孫曉霞，桂中華，高梓玉，周冰倩，劉 夏，張新敬,4，郭 歡，李 文，盛 勇，朱陽歷，周 健，徐玉杰

（1國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100761；2中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4中科南京未來能源系統(tǒng)研究院，江蘇 南京 211135）

為了推動能源低碳綠色發(fā)展，應(yīng)對全球氣候變化，我國提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。實施“雙碳”戰(zhàn)略是保障能源安全和實現(xiàn)能源強(qiáng)國的重要舉措，2060 年實現(xiàn)碳中和，要求我國非化石能源比例由目前的20%上升到80%[2]，未來能源系統(tǒng)將是以新能源為主體、多種形式能源共同構(gòu)成的多元化能源系統(tǒng)。然而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電本身的波動性和間歇性決定了靈活性將是新能源系統(tǒng)必不可少的組成部分[3]?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)無法適應(yīng)大規(guī)模可再生能源的接入，難以滿足新形勢下的電網(wǎng)運行需求，儲能技術(shù)則是解決可再生能源大規(guī)模消納和穩(wěn)定輸出、提高電力系統(tǒng)效率與安全性的關(guān)鍵技術(shù)，儲能技術(shù)通過人為地釋放和存儲能量彌補(bǔ)能量在供需之間的差異性，高效利用能源，是支撐和落實能源革命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)[3-5]。圖1 為2023—2030 年全球儲能裝機(jī)預(yù)測值，可以看出，儲能行業(yè)發(fā)展迎來重大機(jī)遇，2030 年全球儲能裝機(jī)預(yù)測將達(dá)到150 GWh左右[6]。

圖1 全球儲能裝機(jī)預(yù)測(DOE)Fig.1 Forecast of global energy storage installations(DOE)

國內(nèi)外大規(guī)模新型儲能技術(shù)研發(fā)與示范應(yīng)用項目陸續(xù)啟動，儲能技術(shù)主要包括液流電池、鈉離子電池、鋰離子電池、壓縮空氣儲能、鉛碳電池、儲熱技術(shù)等[3，7-8]。其中壓縮空氣儲能(CAES)具有效率高、容量大、壽命長、成本相對低廉、對環(huán)境友好等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一[9-10]。圖2 為美國能源部(DOE)對2023—2030 年全球CAES 系統(tǒng)裝機(jī)預(yù)測值[6]，可以看出，2030 年CAES 系統(tǒng)裝機(jī)預(yù)測將達(dá)到60 GWh 左右，約占全球儲能裝機(jī)的40%；CAES將快速發(fā)展，成為大規(guī)模儲能技術(shù)的主力軍之一[6]。

圖2 全球CAES裝機(jī)預(yù)測(DOE)Fig.2 Global CAES installed capacity forecast(DOE)

截至目前，世界上僅有德國Huntorf 和美國McIntosh兩座投產(chǎn)的商業(yè)化傳統(tǒng)CAES電站[10]，由于傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)存在依賴化石燃料、效率低、能量密度低等缺點，近年來形成了蓄熱式壓縮空氣儲能(TS-CAES)、等溫壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、超臨界壓縮空氣儲能、水下壓縮空氣儲能、濕空氣透平壓縮空氣儲能以及CAES耦合系統(tǒng)等多種新型CAES 系統(tǒng)[10]。以上新型CAES 系統(tǒng)中，TSCAES 系統(tǒng)的技術(shù)最為成熟，具有不消耗化石燃料、流程簡單、效率高等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的山東省泰安市肥城10 MW鹽穴CAES電站于2021年9 月并網(wǎng)發(fā)電成功[11]、張家口市張北縣的國際首套100 MW先進(jìn)CAES國家示范項目已建設(shè)安裝完成，并于2022年9月順利實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)[12]，TS-CAES系統(tǒng)成為最具有產(chǎn)業(yè)化前景的大規(guī)模CAES儲能技術(shù)。

CAES系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、燃燒室、儲氣室、膨脹機(jī)和電動機(jī)等關(guān)鍵部件，分為儲能與釋能兩個過程。儲能過程，利用風(fēng)電、光電等可再生能源電力驅(qū)動壓縮機(jī)壓縮空氣，將高壓空氣存儲于儲氣室中；釋能過程，儲氣室中的高壓空氣驅(qū)動膨脹機(jī)做功進(jìn)行發(fā)電。CAES 系統(tǒng)的運行過程中，由于可再生能源電力輸入波動、儲氣室壓力變化、負(fù)荷調(diào)節(jié)需要以及環(huán)境溫度、壓力變化等原因，其一直處于變工況條件下運行，如圖3 所示[13-14]。通常CAES系統(tǒng)為定容儲氣，儲能過程中儲氣室內(nèi)的壓力不斷升高；釋能過程中儲氣室內(nèi)的壓力不斷降低。目前，多采用節(jié)流閥節(jié)流的方式穩(wěn)定壓縮機(jī)出口壓力和膨脹機(jī)入口壓力，即定壓運行方式。該方式使壓縮機(jī)和膨脹機(jī)在接近設(shè)計條件下運行，但節(jié)流閥會產(chǎn)生節(jié)流損失，可能會降低系統(tǒng)效率。因此為減少節(jié)流損失，滑壓運行方式開始獲得廣泛關(guān)注。郭歡等[15]對比了定壓和滑壓運行策略對TSCAES 系統(tǒng)儲/釋能變工況特性和質(zhì)量流量、功率、各級壓比/膨脹比等關(guān)鍵參數(shù)的影響，結(jié)果表明：與定壓運行相比，滑壓運行可使系統(tǒng)效率提高2.08%。Han 等[16]考慮了壓縮和膨脹過程壓力調(diào)控的不同模式，對比了定壓-定壓、定壓-滑壓、定壓-滑壓、滑壓-滑壓運行模式下的儲釋能特性。在4種運行模式中，滑壓-滑壓運行模式的系統(tǒng)效率和儲能密度最大。但以往研究僅針對同一儲/釋能時間開展不同運行模式對比分析，且未關(guān)注在同一過程(如儲能過程或釋能過程)定壓與滑壓結(jié)合的運行模式對CAES系統(tǒng)性能的影響，以及未考慮動態(tài)運行調(diào)控對部件性能的影響。鑒于CAES系統(tǒng)變工況特性研究的重要性及對TS-CAES 系統(tǒng)變工況特性研究不足的問題，本工作通過對CAES系統(tǒng)儲、釋能過程變壓力工作過程的仿真分析與性能計算，能夠獲得CAES 在變工況條件下的系統(tǒng)效率，同時，也可以獲得不同工作參數(shù)下，各個部件的工作性能，指導(dǎo)部件的設(shè)計與調(diào)節(jié)。

