何 青，郝銀萍，劉文毅

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引 言

針對我國的能源安全和環(huán)境污染問題，大力開發(fā)利用新能源，實現(xiàn)新能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電已成為解決該棘手問題的主要手段[1]。其中，風電作為一種可再生的清潔能源受到世界各國的重視。然而，由于風電自身波動性、非周期性等特點，大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全運行帶來不利影響[2,3]。解決“棄風”問題的有效方法之一是采用電力存儲系統(tǒng)，運用儲能技術(shù)，將富裕的風電存儲，在用電高峰時加以有效利用[4]。

壓縮空氣儲能(CAES)系統(tǒng)是目前發(fā)展較為成熟，可有效解決風電發(fā)電與電網(wǎng)運行穩(wěn)定的一種儲能技術(shù)。但傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)存在依靠燃氣輪機，化石能源燃燒以及存儲壓縮空氣體積大等缺點，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[5]。國內(nèi)外許多學者針對上述缺點，做了許多改進研究。先進絕熱壓縮空氣儲能(AA-CAES)[6,7]系統(tǒng)采用蓄熱系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的化石燃料，實現(xiàn)污染物的零排放，并且系統(tǒng)性能大幅度提升；液化壓縮空氣儲能(LAES)[8]儲能系統(tǒng)實現(xiàn)空氣的液態(tài)化存儲，擺脫了大規(guī)模壓縮空氣存儲的地域依賴；超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)(SC-CAES增加英文縮寫)實現(xiàn)空氣在超臨界物性狀態(tài)的存儲，系統(tǒng)的存儲體積大大較小，具有高儲能密度和高效性的特點[9]。

相比空氣，二氧化碳是一種具有狀態(tài)良好，極具開發(fā)潛質(zhì)的儲能工質(zhì)[10,11]，它易實現(xiàn)超臨界狀態(tài)，使熱源的放熱溫度曲線和CO2吸熱溫度曲線達到很好的匹配，可實現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)化效率。許多學者對運用CO2工質(zhì)的布雷頓循環(huán)，朗肯循環(huán)等循環(huán)系統(tǒng)運行特性進行研究[12,13]。

本文提出一種基于地下儲氣室的新型壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)(TC-CCES)，其中蓄熱系統(tǒng)采用高溫水源熱泵對系統(tǒng)運行過程中收集的壓縮熱進行蓄熱，不需要燃料供應(yīng)，實現(xiàn)污染物零排放，具有對環(huán)境友好，系統(tǒng)性能高的優(yōu)點。通過建立這種新型的TC-CCES系統(tǒng)，對該系統(tǒng)展開熱力學分析及敏感性分析，同時基于系統(tǒng)中不同蓄熱介質(zhì)進行系統(tǒng)性能對比分析，并就系統(tǒng)的整體特性進行了性能評價。

1 TC-CCES系統(tǒng)熱力學模型

圖1為基于地下儲氣室的壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)示意圖。圖2為基于地下儲氣室的跨臨界壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)工作原理圖。系統(tǒng)主要由儲能單元、釋能單元、蓄熱單元和地下儲氣室單元組成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)。其中，儲能單元工作過程為：來自低壓儲氣室的跨臨界二氧化碳經(jīng)低壓節(jié)流閥后，流經(jīng)預冷器放熱后，進入壓縮機被三級壓縮機壓縮成高溫高壓工質(zhì)后存儲在地下高壓儲氣室內(nèi)，完成二氧化碳的壓縮存儲過程。系統(tǒng)釋能單元工作過程為，來自地下高壓儲氣室內(nèi)二氧化碳工質(zhì)，在吸收地熱能后流經(jīng)高壓節(jié)流閥，進入膨脹透平做功發(fā)電，并將做完功后的乏汽存儲在地下低壓儲氣室內(nèi)，待下一個儲能循環(huán)繼續(xù)使用。系統(tǒng)蓄熱單元工作工程為：將二氧化碳壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱收集在儲熱罐內(nèi)，經(jīng)高溫水源熱泵加熱后，將熱量供給釋能過程的二三級透平繼續(xù)做功發(fā)電，同時將放熱后的換熱工質(zhì)經(jīng)熱泵后收集在儲冷罐內(nèi)，供下一個循環(huán)使用。地下儲氣室單元由高壓和低壓兩個儲氣室組成，分別用來存儲儲能過程被壓縮的二氧化碳工質(zhì)和釋能過程做完功的二氧化碳工質(zhì)。在系統(tǒng)運行過程中，節(jié)流閥用于控制儲氣室出口壓力恒定。圖3為蓄熱系統(tǒng)中熱泵工作原理圖，考慮熱泵內(nèi)循環(huán)工質(zhì)既要對環(huán)境友好，又要使熱泵系統(tǒng)高效運行[14-16]，本文選取R245fa作為熱泵系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，其物性參數(shù)見表1所示。

