文賢馗， 劉 石， 李 翔， 鄧彤天， 鐘晶亮， 王鎖斌， 何新兵

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州 510080；3.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

目前，大力發(fā)展清潔能源是我國(guó)乃至世界能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。但是，可再生能源存在能量供給不穩(wěn)定的問(wèn)題[2]，需要通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)獲取錯(cuò)峰期的清潔能源，并在用電高峰期將其投入使用。儲(chǔ)能技術(shù)主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能，主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能等[3]。目前，壓縮空氣儲(chǔ)能憑借其高安全性、零污染和工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為儲(chǔ)能技術(shù)中極具發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能方式。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)[4-5]包括傳統(tǒng)型、絕熱型、超臨界型和液氣型等多種形式。由于傳統(tǒng)型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要設(shè)置燃燒室補(bǔ)燃，會(huì)造成環(huán)境污染，因此先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES)基于傳統(tǒng)型增加了回?zé)嵫b置，通過(guò)回收利用壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能、釋能全過(guò)程無(wú)污染[6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7-8]。李鵬等[9]通過(guò)耦合太陽(yáng)能輔熱子系統(tǒng)，分析了先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的變化；He等[10]提出一種改變壓縮機(jī)和膨脹機(jī)連接方式的方法，使得壓縮機(jī)和膨脹機(jī)在設(shè)定條件下始終高效率運(yùn)行；胡厚鵬[11]對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，并驗(yàn)證了模型參數(shù)的準(zhǔn)確性；Saadat等[12]通過(guò)跟蹤發(fā)電機(jī)所需功率，保持一定的彈性壓力比，使壓縮機(jī)和膨脹機(jī)趨于等溫膨脹，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行；楊科等[13]對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，推導(dǎo)出多級(jí)壓縮機(jī)與膨脹機(jī)串、并聯(lián)對(duì)系統(tǒng)的影響。

上述研究主要針對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備參數(shù)等方面，并未涉及溫度變化對(duì)系統(tǒng)效率的影響。因此，在保持換熱條件不變時(shí)，通過(guò)控制進(jìn)氣質(zhì)量流量，使第二級(jí)～第四級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度和各級(jí)膨脹機(jī)排氣溫度保持為設(shè)定值，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣質(zhì)量流量與工質(zhì)質(zhì)量流量之比(簡(jiǎn)稱流量比)來(lái)改變壓比和膨脹比，以提高先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。

1 系統(tǒng)建模

圖1為先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)包含壓縮機(jī)組、膨脹機(jī)組、換熱器、儲(chǔ)氣室、儲(chǔ)熱罐和儲(chǔ)冷罐等。儲(chǔ)能階段，電網(wǎng)中剩余的電能或新能源電能帶動(dòng)壓縮機(jī)組工作，通過(guò)多級(jí)壓縮的方式，將空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)，同時(shí)利用換熱工質(zhì)回收并儲(chǔ)存壓縮熱，空氣保持低溫高壓狀態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存，換熱工質(zhì)進(jìn)入高溫儲(chǔ)熱罐，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存；釋能階段，高壓空氣通過(guò)第一級(jí)換熱器加熱，再進(jìn)入第一級(jí)膨脹機(jī)做功，通過(guò)逐級(jí)膨脹、逐級(jí)加熱的方式實(shí)現(xiàn)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，完成電能的釋放[7]。

圖1 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

1.1 數(shù)學(xué)模型

在模擬過(guò)程中，將空氣看作理想氣體，壓縮機(jī)組內(nèi)進(jìn)、出口空氣溫差和壓縮機(jī)組消耗功率分別為：

(1)

Wc=cp,aqm,a(Tout,c-Tin,c)

(2)

式中：Tout,c為壓縮機(jī)組排氣溫度；Tin,c為壓縮機(jī)組進(jìn)氣溫度；πc為壓比；n為絕熱指數(shù)；Wc為壓縮機(jī)組消耗功率；cp,a為空氣比熱容；qm,a為空氣質(zhì)量流量。

