聶江穩(wěn)

（山西興新安全生產(chǎn)技術服務有限公司，山西 太原 030000）

引言

可再生能源在全球能源消費中的份額為19%，到2050 年有可能達到100%。由于可再生能源的間歇性，需要儲能來平滑間歇性并轉移峰值負荷。在大規(guī)模儲能技術中，液-氣儲能（LAES）因其儲能密度大、無地理限制、響應速度快等優(yōu)點而備受關注。一些研究表明[1]，將LAES 與外部冷/熱源集成可顯著提高LAES 效率。據(jù)研究[2]，LAES 中存在大量過量的壓縮熱。另一方面，LNG 釋放大量冷能，這是一種能源浪費。本文通過布雷頓循環(huán)發(fā)電整合LAES 中的過剩壓縮熱與LNG 中的浪費冷能（LAES-LNG）。整合后具有較高的往返效率，提高了LAES 在大型儲能技術中的競爭力。

1 LAES 與LNG 的集成

圖1 顯示了LAES-LNG 系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括基準LAES、布雷頓循環(huán)和LNG 循環(huán)?；鶞蔐AES由一個充氣循環(huán)和一個排氣循環(huán)組成。

圖1 LAES-LNG 系統(tǒng)示意圖

在非高峰時間，充氣循環(huán)產(chǎn)生液體空氣[3]：非高峰電力用于將環(huán)境空氣（狀態(tài)2）壓縮至高壓（狀態(tài)8），同時空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量儲存在熱油儲罐中；然后，通過在空氣排放循環(huán)中從液體空氣中回收的冷能將高壓空氣冷卻至低溫（狀態(tài)10）；最后，低溫空氣在低溫渦輪機中膨脹，部分空氣液化，儲存在液體空氣罐中。LNG 循環(huán)在任何時間（峰值或非峰值）工作，LNG 的冷能被回收并儲存在加壓丙烷儲罐。在高峰時間，空氣排放循環(huán)工作以發(fā)電：液態(tài)空氣（狀態(tài)24）被泵送至高壓，然后逐漸向丙烷和甲醇釋放冷能。

在高峰時間，布雷頓循環(huán)用于輔助發(fā)電的空氣排放循環(huán)[4]：從LNG 中回收的多余熱油和冷能分別作為布雷頓循環(huán)的熱源和冷源，氮氣作為布雷頓循環(huán)的工作介質。

基線LAES（LAES）的往返效率定義為空氣放電循環(huán)中的輸出功率與空氣充電循環(huán)中的輸入功率之比。計算見式（1）：

式中：tdis為排氣時間；tch是充氣時間。

對于LAES-LNG，其往返效率定義為充氣循環(huán)和布雷頓循環(huán)中輸出功率之和與充氣循環(huán)中輸入功率之比。計算見式（2）：

直接膨脹液化天然氣循環(huán)中單位質量液化天然氣發(fā)電量的計算公式為式（3）：

式中：mLNG是LNG 的質量流量。

在與布雷頓循環(huán)耦合的LNG 循環(huán)中，單位質量LNG 的發(fā)電量通過公式（4）計算[5]。

2 結果及討論

系統(tǒng)性能工作參數(shù)：渦輪和壓縮機的等熵效率分別為0.9 和0.89；低溫泵和低溫渦輪的等熵效率分別為0.7 和0.8；充氣壓力和排氣壓力均設定為12 MPa；LNG 汽輪機進口壓力為12 MPa，天然氣輸送壓力為7 MPa；布雷頓水輪機進口壓力固定在12 MPa，出口壓力可變。

2.1 LAES-LNG 的往返效率

圖2 顯示了LAES-LNG 與基線LAES 的比較。LAES-LNG 的往返效率高達0.72，比基線LAES 高出31%，在大型儲能技術中具有相當?shù)母偁幜?。此外，隨著布雷頓汽輪機出口壓力的升高，LAES-LNG 的往返效率先升高后降低，在研究條件為2 MPa 情況下，LAES-LNG 存在最佳布雷頓汽輪機出口壓力。

圖2 不同布雷頓汽輪機出口壓力下LAES-LNG 和LAES 的比較

2.2 采用和不采用布雷頓循環(huán)的液化天然氣比發(fā)電量比較

利用液化天然氣發(fā)電的最簡單方法是在環(huán)境熱源加熱后直接膨脹高壓液化天然氣，而無需從液化天然氣中進行冷回收。LNG 的冷能用于驅動布雷頓循環(huán)，LAES 中的多余壓縮熱作為熱源。圖3 顯示了液化天然氣擴建和液化天然氣布萊頓之間單位質量液化天然氣發(fā)電量的比較。液化天然氣擴建產(chǎn)生的功率為8.5 kJ/kg，而液化天然氣布雷頓擴建產(chǎn)生的功率高于80 kJ/kg。因此，LAES-LNG 可以顯著提高LNG 的發(fā)電量。此外，布雷頓汽輪機出口壓力較低有利于LNG發(fā)電。

圖3 使用和不使用布雷頓循環(huán)的液化天然氣比發(fā)電量比較

2.3 LAES-LNG 當前配置中的浪費冷能

在LAES-LNG 的當前配置中，LNG 的冷能用于冷卻布雷頓循環(huán)中離開布雷頓渦輪機的氮氣；低溫氮氣隨后由布雷頓壓縮機壓縮至高壓（狀態(tài)39）。為了評估狀態(tài)39 下的氮氣是否仍具有有價值的冷能，對其溫度和冷能量進行分析，如圖4 所示。隨著布雷頓水輪機出口壓力的增加，氮氣溫度顯著降低至134K，冷量顯著增加。因此，仍有高品位的冷能需要進一步提高系統(tǒng)性能。

圖4 LAES-LNG 當前配置中的浪費冷能

3 結論

將LAES 與LNG 整合：LAES 中的多余壓縮熱和LNG 的廢冷能用于驅動布雷頓循環(huán)發(fā)電。主要結論如下：

1）LAES-LNG 可實現(xiàn)約0.72 的高往返效率，與其他大型儲能技術（約0.7）相當。因此，本文提出的方法是提高LAES 效率的有效途徑。

2）布雷頓汽輪機的出口壓力對LAES-LNG 的往返效率有顯著影響，實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能的最佳值為2 MPa。

3）與直接膨脹相比，布雷頓循環(huán)單位質量的液化天然氣可以產(chǎn)生更多的功率。