圖1 基于地下儲氣室的壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of compressed carbon dioxide energy storage system of underground gas storage reservoir

C-壓縮機；T-透平；IC1-級間冷卻器1；IC2-級間冷卻器2；PC-預冷器；TR1-級間再熱器1；TR2-級間再熱器2

圖3 熱泵工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of heat pump

表1 R245fa的物性參數(shù)Tab.1 Properties of heat R245fa

1.1 壓縮機

壓縮機絕熱效率定義為[17,18]

(1)

壓縮機耗功為

(2)

壓縮機組耗功為

(3)

1.2 膨脹透平機組

膨脹透平絕熱效率定義為[17,18]

(4)

膨脹透平做功為

(5)

膨脹透平機組做功為

(6)

1.3 儲氣室

當儲能工質(zhì)二氧化碳被注入地下儲氣室指定深度時，儲能工質(zhì)二氧化碳的注入壓力需大于地下指定深度處的儲氣室內(nèi)壓力。假定所選地下儲氣室的地質(zhì)為含水地質(zhì)層。儲氣室內(nèi)靜水壓力為

Phs=ρwgH

(7)

式中：ρw為儲氣室含水層內(nèi)水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為儲氣室深度，m。

在地下儲氣室內(nèi)，儲氣室溫度與地下深度之間的函數(shù)關(guān)系為

T=Ts+GH

(8)

式中：Ts為地表溫度，K；G為地熱梯度，K/km。

1.4 冷卻器

由于儲能介質(zhì)二氧化碳在其臨界點附近，比熱容、密度等物性參數(shù)隨溫度的變化將會產(chǎn)生不規(guī)律的變化，對其參與換熱的換熱器的換熱性能產(chǎn)生較大的影響。因此，當儲能工質(zhì)二氧化碳在超臨界狀態(tài)運行時，為保證換熱器內(nèi)運行工質(zhì)二氧化碳物性為常數(shù)，需對換熱器內(nèi)二氧化碳的溫度變化進行離散化處理[19]。

已知冷卻器內(nèi)熱流側(cè)二氧化碳工質(zhì)的溫降為ΔT，將溫降ΔT分為N等份，任意一等份的熱流側(cè)二氧化碳放熱量和冷流側(cè)水的吸熱量分別為

(9)

(10)

(11)

在預冷器中，換熱原理與級間冷卻器相同；在膨脹透平級間再熱器中，熱流側(cè)為水，冷流側(cè)為超臨界二氧化碳，換熱原理與壓縮機級間冷卻器相似。

1.5 熱泵

高溫熱泵一般用于工業(yè)熱泵領(lǐng)域，主要用于工業(yè)余熱回收的利用[20]，本文中熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器，膨脹閥和蒸發(fā)器組成，熱泵系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)工質(zhì)為R245fa。

(1)壓縮機

熱泵內(nèi)壓縮機工作原理與儲能系統(tǒng)內(nèi)儲能過程壓縮機工作原理一致。

(2)冷凝器

在熱泵冷凝器內(nèi)，熱流側(cè)和冷流側(cè)分別為R245fa和水，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，冷凝器內(nèi)工質(zhì)R245fa的放熱量及水的吸熱量為

