儲(chǔ)能的低溫空氣分離系統(tǒng)熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性分析

摘要：為探索低溫空氣分離系統(tǒng)（ASU）進(jìn)行電力需求錯(cuò)峰運(yùn)行的可行性，將傳統(tǒng)空氣分離技術(shù)與液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)（LAES）結(jié)合，在谷電期先將富余空氣壓縮、液化、儲(chǔ)存，在峰電期將液態(tài)空氣作為精餾原料補(bǔ)充到精餾塔，以提高谷時(shí)壓縮用電負(fù)荷、降低峰時(shí)壓縮用電負(fù)荷。與傳統(tǒng)空氣分離系統(tǒng)相比，氧氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量為10165m3/h的低溫空氣分離儲(chǔ)能系統(tǒng)（ASU-LAES）可將壓縮能耗的20%由電網(wǎng)高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，年度用電成本可減少1.3%～6.8%。ASU-LAES系統(tǒng)的制氧單位壓縮能耗為0.349kW·h/m3，設(shè)備投資成本為4034.8萬(wàn)元，動(dòng)態(tài)回收期為4.6～5.2a。ASU-LAES方案可緩解電網(wǎng)高峰負(fù)荷用電壓力，充分利用峰谷分時(shí)電價(jià)政策優(yōu)勢(shì)，可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：空氣分離；液態(tài)空氣儲(chǔ)能；設(shè)備投資；動(dòng)態(tài)回收期

中圖分類號(hào)：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202409001 文章編號(hào)：0253-987X（2024）09-0001-10

Research on Thermodynamic and Economic Performance of

Air Separation Unit with Liquid Air Energy Storage

QIN Xiaoqiao1， TAN Hongbo1， WEN Na1， LIU Weiming2

（1. Department of Refrigeration and Cryogenic Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Shaanxi Blower （Group） Co.， Ltd.， Xi’an 710082， China）

Abstract：In this study， a combination of air separation unit and liquid air energy storage technology is employed to realize large-scale power demand management of a cryogenic air separation system. The surplus air is compressed， liquefied and stored during valley electricity periods， while the stored liquid air is directly recycled to the distillation column as raw material during peak electricity periods， thus increasing valley electricity consumption and decreasing peak electricity consumption. An air separation unit with liquid air energy storage （ASU-LAES） system producing oxygen with a standard state volume flow rate of 10165m3/h shifts the annual compression electricity consumption by 20% from peak periods to valley periods， resulting in a saving of 1.3%—6.8% per year on the electricity costs as compared to a conventional air separation system. The daily compression electricity consumption for oxygen production is 0.349kW·h/m3. The equipment investment is RMB 4 034.8×104. The dynamic payback period is 4.6—5.2a. The ASU-LAES system helps to reduce the peak power supply pressure of the power grid， takes advantage of the peak-valley electricity price policy， and brings economic benefits to the system.

Keywords：air separation; liquid air energy storage; equipment investment; dynamic payback period

空氣分離（ASU，簡(jiǎn)稱空分）廣泛應(yīng)用于冶金、石化、醫(yī)療等行業(yè)［1-2］，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供了重要支持。據(jù)推算，2020年中國(guó)ASU生產(chǎn)耗電量約為3936.2億kW·h［3］，在電力消耗中占據(jù)了相當(dāng)大的份額。行業(yè)用戶的用能需求與峰谷分時(shí)電價(jià)政策的時(shí)段劃分普遍存在沖突，然而，現(xiàn)今對(duì)于ASU項(xiàng)目負(fù)荷調(diào)節(jié)或成本管理的研究，很多仍然停留在設(shè)備變負(fù)荷運(yùn)行以避峰就谷的階段，或是依靠生產(chǎn)調(diào)度模型來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力十分有限［4-8］。