膨脹機(jī)組進(jìn)氣溫度Tin,t與排氣溫度Tout,t之間的關(guān)系為：

(3)

式中：πt為膨脹比。

膨脹機(jī)組輸出功率Wt為：

Wt=cp,aqm,a(Tin,t-Tout,t)

(4)

換熱器中能量守恒方程為：

hA(Ti,a-To,a)

(5)

式中：qm,D為換熱器中工質(zhì)質(zhì)量流量；cp,D為換熱器中工質(zhì)的比熱容；Ti,D為換熱器中進(jìn)口工質(zhì)溫度；To,D為換熱器中出口工質(zhì)溫度；t為時(shí)間；h為對(duì)流傳熱系數(shù)；A為換熱面積；To,a為換熱器中排氣溫度；Ti,a為換熱器中進(jìn)氣溫度。

儲(chǔ)氣室中空氣質(zhì)量守恒，則有

(6)

式中：ρout為儲(chǔ)氣室排氣密度；ρin為儲(chǔ)氣室進(jìn)氣密度；qm,in為儲(chǔ)氣室進(jìn)氣質(zhì)量流量；qm,out為儲(chǔ)氣室排氣質(zhì)量流量；V為空氣體積。

1.2 仿真模型

如圖2所示，基于Aspen Plus Dynamics建立了四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)由四級(jí)壓縮機(jī)組和四級(jí)膨脹機(jī)組構(gòu)成，采用多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹的工作模式，利用級(jí)間換熱器回收利用壓縮熱，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。通過(guò)改變機(jī)組運(yùn)行功率，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)組進(jìn)氣質(zhì)量流量來(lái)保證儲(chǔ)能和釋能過(guò)程中設(shè)備進(jìn)氣溫度和排氣溫度處于設(shè)定值。基于所建四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，設(shè)置系統(tǒng)中各部件的參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)熱力計(jì)算，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。在此過(guò)程中，將各級(jí)壓縮機(jī)的壓比控制在2～5，第一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度較低，其他各級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度設(shè)置為33 ℃。物性方法均采用PENG-ROB方法，換熱工質(zhì)為導(dǎo)熱油DOWA[13-14]。

圖2 四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the four-stage advanced compressed air energy storage system

在換熱過(guò)程中，將換熱工質(zhì)按比例分配給各級(jí)換熱器，實(shí)現(xiàn)壓縮熱的回收和利用，且壓縮熱通過(guò)換熱器時(shí)無(wú)壓降。模擬過(guò)程中，空氣的壓縮和膨脹過(guò)程均為絕熱過(guò)程，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 不同壓比和膨脹比的影響

表2給出了四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓比和膨脹比的取值。在不同壓比下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率如圖3所示。由圖3可以看出，在變壓比工況下，第二級(jí)～第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率均低于相同條件下的定壓比工況，主要原因是在變壓比下第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率占?jí)嚎s機(jī)組總消耗功率的39%，由于后三級(jí)壓比低，導(dǎo)致在變壓比工況下第二級(jí)～第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率均低于定壓比工況，同時(shí)壓縮機(jī)組總消耗功率低于定壓比工況。

表2 四級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓比和膨脹比取值

圖3 不同壓比下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率

在不同膨脹比下各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，相比于定膨脹比工況，在變膨脹比工況下各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率較低，但系統(tǒng)效率更高。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，定壓比、定膨脹比條件下系統(tǒng)效率為49.70%，變壓比、變膨脹比條件下系統(tǒng)效率為53.98%，系統(tǒng)效率提高了4.28%，說(shuō)明壓比和膨脹比對(duì)系統(tǒng)效率的影響較明顯。

圖4 不同膨脹比下各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率

2.2 壓縮機(jī)組進(jìn)氣溫度對(duì)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響