(12)

(13)

(14)

(3)蒸發(fā)器

在熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，低溫低壓狀態(tài)下的R245fa與來自膨脹透平再熱器熱流側(cè)出口的工質(zhì)水進行熱量交換，熱流側(cè)為水，冷流側(cè)為R245fa，換熱原理與冷凝器相似。

2 系統(tǒng)熱力學評價指標

2.1 系統(tǒng)儲熱效率

儲熱效率ηHS用來衡量TC-CCES系統(tǒng)中蓄熱子系統(tǒng)的蓄熱性能，定義儲熱效率ηHS為蓄熱系統(tǒng)中再熱器釋放的熱量與存儲的熱量的比值，即

(15)

2.2 系統(tǒng)儲能效率

儲能效率用來衡量本系統(tǒng)在一次儲能循環(huán)過程中存儲的電能對整個儲能循環(huán)過程對外發(fā)電的凈貢獻能力，定義儲能效率ηES為系統(tǒng)的釋能過程電能的凈產(chǎn)出與儲能過程電能的凈消耗的比值，即

(16)

2.3 系統(tǒng)循環(huán)效率

系統(tǒng)循環(huán)效率用來衡量本系統(tǒng)循環(huán)工作效率，定義系統(tǒng)循環(huán)效率ηRT為儲能系統(tǒng)循環(huán)運行過程中系統(tǒng)發(fā)電所輸出的功與系統(tǒng)儲能所消耗的功的比值，即

(17)

3 系統(tǒng)性能分析

表2為TC-CCES系統(tǒng)熱力學模型中的設(shè)計參數(shù)。圖4為TC-CCES儲能系統(tǒng)運行過程中所需熱泵供熱量。熱泵供熱量為在系統(tǒng)釋能過程中熱泵子系統(tǒng)將儲熱罐內(nèi)的水再熱到更高溫度，加熱二、三級膨脹透平內(nèi)二氧化碳再次膨脹做功所需要提供的熱量。因此，熱泵供熱量的多少取決于儲能過程中儲熱罐內(nèi)儲熱工質(zhì)的溫度和膨脹透平再熱器的入口溫度，二者溫差越大，所需熱泵供熱量越多。鑒于目前高溫水源熱泵的工業(yè)水平[21]，本文選定高溫水源熱泵可將熱罐內(nèi)蓄熱工質(zhì)再熱到433.15 K，即透平再熱器入口溫度定為433.15 K。

表2 TC-CCES系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Tab.2 Properties of TC-CCES

圖4 儲熱罐溫度和透平再熱器入口溫度變化對熱泵供熱量的影響Fig.4 Heat flow rate of heat pump vs temperature of heat storage unit and inlet temperature of TR

表3和表4分別為儲能系統(tǒng)主要部件的運行結(jié)果和系統(tǒng)主要評價指標計算結(jié)果。由表4數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)儲熱效率、循環(huán)效率和儲能效率分別為46.11%，66%和58.41%，本系統(tǒng)采用由熱泵組成蓄熱子系統(tǒng)，實現(xiàn)了壓縮熱的充分利用，使系統(tǒng)具有較好的熱力性能。

表3 TC-CCES 系統(tǒng)主要部件計算結(jié)果 Tab.3 Calculation results of main components of TC-CCES

表4 TC-CCES 系統(tǒng)性能指標計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of performance indexes of TC-CCES

圖5所示為壓縮機絕熱效率對跨臨界壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)主要部件熱力性能的影響。由圖5(a)知，在保證其他參數(shù)不變的情況下，當壓縮機絕熱效率在0.75～0.95的范圍內(nèi)變化時，1#壓縮機耗功從84.59 kW降低到66.78 kW，2#壓縮機耗功從78.14 kW降低到61.69 kW，3#壓縮機耗功從58.74 kW降低到46.37 kW，各級壓縮機耗功呈遞減的變化趨勢，且1#壓縮機耗功最大，3#壓縮機耗功最小，這是因為隨著壓縮機絕熱效率的增大，做功工質(zhì)二氧化碳的溫度和壓力升高，當二氧化碳由跨臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)時，壓縮機耗功逐漸減少[22]；熱泵耗功從42.5 kW降低到41.93 kW，具有較小的降低幅度。