由于ASU技術(shù)和液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES）技術(shù)在工質(zhì)與能量方面高度匹配，因此可以借助LAES原理實(shí)現(xiàn)ASU大規(guī)模負(fù)荷管理，實(shí)現(xiàn)移峰不減產(chǎn)的目的。LAES是目前能夠?qū)崿F(xiàn)的大容量、中時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能技術(shù)之一，其可行性和可靠性已通過(guò)示范應(yīng)用得到有效驗(yàn)證。英國(guó)Highview公司于2012年建成了LAES中試示范裝置（裝機(jī)功率為350kW，發(fā)電量為2.5MW·h），于2018年投運(yùn)了世界首例LAES商業(yè)示范電站（5MW，15MW·h）。中科院理化所團(tuán)隊(duì)于2017年完成了100kW LAES示范平臺(tái)建設(shè)，該系統(tǒng)整體效率可達(dá)60%。國(guó)家電網(wǎng)于2018年在江蘇同里開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首個(gè)LAES試點(diǎn)項(xiàng)目（500kW，500kW·h）建設(shè)。2023年7月，由中綠中科負(fù)責(zé)的青海60MW，600MW·h LAES項(xiàng)目正式開(kāi)工，計(jì)劃于2024年整體并網(wǎng)發(fā)電。

近年來(lái)，集成LAES的空分技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Wang等［9］提出了一種兼具空分制氧、供熱、液氮儲(chǔ)能和發(fā)電功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)（10MW，80MW·h）的能量回收效率為39%，投資回收期約為5.7 a，可將45.7%的壓縮余熱供應(yīng)給外部，但在該系統(tǒng)中，ASU和LAES無(wú)法共用壓縮和預(yù)冷設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備投資高昂、系統(tǒng)布局復(fù)雜。He等［10］提出了一種集空氣分離和液態(tài)空氣儲(chǔ)能于一體的內(nèi)壓縮ASU裝置，將儲(chǔ)存的液態(tài)空氣送入主換熱器釋放冷量，之后推動(dòng)氣體膨脹機(jī)做功發(fā)電，最后排出系統(tǒng)。與傳統(tǒng)內(nèi)壓縮ASU相比，該裝置的電力成本降低了4.58%～6.84%，但無(wú)法回收潔凈的儲(chǔ)能空氣。在He等［3］提出的另一項(xiàng)儲(chǔ)能式空分裝置中，膨脹發(fā)電后的儲(chǔ)能空氣作為拉赫曼氣體循環(huán)送至精餾塔下塔，該裝置的日發(fā)電量為70.70～74.38MW·h，電力成本節(jié)約率為5.77%～7.65%?？赘Ａ郑?］研究了集成LAES的新型空分系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，基于分時(shí)電價(jià)建立了運(yùn)行電耗最小和生產(chǎn)成本最低的優(yōu)化模型，使儲(chǔ)能型空分系統(tǒng)的生產(chǎn)成本降低了14.29%。Kong等［11］針對(duì)集成LAES的聯(lián)產(chǎn)ASU系統(tǒng)的多產(chǎn)品確定性需求，開(kāi)發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)最大化LAES的調(diào)峰能力，使系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本最小化，在24 h內(nèi)，系統(tǒng)儲(chǔ)能過(guò)程耗電量增加了18.94%，釋能過(guò)程耗電量減少了20.59%，經(jīng)濟(jì)效益增加了9.51×103美元。Liu等［12］介紹了一種耦合液態(tài)空氣儲(chǔ)能的外壓縮ASU系統(tǒng)。其中，液態(tài)空氣的小部分直接進(jìn)入高壓塔補(bǔ)充冷量，其余部分氣化后或經(jīng)一次膨脹進(jìn)入高壓塔，或經(jīng)兩次膨脹進(jìn)入低壓塔。該系統(tǒng)的最大日發(fā)電量為22.3MW·h，電力成本節(jié)約率為5.13%，最小動(dòng)態(tài)投資回收期為5.5 a。然而，其采用的以空氣為中間換熱介質(zhì)的巖石填料床式蓄冷方式，不僅占地面積大，而且由于多次循環(huán)造成的冷量損失可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