以環(huán)境溫度為邊界條件，研究在不同進(jìn)氣溫度下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率、各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率和系統(tǒng)效率的變化。圖5給出了各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的變化曲線。由圖5可知，當(dāng)進(jìn)氣溫度不斷升高時(shí)，僅第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率發(fā)生變化，且消耗功率不斷減小。由于其他各級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度均為設(shè)定值，因此第二級(jí)～第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率保持不變。

圖5 不同進(jìn)氣溫度下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的變化

圖6給出了各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率的變化。由于各級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度變化較小，且各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率受進(jìn)氣溫度的影響較小，因此各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率基本保持穩(wěn)定。圖7給出了系統(tǒng)效率隨進(jìn)氣溫度的變化情況。從圖7可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的升高，系統(tǒng)效率從55.2%提高到58.1%。其主要原因是隨著進(jìn)氣溫度的升高，第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率線性減小，在第二級(jí)～第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率以及各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率保持穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)效率逐漸提高。這說(shuō)明該先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)進(jìn)氣溫度比較敏感，進(jìn)氣溫度與系統(tǒng)效率呈正相關(guān)。

圖6 不同進(jìn)氣溫度下各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率的變化

圖7 進(jìn)氣溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響Fig.7 Influence of inlet air temperature on system efficiency

圖8給出了進(jìn)氣溫度對(duì)第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的影響情況。從圖8可以看出，隨著進(jìn)氣溫度的升高，第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率逐漸降低，當(dāng)進(jìn)氣溫度從25 ℃升高至35 ℃時(shí)，第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率從10 354.50 kW減小至9 837.48 kW，系統(tǒng)效率僅提高1.21%，提高進(jìn)氣溫度還需要消耗額外的能量，因此該方式對(duì)系統(tǒng)效率的提升效果并不明顯。但如果能避免單純消耗能量來(lái)提高進(jìn)氣溫度，利用可再生能源為先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)提供加熱空氣的能量，可在一定程度上提高系統(tǒng)效率。

圖8 進(jìn)氣溫度對(duì)第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的影響

2.3 等流量比下系統(tǒng)參數(shù)的變化

在換熱一定的條件下保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，確定流量比為0.387 5，取進(jìn)氣質(zhì)量流量分別為167 400 kg/h、166 625 kg/h、165 850 kg/h、165 075 kg/h和164 300 kg/h，對(duì)應(yīng)工質(zhì)質(zhì)量流量分別為432 000 kg/h、430 000 kg/h、428 000 kg/h、426 000 kg/h和424 000 kg/h，各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率變化情況見(jiàn)圖9，各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率變化情況見(jiàn)圖10。從圖9可以看出，在等流量比下第一級(jí)壓縮機(jī)消耗功率不斷增大，第三級(jí)和第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率有所減小，而第二級(jí)壓縮機(jī)消耗功率基本保持穩(wěn)定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在穩(wěn)定狀態(tài)下壓縮機(jī)組總消耗功率最大值與最小值相差660.93 kW。從圖10可以看出，膨脹機(jī)組輸出功率不斷增大，穩(wěn)定狀態(tài)下最大值與最小值相差530.97 kW，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率變化幅度很小。

圖9 等流量比下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的變化

由圖11可知，在等流量比下系統(tǒng)效率變化很小。因此，在研究流量比對(duì)系統(tǒng)效率的影響時(shí)，可保持工質(zhì)質(zhì)量流量一定，僅探討進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響。

圖11 等流量比下系統(tǒng)效率的變化Fig.11 Variation of system efficiency at constant flow ratio

2.4 進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)的影響

保持工質(zhì)質(zhì)量流量一定，在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，設(shè)定進(jìn)氣質(zhì)量流量為166 400～168 400 kg/h。圖12給出了進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)各級(jí)壓比的影響。從圖12可以看出，在儲(chǔ)能階段，隨著進(jìn)氣質(zhì)量流量的增大，第一級(jí)和第二級(jí)壓比明顯減小，第三級(jí)和第四級(jí)壓比基本不變。

