分流比產(chǎn)生變化,從而影響到吸收式制冷循環(huán)中制冷劑的流量設(shè)計(jì)值。同時(shí),制冷循環(huán)中制冷工質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的氨水溶液,其對(duì)于發(fā)生器開始工作時(shí)所需熱量有一定的要求,導(dǎo)致冷凝壓力、儲(chǔ)存壓力和CO2分流比的變化會(huì)影響制冷循環(huán)的正常運(yùn)行。但是,由于系統(tǒng)中壓縮機(jī)2的壓比較小,導(dǎo)致被壓縮后的CO2溫度較低,因此會(huì)將CO2分流比限制在較低的范圍內(nèi)。因此,本系統(tǒng)中儲(chǔ)存壓力、冷凝壓力、冷凝溫度以及壓縮機(jī)透平的等熵效率作為關(guān)鍵參數(shù)將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響。

表2 系統(tǒng)部件分析

Tab.2 Exergy analysis on system components

表2 系統(tǒng)部件分析

名稱輸入/kW輸出/kW損/kW壓縮機(jī)1390.92355.5335.39壓縮機(jī)230.4025.245.16透平328.03276.3651.67級(jí)間換熱器189.1388.340.79級(jí)間換熱器268.7566.502.25級(jí)后換熱器166.3738.2828.09級(jí)后換熱器288.3475.1613.18熱交換器0.280.050.23冷凝器10.180.140.04冷凝器210.58.222.28冷凝器30.090.020.07增壓泵10.040.030.01增壓泵20.100.090.01膨脹閥145.0745.040.03膨脹閥2734.47734.420.05蒸發(fā)器12.571.011.56蒸發(fā)器20.230.180.05吸收器0.280.050.23發(fā)生器1.000.890.11系統(tǒng)421.45276.36145.09

表3 系統(tǒng)部件熱力狀態(tài)參數(shù)

3.2 敏感性分析

圖3為儲(chǔ)存壓力對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度的影響。從圖3可以看出,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度與儲(chǔ)存壓力呈負(fù)相關(guān)。在本系統(tǒng)中,隨著儲(chǔ)能壓力的增大,二級(jí)壓縮機(jī)的壓比逐漸增大,使單位工質(zhì)消耗的壓縮功逐漸增加;而在能量釋放階段,CO2氣化后的溫度逐漸升高,導(dǎo)致級(jí)后換熱器1的熱流出口溫度提高,即CO2吸收的熱量相對(duì)于儲(chǔ)存的熱量有所下降,進(jìn)而透平的進(jìn)口溫度會(huì)隨著儲(chǔ)能壓力的增大有所降低,導(dǎo)致透平做功隨著儲(chǔ)能壓力的提高緩慢下降,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率逐漸降低,而能量密度隨著儲(chǔ)能壓力的提高逐漸減小。這是由于隨著儲(chǔ)能壓力的提升,儲(chǔ)液罐中CO2的密度逐漸減小,因此儲(chǔ)罐體積之和隨著儲(chǔ)能壓力的提升而增大。在透平做功逐漸減小和儲(chǔ)罐體積總和逐漸增大的共同作用下,能量密度隨著儲(chǔ)存壓力的提升逐漸減小。

圖3 儲(chǔ)存壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4為冷凝壓力對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度的影響。從圖4可以看出,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度與冷凝壓力呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S著冷凝壓力的提高,一級(jí)壓縮機(jī)的壓比逐漸增大,其出口CO2的溫度逐漸提升。這意味著系統(tǒng)儲(chǔ)存的熱量逐漸提高,即透平入口CO2的溫度逐漸升高,透平做功逐漸提升。雖然二級(jí)壓縮機(jī)的壓比有所下降,但由于流經(jīng)二級(jí)壓縮機(jī)的CO2質(zhì)量流量較小以及壓比變化幅度不大,因此其耗功降幅相對(duì)于一級(jí)壓縮機(jī)耗功的增幅來說影響很小。在兩者的共同作用下,儲(chǔ)能效率呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。此外,由于冷凝壓力提高,冷凝溫度逐漸提高,CO2所需冷量減少,可以降低系統(tǒng)制冷循環(huán)的壓力。能量密度隨著冷凝壓力的提高逐漸增大,這是由于隨著冷凝壓力的提升,儲(chǔ)液罐內(nèi)液態(tài)CO2的密度略減小,因此儲(chǔ)罐體積增幅較小,在透平做功逐漸增大的影響下,系統(tǒng)的能量密度隨著冷凝壓力的提升逐漸升高。