總體而言，上述系統(tǒng)大多帶有發(fā)電環(huán)節(jié)，流程復(fù)雜且發(fā)電量難以利用。另外，目前針對(duì)儲(chǔ)能式空分系統(tǒng)的熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能的研究尚顯不足，難以為新建儲(chǔ)能式空分系統(tǒng)提供決策依據(jù)?；诖?，本文提出了一種低溫空分儲(chǔ)能（ASU-LAES）系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)增設(shè)易于啟停的活塞式空氣壓縮機(jī)（PAC）使壓縮空氣規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)而將富余空氣液化、儲(chǔ)存，在電網(wǎng)的高峰時(shí)期則直接回收儲(chǔ)能空氣參與精餾過(guò)程，從而降低系統(tǒng)對(duì)高峰期電力的需求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電力需求錯(cuò)峰管理。ASU-LAES系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷效果依賴于氣體產(chǎn)品生產(chǎn)和液態(tài)空氣制取，這是區(qū)別于傳統(tǒng)ASU調(diào)負(fù)荷技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)。本文分析了ASU-LAES系統(tǒng)的技術(shù)可行性，研究了系統(tǒng)的熱力學(xué)和特性以及投資成本和經(jīng)濟(jì)效益。

1 低溫空分儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

為了便于比較不同狀態(tài)下氣體的體積流量，本文將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101.325kPa）作為基準(zhǔn)，下述氣體體積流量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。本文以一套制氧規(guī)模為10000m3/h等級(jí)的ASU-LAES系統(tǒng)為例，采用Aspen HYSYS軟件搭建了穩(wěn)態(tài)流程模型。如圖1所示，ASU-LAES系統(tǒng)由ASU單元和LAES單元組成，通過(guò)ASU單元和LAES單元的配合運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)、儲(chǔ)能和釋能3種運(yùn)行模式的切換。在電網(wǎng)低谷時(shí)段，系統(tǒng)以儲(chǔ)能模式運(yùn)行：純化空氣首先被壓縮、預(yù)冷和增壓，大部分進(jìn)入精餾塔，以滿足氧氣生產(chǎn)需求；富余空氣則進(jìn)入LAES單元進(jìn)行液化、降壓、儲(chǔ)存。在電網(wǎng)高峰時(shí)段，系統(tǒng)以釋能模式運(yùn)行，液態(tài)空氣直接引入精餾塔，作為氧氣生產(chǎn)的原料，因此壓縮機(jī)的進(jìn)氣量減少、功率降低。在電網(wǎng)平時(shí)段，系統(tǒng)以常規(guī)模式運(yùn)行，其工作方式與傳統(tǒng)ASU系統(tǒng)相同，既不生產(chǎn)液態(tài)空氣，也不使用液態(tài)空氣參與精餾。

ASU-LAES系統(tǒng)常規(guī)模式的具體流程如下：潔凈空氣首先進(jìn)入離心式空氣壓縮機(jī)（CAC）和離心式空氣壓縮機(jī)冷卻器（CACC），分別進(jìn)行壓縮和級(jí)間冷卻，之后分流為3股：一股直接進(jìn)入主換熱器（MHX），冷卻后送入精餾塔高壓塔（HPC）的底層塔板；一股進(jìn)入MHX和增壓膨脹機(jī)1（BET1）膨脹端制冷；另一股在BET1、增壓膨脹機(jī)2（BET2）和MHX進(jìn)行增壓、膨脹和冷卻，兩股膨脹空氣混合后送入精餾塔低壓塔（LPC）。HPC頂部抽出的高純液氮和底部抽出的富氧液態(tài)空氣進(jìn)入過(guò)冷器（SC）過(guò)冷后節(jié)流到上塔壓力，隨后分別送入LPC的頂部和中上部。LPC頂部得到的氮?dú)猱a(chǎn)品、底部得到的氧氣產(chǎn)品和中上部引出的污氮?dú)庀群蠼?jīng)過(guò)SC和MHX復(fù)溫。氮?dú)猱a(chǎn)品中氮?dú)夥肿拥捏w積分?jǐn)?shù)不應(yīng)小于99.999%，氧氣產(chǎn)品中氧氣分子的體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)小于99.6%［13］。

