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        盤管式蓄冷器在液化空氣儲能系統(tǒng)的應用研究

        2019-07-04 06:21:44蘇苗印李晶晶
        真空與低溫 2019年3期
        關鍵詞:冷媒冷量管式

        蘇苗印,張 益,李晶晶

        (杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司,杭州 310014)

        0 引言

        可再生能源利用是解決環(huán)境污染和能源短缺的有效方法,相較于傳統(tǒng)的一次能源,可再生能源具有不穩(wěn)定性和間歇性等不足。儲能技術通過介質或設備把能量暫時存儲,需要時釋放,可平抑系統(tǒng)擾動、維持能量輸出動態(tài)平衡和提高系統(tǒng)調度靈活性,確??稍偕茉闯浞掷煤推椒€(wěn)運行[1]。目前的儲能技術包括以抽水蓄能、壓縮空氣儲能及飛輪儲能為代表的物理儲能技術,以電池儲能為代表的化學儲能技術和以超導儲能及以超導儲能加超級電容為代表的電磁儲能技術。由于容量密度或者運行費用等原因,現(xiàn)已大范圍推廣應用的只有空氣儲能技術和抽水蓄能技術[2-3]。

        液化空氣儲能系統(tǒng)作為一種越來越受重視的壓縮空氣儲能系統(tǒng),具有儲能密度高、調節(jié)靈活和安全可靠等優(yōu)點,被認為是最具發(fā)展前景的壓縮空氣能技術[4-5]。隨著液化儲能技術的深入研究和商業(yè)推廣,英國利茲大學與Highview Power研究人員提出的新型液化空氣儲能系統(tǒng)流程,通過充分利用工質狀態(tài)變化過程中能量形式的轉化以及冷量回收,采用現(xiàn)成可靠的標準設備,被風力發(fā)電系統(tǒng)廣泛應用[6-7]。本文基于新型液化空氣儲能系統(tǒng)的典型工藝,提出了一種集換熱和蓄冷功能于一體的盤管式蓄冷器方案,有效地提高系統(tǒng)的循環(huán)效率、降低了設備投資費用、優(yōu)化了場地布置。

        1 液化空氣儲能系統(tǒng)工作原理

        液化空氣儲能系統(tǒng)在用電低谷時段儲能,高峰時段釋能,滿足不同階段能量的周期性輸出,主要通過三個子系統(tǒng)切換操作實現(xiàn):空氣壓縮及液化儲存、液化空氣加熱氣化及蓄冷、空氣加熱膨脹及發(fā)電[6-7]。系統(tǒng)工藝流程原理如圖1所示[8]。

        圖1 液化空氣儲能系統(tǒng)工藝流程原理圖Fig.1 Process flow diagram LAES system

        在用電低谷時段(儲能階段),外接電源驅動壓縮機對原料空氣壓縮做功,高壓空氣進入膨脹機膨脹對外做功降溫,然后經(jīng)低溫液化換熱裝置液化成過冷液體,液空輸出到貯槽暫時儲存。

        在用電高峰時段(釋能階段),液態(tài)空氣從液空貯槽出去,加壓后進氣化器加溫氣化,氣化后的高壓空氣沖擊膨脹機高速旋轉,膨脹機帶動發(fā)電機輸出電能。與此同時,系統(tǒng)蓄能時,循環(huán)風機驅動換熱媒介將液空氣化產生的冷量傳遞給蓄冷器暫時儲存;系統(tǒng)釋能時,蓄冷器的冷量通過換熱媒介釋放給液化換熱裝置,以實現(xiàn)液化空氣儲能系統(tǒng)的周期性循環(huán)[9]。

        2 改進型液化空氣儲能流程

        2.1 典型空氣液化儲能蓄冷流程

        液化空氣儲能系統(tǒng)的液化、氣化及蓄冷環(huán)節(jié)是液化空氣儲能系統(tǒng)的關鍵技術,其中蓄冷器為該環(huán)節(jié)的核心設備。