圖4 冷凝壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖5為壓縮機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度的影響。從圖5可以看出,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率與壓縮機(jī)等熵效率呈正相關(guān),而儲(chǔ)能密度則與其呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)殡S著壓縮機(jī)等熵效率的提升,壓縮機(jī)的耗功減少,壓縮機(jī)出口溫度有所下降,因此系統(tǒng)儲(chǔ)存的熱量減少,導(dǎo)致透平進(jìn)口溫度下降,因此透平做功減小。但是,透平做功降幅小于壓縮機(jī)耗功的降幅,在兩者共同作用下,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率逐步提升。而儲(chǔ)能密度隨著壓縮機(jī)等熵效率的提升而逐步減小,因?yàn)榈褥匦实淖兓粫?huì)對(duì)儲(chǔ)罐體積產(chǎn)生影響,而透平做功逐步下降,因此儲(chǔ)能密度隨著壓縮機(jī)等熵效率的提升而逐步下降。

圖5 壓縮機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6為透平等熵效率對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度的影響。從圖6可以看出,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度與透平等熵效率呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S著透平等熵效率的提升,透平的做功增加,而系統(tǒng)的耗功不變,因此系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率逐步提升。同樣地,儲(chǔ)能密度隨著透平等熵效率的提升而增大,因?yàn)榈褥匦实淖兓粫?huì)對(duì)儲(chǔ)罐產(chǎn)生影響,而透平做功逐步增大,因此儲(chǔ)能密度隨著透平等熵效率的提升而逐步增大。

圖6 透平等熵效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化

為了優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能,筆者利用Matlab中的多目標(biāo)優(yōu)化方法,將儲(chǔ)存壓力、冷凝壓力、壓縮機(jī)等熵效率和透平等熵效率5個(gè)性能參數(shù)作為決策變量,研究最佳的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度。5個(gè)優(yōu)化參數(shù)的取值范圍如表4所示。

表4 儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定范圍

圖7給出了多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果。理想點(diǎn)選擇為最大儲(chǔ)能效率與最大儲(chǔ)能密度的交點(diǎn)。由于儲(chǔ)能效率與儲(chǔ)能密度為負(fù)相關(guān),因此選擇與理想點(diǎn)距離最近的點(diǎn)作為本系統(tǒng)的最優(yōu)解(A),此處可取得最合適本系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度。

圖7 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

表5給出了選用最優(yōu)解時(shí)所對(duì)應(yīng)的各參數(shù)最優(yōu)解,以及相應(yīng)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度。其最優(yōu)儲(chǔ)能效率為68.70%,能量密度為0.153 kW·h/m3。

表5 儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 在設(shè)計(jì)工況下,系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為65.57%,儲(chǔ)能密度為0.138 kW·h/m3。系統(tǒng)中損最大的部件為透平,其次為壓縮機(jī)1和級(jí)后換熱器。

(2) 存在最佳的儲(chǔ)存壓力、冷凝壓力、壓縮機(jī)等熵效率和透平等熵效率,使得系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率最大,但增大儲(chǔ)存壓力不利于系統(tǒng)儲(chǔ)能效率的提高。

(3) 透平等熵效率和冷凝壓力的提高有利于提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度。

(4) 所提出的系統(tǒng)可以充分利用系統(tǒng)本身產(chǎn)生的熱量,并利用吸收式制冷循環(huán)提供部分所需的冷量,減少了對(duì)外部冷熱源的需求。通過對(duì)發(fā)生器熱源供給方式進(jìn)行優(yōu)化,本系統(tǒng)有進(jìn)一步提高儲(chǔ)能效率的潛力。

(5) 本系統(tǒng)最優(yōu)的儲(chǔ)能效率為68.70%,儲(chǔ)能密度為0.153 kW·h/m3。