當(dāng)ASU-LAES系統(tǒng)啟動(dòng)儲(chǔ)能模式時(shí)，LAES單元和ASU單元同時(shí)運(yùn)行。CAC和PAC的末級(jí)出口壓力均設(shè)定為550kPa，兩部分壓縮空氣匯合后分成3路：一路在MHX中降溫后送入HPC；一路在MHX中初步降溫后進(jìn)入BET1的膨脹端，對(duì)外做功同時(shí)進(jìn)一步降溫；另一路依次進(jìn)入BET1增壓端、增壓膨脹機(jī)冷卻器1（BETC1）、BET2增壓端和增壓膨脹機(jī)冷卻器2（BETC2）進(jìn)一步壓縮到中壓狀態(tài)。來(lái)自BETC2的中壓空氣一部分通過(guò)MHX和BET2膨脹端，達(dá)到較低的膨脹制冷溫度；另一部分則進(jìn)入MHX和液化器（CON）并被冷卻為過(guò)冷液體，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥3（TV3）和氣液分離器2（SEP2）得到的低溫液態(tài)空氣最終儲(chǔ)存在液態(tài)空氣儲(chǔ)罐（LAT）中，同時(shí)氣態(tài)空氣返流通過(guò)CON后送入HPC。BET1和BET2膨脹端產(chǎn)生的增壓膨脹空氣、精餾塔產(chǎn)生的氧氣產(chǎn)品、氮?dú)猱a(chǎn)品和污氮?dú)膺M(jìn)入CON為空氣液化過(guò)程提供冷量。最后，增壓膨脹空氣進(jìn)入LPC，氧氣產(chǎn)品、氮?dú)猱a(chǎn)品和污氮?dú)膺M(jìn)入MHX。

當(dāng)ASU-LAES系統(tǒng)啟動(dòng)釋能模式時(shí)，PAC、活塞式空氣壓縮機(jī)冷卻器（PACC）、CON、TV3和SEP2暫停工作，CAC的進(jìn)氣量減少，其余流程同常規(guī)模式一致。由于液態(tài)空氣的儲(chǔ)存壓力與HPC的進(jìn)料壓力一致，因此液態(tài)空氣可以直接由LAT送入HPC參與精餾，既提供精餾原料，又提供大量冷能，以確保精餾工況穩(wěn)定。

1.2 運(yùn)行方案和參數(shù)設(shè)定

假設(shè)電網(wǎng)的高峰、低谷和平時(shí)段均為8h/d［14］，ASU-LAES系統(tǒng)運(yùn)行方案見(jiàn)表1。CAC在電網(wǎng)低谷時(shí)段和平時(shí)段的進(jìn)氣量為50000m3/h，在高峰時(shí)段進(jìn)氣量為40000m3/h；PAC僅在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行且進(jìn)氣量為10000m3/h。ASU-LAES系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表2。為簡(jiǎn)化分析，本文采用以下假設(shè)：①系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定工況［15］；②模擬過(guò)程省略吸附和純化單元（PPU）［16］，將潔凈空氣視為氧氮二元混合物，氧氣分子的體積分?jǐn)?shù)為21%［17］；③根據(jù)Soave-Redlich-Kwong物性方程確定工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)；④假設(shè)LAT內(nèi)部溫度和壓力恒定［18］；⑤忽略管道壓降和漏熱［19］；⑥忽略工質(zhì)動(dòng)能和勢(shì)能的變化［20］。