        蓄冷器是以填料作為媒介實現(xiàn)冷熱氣流傳遞熱量的換熱器。當冷媒介通過時,冷量儲存于填料,而冷媒本身被加熱,稱為蓄冷過程;當熱媒介通過時,從填料取走冷量,熱媒介質本身被冷卻,稱為釋冷[10]。蓄冷器的蓄冷和釋冷構成一個完整的換熱周期,習慣上一般設置多個蓄冷器進行聯(lián)合工作(串聯(lián)或并聯(lián)),以實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)的熱交換。

        液化空氣儲能系統(tǒng)中,通過閥門的開閉動作實現(xiàn)系統(tǒng)完整的換熱過程如圖2所示,當液化單元工作時(釋冷過程),關閉閥門1、閥門3和閥門4,打開閥門2、閥門5和閥門6,蓄冷器儲存的冷量傳遞給液化換熱器;如圖3所示,當氣化單元工作時(蓄冷過程),關閉閥門2、閥門5和閥門6,打開閥門1、閥門3和閥門4,將氣化換熱產生的冷量傳遞給蓄冷器。

        圖2 液化單元工作原理圖Fig.2 Liquefied Process Diagram

        圖3 氣化單元工作原理圖Fig.3 Evaporation Process Diagram

        原理圖顯示,為了滿足蓄冷器在不同時段的冷量儲存和釋放,需通過操作閥門關閉實現(xiàn)功能切換。所以,典型液化空氣儲能系統(tǒng)獨立設置液化換熱器和蓄冷器,雖然每個單體設備的結構相對簡單,但是單元之間的聯(lián)動操作非常復雜,且循環(huán)風機驅動的冷媒介質經(jīng)過多次換熱后冷量損失較大,設備總投資成本和總占地面積也相對較高。

        2.2 改進型液化儲能蓄冷流程

        我國第二代空分設備即管式石頭蓄冷器凍結全低壓流程,采用卵石作為蓄冷器填料,蓄冷器內部結構嵌入紫銅盤管[10]。此類蓄冷器多通道工作,產品氮氣和氧氣始終在盤管內部換熱,保證了氧氮產品不受污染,使產品純度大幅度提高。為了清除凍結在石頭上的二氧化碳和水分,二代空分除了采用交替切換方法外,還采用中間抽氣法,蓄冷器段的配管及操作復雜[11]。區(qū)別于二代空分的蓄冷器工作方式,分子篩系統(tǒng)從上世紀80年代開始廣泛應用在空分系統(tǒng),液化換熱前清除了空氣中水分和二氧化碳及碳氫化合物,使冷箱內的板式換熱器僅起換熱作用[12]。

        如果將蓄冷器和分子篩系統(tǒng)結合使用,蓄冷器的多通道管束也能和板式換熱器一樣成為穩(wěn)定的換熱載體,無需頻繁切換操作。另外,將蓄能容量更大的填料和多通道管束組合于單體設備,則此設備兼具換熱和蓄冷功能,稱為盤管式蓄冷器。

        改進后液化空氣儲能系統(tǒng)的液化、氣化及蓄冷流程應用了盤管式換熱器,流程簡圖如圖4所示,當氣化單元工作時(蓄冷階段),打開閥門,循環(huán)風機帶動冷媒介質輸送氣化冷量給盤管式蓄冷器;當液化單元工作時(釋冷階段),關閉閥門或停止風機,儲存在盤管式蓄冷器填料的冷量直接釋放給被冷卻介質,無需通過冷媒介質傳遞冷量。水分和二氧化碳,氣體再次增壓冷卻后進入盤管式蓄冷器換熱獲取冷量,降溫后的氣體進入膨脹機膨脹液化后存儲在液空貯槽。待發(fā)電工作時,液化空氣蒸發(fā)氣化的冷量傳遞至盤管式蓄冷器進行儲存,空氣通過盤管式蓄冷器既能實現(xiàn)換熱,又能實現(xiàn)蓄冷,完全取代了典型系統(tǒng)的板式換熱器和蓄冷器。

        圖4 改進型液化、氣化及蓄冷流程簡圖Fig.4 Improved LAES process diagram

        2.3 方案比較分析

        液化空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)效率ηtot為釋能階段的凈輸出功率Pout與蓄冷階段的凈輸入功率Pin的比值[9]如式(1):