由圖5(b)知，級間冷卻器1換熱量從3.166×105kJ/h下降到2.915×105kJ/h，級間冷卻器2換熱量從4.805×105kJ/h下降到4.213×105kJ/h，二者均有較大程度的下降。這是因為隨著壓縮機絕熱效率的增大，各級壓縮機做功減少，一方面使得各級冷卻器出口溫度降低，換熱量減少；另一方面末級壓縮機做功減少，使得首級透平內(nèi)做功工質(zhì)入口溫度相應(yīng)降低，出口溫度相應(yīng)降低，因此透平再熱器內(nèi)二氧化碳側(cè)工質(zhì)溫差變大，使得透平再熱器1換熱量出現(xiàn)從2.254×105kJ/h增大到2.556×105kJ/h的變換趨勢，而透平級間再熱器2和預冷器的換熱量不隨壓縮機絕熱效率的變化而變化。熱泵供熱量由2.669×105kJ/h增加到3.943×105kJ/h，增長幅度較大，是由于壓縮機耗功減小，系統(tǒng)收集到的壓縮熱溫度降低，即儲熱罐內(nèi)水溫降低，使得儲熱罐溫度與透平再熱器入口溫度溫差增大，因此熱泵供熱量增大。

圖5 壓縮機絕熱效率對TC-CCES主要部件熱力性能影響圖5 Effect of adiabatic efficiency of compressor on thermodynamic performance of TC-CCES

圖6所示為膨脹透平絕熱效率對跨臨界壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)主要部件熱力性能的影響。由圖6(a)知，在保證其他參數(shù)不變的情況下，當透平絕熱效率在0.75～0.95的范圍內(nèi)變化時，各級壓縮機耗功保持不變，1#透平做功從41.91 kW增大到53.09 kW，2#透平做功從44.49 kW增大到56.36 kW，3#透平做功從47.44 kW增大到60.1 kW，各級透平做功呈遞增趨勢，且3#透平做功最多，1#透平做功最少，當二氧化碳工質(zhì)從超臨界狀態(tài)變?yōu)榭缗R界狀態(tài)時，做功能力增強[23]；熱泵耗功從44.31 kW降低到44.19 kW，降低幅度較小。

由圖6(b)知，級間冷卻器的換熱量不受透平絕熱效率變化的影響，隨著透平絕熱效率的增大，透平再熱器1換熱量從2.238×105kJ/h增大到2.64×105kJ/h，級間再熱器2換熱量從2.295×105kJ/h增大到2.772×105kJ/h，二者均有較大程度的增長；熱泵供熱量從3.514×105kJ/h增大到3.813×105kJ/h。這是因為隨著透平絕熱效率的增大，末級透平做功增大，使得收集到的透平末級廢熱溫度降低，最終儲熱罐溫度降低，儲熱罐與透平再熱器入口的溫差增大，因而熱泵供熱量增大。而級間冷卻器的換熱量則不隨透平絕熱效率的變化而變化，預冷器的換熱量從2.092×105kJ/h減小到1.636×105kJ/h，是由于隨著透平絕熱效率的提高，預冷器內(nèi)二氧化碳側(cè)工質(zhì)溫差變小，因而預冷器內(nèi)水側(cè)換熱量減小。

圖6 透平絕熱效率對TC-CCES主要部件熱力性能影響Fig.6 Effect of adiabatic efficiency of turbine on thermodynamic performance of TC-CCES