為了探究實(shí)際峰谷電價(jià)條件下ASU-LAES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文選取了珠三角五市、重慶、江西等6個(gè)地區(qū)，參考了南方電網(wǎng)和國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的2024年1月峰谷分時(shí)電價(jià)公告，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性分析。工業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)表見(jiàn)表3，所選地區(qū)的峰電單價(jià)ele，p為0.537～1.132元/（kW·h），谷電單價(jià)ele，v為0.274～0.371元/（kW·h），平電單價(jià)ele，f為0.395～0.677元/（kW·h），容量電價(jià)capacity為19.4～30.0元/（kV·A），峰谷電價(jià)差為0.204～0.857元/（kW·h）。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 熱力學(xué)和分析模型

為了探討在ASU中引入LAES技術(shù)的影響和益處，確定ASU-LAES系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的不可逆損失情況，本文根據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律列出部件i的能量平衡方程和平衡方程如下

Ei，in+Pi，in+Qi，in=Ei，out+Pi，out+Qi，out（1）

（Ii，in－Ii，out）+（Pi，in－Pi，out）+1－298.15Ti（Qi，in－Qi，out）=Ii，d（2）

式中：E表示焓值；P表示功率；Q表示換熱量；I表示流股的物理；Ti表示部件i的溫度；下標(biāo)in、out和d分別表示部件i的輸入、輸出和損失。

氧（氮）提取率表示氧氣（氮?dú)猓┊a(chǎn)品的氧氣（氮?dú)猓┓肿芋w積與進(jìn)塔加工空氣的氧氣（氮?dú)猓┓肿芋w積之比

ψO=OφOAφA，O×100%（3）

ψN=NφNAφA，N×100%（4）

式中：ψO和ψN分別表示氧和氮的提取率；O和N分別表示氧氣產(chǎn)品和氮?dú)猱a(chǎn)品的體積流量，A表示進(jìn)塔加工空氣的體積流量；φO和φN分別表示氧氣產(chǎn)品中氧氣的體積分?jǐn)?shù)和氮?dú)猱a(chǎn)品中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)；φA，O和φA，N分別表示進(jìn)塔加工空氣中氧氣和氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析模型

空分系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能十分關(guān)鍵，因此，需根據(jù)常用的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)投產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)效益。表4和表5列出的設(shè)備投資成本Ceq、初始投資成本和年度運(yùn)營(yíng)成本的計(jì)算模型是經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)。

制氧單位壓縮能耗β表示生產(chǎn)單位體積流量氧氣產(chǎn)品平均消耗的壓縮機(jī)功率

βASU-LAES=（PAC，p+PAC，v+PAC，f）/（3O）（5）

βASU=PAC，f/O（6）

式中：PAC，p、PAC，v和PAC，f分別表示ASU-LAES系統(tǒng)處于釋能模式、儲(chǔ)能模式和常規(guī)模式時(shí)的壓縮機(jī)功率。

本文結(jié)合LAES技術(shù)原理，對(duì)傳統(tǒng)的ASU系統(tǒng)實(shí)施電力需求側(cè)管理，將一部分壓縮負(fù)荷由電網(wǎng)峰時(shí)轉(zhuǎn)移到谷時(shí)，從而根據(jù)峰谷分時(shí)電價(jià)政策降低空分生產(chǎn)用電成本。電力成本節(jié)約率ξ能夠反映ASU-LAES系統(tǒng)與常規(guī)ASU系統(tǒng)相比的電力成本節(jié)約效果，假設(shè)常規(guī)ASU系統(tǒng)和ASU-LAES系統(tǒng)的合同變壓器容量分別為6000kV·A和7000kV·A，系統(tǒng)平均每年運(yùn)行340d［23］，則ξ的計(jì)算公式［3］為