        圖5為改進型液化空氣儲能系統(tǒng)的整體工藝流程,原料空氣經(jīng)過壓縮后進入分子篩吸附系統(tǒng)脫除

        如果不考慮外界系統(tǒng)的能量輸入及其他系統(tǒng)內部工質轉化和回收,則系統(tǒng)循環(huán)效率為式(2):

        式中:Pexp為發(fā)電機輸出功率,kW;Ppum為液體泵消耗功率,kW;Pcom為壓縮機消耗功率,kW。

        圖5 改進型液化空氣儲能系統(tǒng)圖Fig.5 Improved LAES System Diagram

        以國內首套500 kW液化空氣儲能示范項目為例,此項目采用了回收空氣壓縮熱的冷熱聯(lián)動耦合方案,系統(tǒng)流程如圖6所示。儲能時,電能將原料空氣壓縮、分子篩吸附凈化、空氣循環(huán)增壓、膨脹機制冷、液化冷箱利用冷能換熱,使得空氣冷卻并液化,同時蓄熱器存儲該過程中釋放的熱能,用于釋能時加熱空氣;釋能時,液態(tài)空氣經(jīng)液空泵加壓、氣化器加熱氣化,推動膨脹機發(fā)電,同時蓄冷器存儲該過程的冷能,用于儲能時冷卻空氣。

        圖6 500 kW冷熱聯(lián)動液化空氣儲能系統(tǒng)圖Fig.6 500 kW cold-heat linkage LAES system diagram

        圖7為項目典型方案的設備布置圖,配電室與控制室兩側分別布置了液化裝置和氣化裝置,圖中東北方位處的板式換熱器和東南方位處的蓄冷器獨立布置。改進型的盤管式蓄冷器方案將板式換熱器集成進蓄冷器內,與典型方案相比,可以省略板式換熱器的場地布置。

        圖7 500 kW冷熱聯(lián)動液化空氣儲能設備布置圖Fig.7 500 kW cold-heat linkage LAES equipment layout

        蓄冷器和液化冷箱現(xiàn)場實物如圖8所示,3個蓄冷器協(xié)同作業(yè),由工藝管道連接后聯(lián)動工作;板式換熱器布置在液化冷箱內部,膨脹機貼鄰冷箱放置在高位平臺上方。

        圖8 蓄冷器和液化冷箱現(xiàn)場實物圖Fig.8 Photos of Regenerator and Cold box in Site

        表1為兩方案技術經(jīng)濟指標對比結果,由于盤管式蓄冷器工藝流程簡單,經(jīng)過換熱設備和管道的路徑較短,冷量損失顯著少于典型液化儲能方案,從而使得系統(tǒng)循環(huán)效率有所提高。另外,盤管式蓄冷器替代了典型方案的板式換熱器和蓄冷器,使總體設備平面布局更緊湊,設備總占地面積和總投資費用也相應減少。

        表1 兩方案技術經(jīng)濟指標對比Tab.1 Comparison result of technical and economic index

        3 盤管式蓄冷器結構簡述

        3.1 充裝填料

        蓄冷器的蓄冷性能由充裝的填料決定,對填料的性能一般要求:(1)足夠的比熱容;(2)較大的機械強度;(3)價格低廉。目前市面上運用在深冷低溫領域較常見的蓄冷器填料有鋁帶、石頭和瓷球填料,三者性能分析如表2所示[13-14]。除此之外,鉛蓄冷和磁性蓄冷材料等近年來在低溫制冷機中也陸續(xù)被使用[15],考慮技術成熟度和性價比原因,本文暫不討論。

        表2 三種填料性能分析Tab.2 Performance of 3 kinds packing

        瓷球填料比熱、硬度和卵石填料較為接近,但是人造燒結的瓷球價格高于天然石頭,且天然石頭來源廣泛,無需另外加工。鋁帶填料具有較高傳熱系數(shù)和比表面積,處理同樣數(shù)量空氣的石頭蓄冷器比鋁帶蓄冷器約大4倍,石頭蓄冷器或瓷球蓄冷器的優(yōu)點是能嵌入盤管,鋁帶蓄冷器無法實現(xiàn)。所以,目前在無其他新材料發(fā)現(xiàn)或研制成功的條件下,石頭填料仍然最適宜作為盤管式蓄冷器填料,石頭原料可采用天然鵝卵石、玄武巖碎石或花崗巖碎石,石頭規(guī)格為7~13 mm,形狀盡可能趨于團狀(如球狀、橢圓狀或圓滑多棱狀)。