圖12 進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)各級(jí)壓比的影響Fig.12 Influence of mass flow of inlet air on eachcompression ratio

圖13給出了不同進(jìn)氣質(zhì)量流量下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的變化規(guī)律。從圖13可以看出，在儲(chǔ)能階段，第一級(jí)和第二級(jí)壓縮機(jī)消耗功率不斷降低，第三級(jí)壓縮機(jī)消耗功率先升高后降低，第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率一直升高。這是因?yàn)檫M(jìn)氣質(zhì)量流量和壓比均會(huì)影響各級(jí)壓縮機(jī)的消耗功率。由能量平衡方程可知，第一級(jí)和第二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度保持一定，當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量增加時(shí)，排氣溫度上升，為了實(shí)現(xiàn)控溫的目的，第一級(jí)和第二級(jí)壓縮機(jī)的壓比不斷減小，壓比對(duì)各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的影響更大，因此壓縮機(jī)的消耗功率會(huì)降低。第三級(jí)壓縮機(jī)的壓比先增大后減小，但變化程度較小，因此第三級(jí)壓縮機(jī)消耗功率也出現(xiàn)先升高后降低的情況；第四級(jí)壓縮機(jī)的壓比變化幅度很小，因此進(jìn)氣質(zhì)量流量的影響相對(duì)更大，所以第四級(jí)壓縮機(jī)消耗功率呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)。

圖13 不同進(jìn)氣質(zhì)量流量下各級(jí)壓縮機(jī)消耗功率的變化

圖14為各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率的變化。為了使各級(jí)膨脹機(jī)排氣溫度保持定值，當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量增加時(shí)，各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率逐漸減小。其主要原因是各級(jí)膨脹比均減小，其中第三級(jí)和第四級(jí)膨脹比降幅更大(見(jiàn)圖15)，對(duì)膨脹機(jī)輸出功率影響明顯。雖然進(jìn)氣質(zhì)量流量逐漸增加，但各級(jí)膨脹比均減小，且膨脹比對(duì)膨脹機(jī)組輸出功率的影響更大，導(dǎo)致各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率減小。

圖14 不同進(jìn)氣質(zhì)量流量下各級(jí)膨脹機(jī)輸出功率的變化

圖15 進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)膨脹比的影響Fig.15 Influence of mass flow of inlet air on expansion ratio

圖16給出了進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響。從圖16可以看出，當(dāng)保持工質(zhì)質(zhì)量流量一定時(shí)，在滿足換熱條件范圍內(nèi)，增大進(jìn)氣質(zhì)量流量會(huì)降低系統(tǒng)效率。當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量為166 400 kg/h時(shí)，系統(tǒng)效率最高可達(dá)57.18%，相比進(jìn)氣質(zhì)量流量為168 400 kg/h時(shí)系統(tǒng)效率提高4.73%，說(shuō)明進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響較為顯著。因此，為了保證先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下盡可能減小進(jìn)氣質(zhì)量流量。

圖16 進(jìn)氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響Fig.16 Influence of mass flow of inlet air on system efficiency

3 結(jié) 論

(1) 采用定壓比、定膨脹比時(shí)系統(tǒng)效率為49.7%，采用變壓比、變膨脹比時(shí)系統(tǒng)效率為53.98%，系統(tǒng)效率可提高4.28%。

(2) 在一定溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率對(duì)進(jìn)氣溫度的變化較敏感。當(dāng)進(jìn)氣溫度從25 ℃提高至35 ℃時(shí)，系統(tǒng)效率提高1.21%，但考慮加熱空氣需要消耗額外功，則系統(tǒng)效率的提升并不明顯。

(3) 等流量比下系統(tǒng)效率的變化程度很小，因此可以保持換熱工質(zhì)質(zhì)量流量一定，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣質(zhì)量流量來(lái)改變系統(tǒng)效率。

(4) 在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能減小進(jìn)氣質(zhì)量流量。當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量為166 400 kg/h時(shí)，系統(tǒng)效率最高可達(dá)57.18%。