ξ=Cele，ASU－Cele，ASU-LAESCele，ASU×100%（7）

Cele，ASU=8×340PAC，f（ele，p+ele，v+ele，f）+

12×0.9×6000capacity（8）

Cele，ASU-LAES=8×340（PAC，pele，p+PAC，vele，v+

PAC，fele，f）+12×0.9×7000capacity（9）

式中：Cele表示年度用電成本。

設(shè)氧氣產(chǎn)品與氮?dú)猱a(chǎn)品的銷售單價(jià)分別為0.50、0.15元/m3，則年銷售收入R為

R=24×340（0.50O+0.15N）（10）

系統(tǒng)的年凈現(xiàn)金流量（NCF）表示年稅后凈利與年折舊費(fèi)之和。若采用直線折舊法，假設(shè)稅率為25%［20］、殘值率為5%［33］、固定資產(chǎn)形成率為95%［33］、系統(tǒng)壽命為20 a［14，20，34］，則

NCF=75%（R－Com）+5%×95%×25%Ctci/20（11）

凈現(xiàn)值法是一種科學(xué)簡(jiǎn)便的投資方案評(píng)價(jià)方法，能夠說(shuō)明投資項(xiàng)目的盈虧總額。凈現(xiàn)金流量累計(jì)現(xiàn)值NPV為正值，表明投資收益超過(guò)投資成本，且數(shù)值越大，投資回報(bào)越好。假設(shè)建設(shè)周期為2a，從項(xiàng)目起建到系統(tǒng)壽命到期，NPV的計(jì)算公式［35］為

NPV=－Ctci2－Ctci2（1+d）+∑22x=3NCF（1+d）x－1（12）

式中：x表示從項(xiàng)目起建開(kāi)始計(jì)算的第x年；d表示折現(xiàn)率，d為2.9%。

回收期表示項(xiàng)目回收投資成本總額所需時(shí)間。動(dòng)態(tài)回收期（DPP）是指把NCF按基準(zhǔn)收益率折成現(xiàn)值之后推算的投資回收期［36］

DPP=（t－1）+|NPV，t－1|NCF（13）

式中：t表示NPV第一次出現(xiàn)正值的年數(shù)；|NPV，t－1|表示第t－1年NPV的絕對(duì)值。

3 結(jié)果與討論

3.1 技術(shù)可行性分析

在儲(chǔ)能過(guò)程中，進(jìn)入CON的空氣體積流量為10000m3/h，空氣液化率為63.0%；進(jìn)上塔的膨脹空氣體積流量占精餾塔加工空氣體積流量的32.0%?？諝庖夯逝c增壓膨脹空氣的溫度和提供的冷量直接相關(guān)，增壓膨脹空氣體積流量越大，系統(tǒng)為CON提供的冷量越多，液態(tài)空氣的體積流量也隨之增大。然而，受LPC精餾潛力及BET膨脹能力的限制，增壓膨脹空氣的體積流量不宜過(guò)大，否則會(huì)破壞LPC精餾工況。在釋能過(guò)程中，儲(chǔ)存的液態(tài)空氣直接引入HPC，導(dǎo)致HPC加工空氣的氧氣體積分?jǐn)?shù)升高，從而影響氧氣和氮?dú)獾奶崛÷?。?展示了ASU-LAES系統(tǒng)3種運(yùn)行模式的模擬結(jié)果，其中，氧氣產(chǎn)品的體積流量為10165m3/h，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為99.6%，氧提取率為95.36%～97.51%；氮?dú)猱a(chǎn)品的體積流量為25600m3/h，氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)為99.999%。由此可見(jiàn)，ASU-LAES系統(tǒng)能夠滿足空分生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性要求。ASU-LAES系統(tǒng)在常規(guī)、儲(chǔ)能和釋能模式的壓縮機(jī)總功率分別為3548、4257和2838kW。與常規(guī)ASU系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的全年谷電需求量增加了20%，同時(shí)峰電需求量減少了20%（193×104kW·h）。ASU-LAES系統(tǒng)與常規(guī)ASU系統(tǒng)的制氧單位壓縮能耗均為0.349kW·h/m3。