        3.2 本體結構

        盤管式蓄冷器為一個圓柱形容器,內外筒是真空粉末絕熱結構,內外筒間填裝珠光砂作為絕熱材料。內筒選用能耐低溫的不銹鋼材料,外筒選用普通容器用鋼,筒體上裝有空氣和冷媒出入連接管,外形結構示意圖如圖9所示。

        盤管式蓄冷器圓筒內采用同軸雙螺栓或多螺旋的形式布置了兩根或以上相互纏繞的管子,在螺旋圈內布置一段直管,空氣和冷媒分通道在盤管管束內通過,完成與填料的釋冷或蓄冷。蓄冷器盤管材料為紫銅或不銹鋼,每個管束外充滿了卵石填料,為了加強筒體內部的換熱效果,有文獻指出管翅式結構能增加管束與填料換熱面積[16]。

        圖9 盤管式蓄冷器外形結構示意圖Fig.9 Coil Regenerator General Structure Drawing

        3.3 簡單熱力工況

        盤管式蓄冷器傳熱過程不穩(wěn)定,蓄冷和釋冷各截面的溫度不僅沿高度變化而且隨時間變化。石頭填料作為中間載體,冷媒傳遞給填料的冷量和空氣傳遞給填料的熱量相等,用QP表示,計算如式(3)。

        式中:GA為通過蓄冷器冷媒的流量,kg/s;GB為通過蓄冷器空氣的流量,kg/s;CAP為冷媒的平均比熱,kg/s;CBP為空氣的平均比熱,kg/s;ΔtA為通過蓄冷器冷媒被加熱始末溫差,℃;ΔtB為通過蓄冷器空氣被冷卻始末溫差,℃;TA為冷媒通過蓄冷器的蓄冷周期,s;TB為空氣通過蓄冷器的液化周期,s。

        如果忽略蓄冷器填料和冷熱氣體傳熱損失、銅管導熱熱阻和徑向溫度分布差異,結合多孔傳熱傳質理論[17],建立動量方程和能量方程,如式(4)和式(5):

        式中:H為任意時刻焓值,H=h+ΔH,kJ/kg;ρ為密度,kg/m3;S為源項,kg·m/s;v為流體速度,m/s;T為溫度,℃;t為時間,s;λ為導熱系數(shù),W/(m·K)。

        以上公式描述了盤管流體的傳熱過程,圖10繪制了溫度為-170℃的空氣通過盤管式蓄冷器時,填料逐漸冷卻的多條曲線(蓄冷過程)。

        圖10 冷媒進入盤管式蓄冷器冷卻曲線Fig.10 Performance curve of packing cooling

        在冷端,進入盤管式蓄冷器的冷媒介質保持不變,但是填料的溫度是變化的,冷媒連續(xù)通過時,填料溫度曲線隨著時間向右移動,逐漸地向橫軸接近,經(jīng)過6 h冷卻,蓄冷器幾乎完全冷了。當切換成液化模式后(釋冷過程),空氣連續(xù)通過時,填料被連續(xù)加熱,填料溫度曲線與蓄冷階段總體變化規(guī)律是逆向一致的,曲線為隨時間向左移動。

        5 結論

        本文在液化空氣儲能典型工藝流程的基礎上,提出盤管式蓄冷器方案,簡要討論了盤管式蓄冷器結構及熱力工況,得出結論:

        (1)盤管式蓄冷器結構在第二代空分產品中已有成熟應用,將空分用蓄冷器改造后即可在液化空氣儲能系統(tǒng)中使用;

        (2)液化空氣儲能系統(tǒng)涉及一系列熱力過程,各參數(shù)間關聯(lián)性強,改進型的盤管式蓄冷器方案可以有效提高整體循環(huán)效率;

        (3)典型液化空氣儲能工藝利用閥門動作解決切換的問題,操作復雜且對控制要求高,改進型方案流程簡單、緊湊性好,可助力液化儲能系統(tǒng)的商業(yè)化應用。

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