4 不同蓄熱介質(zhì)構(gòu)成的儲能系統(tǒng)對比分析

本文蓄熱系統(tǒng)采用液體顯熱式蓄熱介質(zhì)的換熱器進行熱交換工作，蓄熱介質(zhì)主要與儲能系統(tǒng)做功工質(zhì)二氧化碳和熱泵系統(tǒng)內(nèi)的做功工質(zhì)R245fa進行換熱。文章以三種蓄熱工質(zhì)為例，對三種不同蓄熱介質(zhì)構(gòu)成的儲能系統(tǒng)的熱力性能進行對比分析。三種蓄熱介質(zhì)的物性特征見表5所示[23]。

表5 蓄熱介質(zhì)物性參數(shù)Tab.5 Properties of heat storage medium

以前述表2中的運行參數(shù)為例，在系統(tǒng)主要運行參數(shù)變化時，本文分析三種不同蓄熱介質(zhì)構(gòu)成的儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)運行性能的影響。圖7和圖8分別為壓縮機絕熱效率和透平絕熱效率變化時對TC-CCES系統(tǒng)性能的影響。

由圖7可知，當壓縮機絕熱效率在0.75～0.95范圍內(nèi)變化時，以水為蓄熱介質(zhì)時系統(tǒng)的儲熱效率，儲能效率和系統(tǒng)循環(huán)效率最高，THERMINOL D12最低，三種系統(tǒng)的儲熱效率，儲能效率和系統(tǒng)循環(huán)效率均隨著壓縮機絕熱效率的增大而增大。

由圖8可知，當透平絕熱效率在0.75～0.95范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)的運行性能出現(xiàn)與圖7相同的變化趨勢，三種不同蓄熱介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)的儲熱效率，儲能效率和系統(tǒng)循環(huán)效率均隨透平絕熱效率的增大呈近似于線性增大的趨勢，同時可以得出，以水為蓄熱介質(zhì)的TC-CCES儲能系統(tǒng)的運行性能最優(yōu)。

圖7 壓縮機絕熱效率對系統(tǒng)效率的影響Fig.7 Effect of adiabatic efficiency of compressor on system efficiency

圖8 透平效率對系統(tǒng)效率的影響Fig.8 Effect of adiabatic efficiency of turbine on system efficiency

5 結(jié) 論

(1)研究建立的基于地下儲氣室的跨臨界壓縮二氧化碳儲能(TC-CCES)系統(tǒng)，其系統(tǒng)儲熱效率、儲能效率和循環(huán)效率分別為46.11%，58.41%和66%，具有較好的系統(tǒng)熱力性能和研發(fā)前景。

(2)通過對TC-CCES系統(tǒng)的敏感性分析得出系統(tǒng)內(nèi)各部件隨壓縮機絕熱效率和透平絕熱效率變化的影響規(guī)律。結(jié)果表明壓縮機絕熱效率越大，透平絕熱效率越大，壓縮機組耗功越少，透平機組做功越多，系統(tǒng)的運行性能越好，而熱泵耗功變化不大，對系統(tǒng)運行性能影響不大；系統(tǒng)內(nèi)各換熱器的換熱量主要取決于換熱器內(nèi)工質(zhì)進出口溫差，溫差越大，換熱量越大，而各換熱器的換熱量又決定系統(tǒng)內(nèi)壓縮熱的利用程度，可通過提高壓縮機和透平絕熱效率的辦法提高系統(tǒng)的儲熱效率。

(3)蓄熱介質(zhì)的不同會對儲能系統(tǒng)熱力性能產(chǎn)生影響。研究表明，水作為所研究儲能系統(tǒng)蓄熱介質(zhì)時系統(tǒng)性能達到最好，THERMINOL 66次之，THERMINOL D12最差。

TC-CCES系統(tǒng)充分利用地下封存的二氧化碳，實現(xiàn)了二氧化碳工質(zhì)在壓縮—發(fā)電—存儲間的循環(huán)使用，系統(tǒng)運行綠色高效，在風電的規(guī)模存儲中具有較好的應(yīng)用前景。目前，壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)仍處在熱力學研究基礎(chǔ)階段，后續(xù)需進行經(jīng)濟性研究，優(yōu)化機組運行成本，逐步發(fā)展具有經(jīng)濟高效運行潛力的壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)。