3.2 熱力學(xué)和分析

熱力學(xué)和分析的目的是探究各項(xiàng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的不可逆損失，為今后的流程改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供方向。圖2展示了ASU-LAES系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的損失分布情況，可以看出儲(chǔ)能、釋能和常規(guī)模式運(yùn)行時(shí)造成的損失分別為2749、4074和3255kW，損失占比最大的設(shè)備包括CAC、MHX和精餾塔（DC）。

對(duì)于CAC而言，部分輸入功轉(zhuǎn)化為壓縮熱，導(dǎo)致能量品質(zhì)降低，且設(shè)備效率、工質(zhì)流量和級(jí)間冷卻溫度等因素都會(huì)對(duì)設(shè)備損失產(chǎn)生顯著影響［37］。CAC在釋能過(guò)程的進(jìn)氣流量最小，因此其在釋能過(guò)程的損失小于儲(chǔ)能過(guò)程和常規(guī)過(guò)程。DC的有效能損失主要是由流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的阻力造成的。此外，高壓塔冷凝熱和低壓塔蒸發(fā)熱的不完全匹配，也造成了部分損失［38］。MHX的損失與換熱流體的溫度匹配程度有關(guān)，冷熱流體間的傳熱溫差越大，則設(shè)備的不可逆損失越大。儲(chǔ)能過(guò)程MHX的最小溫差為0.6K，而釋能過(guò)程和常規(guī)過(guò)程MHX的最小溫差分別為8.6和5.6K，因此儲(chǔ)能過(guò)程MHX的損失較小。在儲(chǔ)能、釋能和常規(guī)模式下，CAC的損失分別為613、490和613kW，DC的損失分別為532、1917和1202kW，MHX的損失分別為450、1246和915kW。CON、PAC和PACC僅在儲(chǔ)能模式下運(yùn)行，分別造成了239、123和41kW的損失。由于節(jié)流和氣液分離的不可逆性，TV3和SEP2分別造成了20和144kW的損失。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

ASU-LAES系統(tǒng)的綜合性較強(qiáng)，初始投資較大，其經(jīng)濟(jì)性分析是進(jìn)行投資決策至關(guān)重要的一環(huán)，也是確保系統(tǒng)順利投運(yùn)的先決條件［35］。圖3對(duì)比了ASU-LAES系統(tǒng)與常規(guī)ASU系統(tǒng)的設(shè)備投資成本，可見(jiàn)ASU-LAES系統(tǒng)所需設(shè)備總投資為4034.8萬(wàn)元，較常規(guī)ASU系統(tǒng)增加了380.7萬(wàn)元。由圖4（a）可知，ASU-LAES系統(tǒng)在轉(zhuǎn)移峰谷用電負(fù)荷、減少運(yùn)行電費(fèi)方面有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著峰谷電價(jià)差增大，ASU-LAES系統(tǒng)和常規(guī)ASU系統(tǒng)的年度用電成本呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，而ASU-LAES系統(tǒng)的電力成本節(jié)約率持續(xù)增大。當(dāng)峰谷電價(jià)差為0.204元/（kW·h）時(shí)，ASU-LAES系統(tǒng)的年度用電成本為1336.5萬(wàn)元，相比常規(guī)ASU系統(tǒng)節(jié)省了1.3%；當(dāng)峰谷電價(jià)差增大到0.857元/（kW·h）時(shí)，ASU-LAES系統(tǒng)的年度用電成本增加至1991.4萬(wàn)元，此時(shí)電力成本節(jié)約率為6.8%。圖4（b）和圖4（c）顯示，當(dāng)峰谷電價(jià)差由0.204元/（kW·h）增大到0.857元/（kW·h）時(shí)，ASU-LAES系統(tǒng)的NCF由2796.5萬(wàn)元先減少至2276.7萬(wàn)元，隨后增加至2305.3萬(wàn)元；同時(shí)NPV由33171.9萬(wàn)元減少至25799.2萬(wàn)元，隨后增加至26206.1萬(wàn)元。由于ASU-LAES系統(tǒng)具有節(jié)約電力成本的優(yōu)勢(shì)，其NCF最多比常規(guī)ASU系統(tǒng)增加88.6萬(wàn)元。ASU-LAES系統(tǒng)設(shè)備成本的增加導(dǎo)致了更大的初始投資，因此當(dāng)峰谷電價(jià)差介于0.204～0.492元/（kW·h），系統(tǒng)的NPV低于常規(guī)ASU系統(tǒng)；當(dāng)峰谷電價(jià)差為0.617～0.857元/（kW·h），ASU-LAES系統(tǒng)的NPV較常規(guī)ASU系統(tǒng)增加81.1～644.2萬(wàn)元。由圖4（d）可知，常規(guī)ASU系統(tǒng)的投資回收期約為4.4～5.0a，而ASU-LAES系統(tǒng)的回收期略長(zhǎng)于常規(guī)ASU系統(tǒng)，約為4.6～5.2a。

上述結(jié)果說(shuō)明ASU-LAES方案的實(shí)施降低了空分系統(tǒng)的壓縮用電成本，具有良好的投資可行性和投資回報(bào)潛力。另外，峰谷電價(jià)差對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。當(dāng)峰谷電價(jià)差越大時(shí)，ASU-LAES系統(tǒng)的電力成本節(jié)約效果越顯著，從而帶來(lái)比常規(guī)ASU系統(tǒng)更可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文提出了一種低溫空分儲(chǔ)能系統(tǒng)，其新穎之處在于，在傳統(tǒng)ASU系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)PAC、CON和LAT等設(shè)備，通過(guò)PAC啟停和CAC變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)整加工空氣流量，在谷電時(shí)期預(yù)先將富余空氣液化、儲(chǔ)存，在峰電時(shí)期將液態(tài)空氣連同其冷能和壓力勢(shì)能直接回收到精餾塔。由于ASU和LAES技術(shù)具有較好的溫度匹配特性，因此無(wú)需設(shè)置蓄冷蓄熱循環(huán)或膨脹發(fā)電裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的操作流程。本文考察了ASU-LAES系統(tǒng)的技術(shù)可行性、熱力學(xué)和特性以及經(jīng)濟(jì)性能，主要結(jié)論如下。

在ASU-LAES系統(tǒng)中，氧氣產(chǎn)品的體積流量為10165m3/h，制氧單位壓縮能耗為0.349kW·h/m3。系統(tǒng)在谷電期、平電期和峰電期的壓縮功耗分別為4257、3548和2838kW。與常規(guī)ASU相比，ASU-LAES系統(tǒng)的壓縮用電量在谷電期增加了20%，而在峰電期減少了20%，年度用電成本可減少1.3%～6.8%。ASU-LAES系統(tǒng)的設(shè)備投資為4034.8萬(wàn)元，高于常規(guī)ASU系統(tǒng)。在給定的峰谷分時(shí)電價(jià)條件下，ASU-LAES系統(tǒng)的DPP為4.6～5.2a，NPV約為25799.2～33171.9萬(wàn)元。當(dāng)峰谷電價(jià)差大于0.492元/（kW·h），ASU-LAES系統(tǒng)的預(yù)期收益比常規(guī)ASU系統(tǒng)更高。受傳熱溫差和設(shè)備效率等不可逆因素的影響，系統(tǒng)在儲(chǔ)能、釋能和常規(guī)模式下的總損失分別為2749、4074和3255kW，主要集中在CAC、DC和MHX等設(shè)備。

綜上所述，ASU-LAES的應(yīng)用一方面有利于擴(kuò)大系統(tǒng)可調(diào)負(fù)荷空間，調(diào)整電力資源在峰谷時(shí)段的合理配置，平衡峰谷用電供求；另一方面有利于發(fā)揮價(jià)格杠桿的調(diào)節(jié)作用，利用峰谷電價(jià)差的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

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（編輯 武紅江）