圖3 CAES系統(tǒng)動態(tài)運行示意圖Fig.3 Dynamic operation diagram of CAES system

1 蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作原理

TS-CAES 系統(tǒng)流程圖如圖4 所示，其工作原理為：儲能過程中電動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)將空氣壓縮，儲存在儲氣室中，同時，來自冷罐的換熱流體經(jīng)間冷器將壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱吸收并儲存到熱罐，從而將電能轉(zhuǎn)化為壓力能和熱能；釋能過程，儲氣室的高壓空氣釋放，再被熱罐的換熱流體經(jīng)再熱器加熱后進(jìn)入膨脹機(jī)做功發(fā)電，將壓力能和熱能轉(zhuǎn)化為電能，同時，被高壓空氣冷卻后的換熱流體經(jīng)后冷器散熱后，流入冷罐。

圖4 TS-CAES系統(tǒng)流程圖Fig.4 TS-CAES system flowchart

2 蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學(xué)模型

2.1 壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)變工況運行時，其壓比、效率的通用特性曲線可以近似表示為相對折合質(zhì)量流量和相對折合轉(zhuǎn)速的函數(shù)[17]：

式中，G?c為相對折合空氣質(zhì)量流量，n?c為相對折合轉(zhuǎn)速，ε?c為相對折合壓比，η?c為相對折合等熵效率。

各級壓縮機(jī)出口溫度、出口壓力以及壓縮功分別為：

式中，Tc,out、pc,out分別為壓縮機(jī)的出口溫度、出口壓力；hc,in、hc,out分別為壓縮機(jī)的入口比焓、出口比焓。

2.2 膨脹機(jī)

透平膨脹機(jī)變工況運行時，其膨脹比、效率隨轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)變化而變化，根據(jù)弗留格爾公式得到透平膨脹機(jī)的通流特性公式[17]：

式中，πe、πe0分別為膨脹比、設(shè)計膨脹比，G?e為相對折合空氣質(zhì)量流量，n?e為相對折合轉(zhuǎn)速，η?e為相對折合等熵效率。

各級膨脹機(jī)出口溫度、出口壓力、膨脹功以及等熵膨脹功分別為：

式中，Te,out、pe,out分別為膨脹機(jī)的出口溫度、出口壓力，he,in、he,out分別為膨脹機(jī)的入口比焓、出口比焓，ηe為膨脹機(jī)的效率。因此實際膨脹過程的膨脹效率定義為：

式中，i、t分別代表膨脹機(jī)級數(shù)和釋能時間。

2.3 換熱器

根據(jù)能量守恒，空氣釋放的熱量和循環(huán)水吸收的熱量相等：

式中，下標(biāo)cold 和hot 分別表示冷流體和熱流體，in和out分別表示進(jìn)口和出口。

采用效能-傳熱單元數(shù)(ε-NTU)法建立換熱器變工況數(shù)學(xué)模型：

式中，ε為換熱器效能，NTU 為換熱單元數(shù)，是反映換熱器結(jié)構(gòu)和流體最小熱容率的物理量，mcp為流體比熱容，χ為兩種流體比熱容的比值，Uh為換熱器傳熱系數(shù)，Ah為換熱器傳熱面積。

當(dāng)兩種流體比熱容相等時，換熱器效能表示為[17]：

由于換熱器的面積和空間有限，空氣通過換熱器時，存在不可忽視的流動阻力，采用以下壓損模型：

式中，T表示溫度；p表示壓力；?p為空氣經(jīng)間冷器/再熱器的壓力損失；下標(biāo)in表示入口參數(shù)，d表示設(shè)計值。

從各級換熱器出來的水混合滿足能量守恒：

式中，mi為各級換熱器的循環(huán)水流量；hi,in為各級換熱器出口循環(huán)水的比焓；hin,tank為熱罐中熱水的比焓。

2.4 儲氣室

儲氣室與壓縮機(jī)組/膨脹機(jī)組之間的物質(zhì)流動和能量流動關(guān)系，屬于非穩(wěn)定的熱力學(xué)開口系統(tǒng)問題。根據(jù)質(zhì)量守恒定理和能量守恒定理可得：

式中，m?in、m?out為儲氣室充、放氣時的空氣質(zhì)量流量，m為儲氣室的空氣質(zhì)量，t為時間，u為空氣的內(nèi)能，h為空氣的比焓，T為儲氣室內(nèi)空氣溫度，Tenv為環(huán)境溫度，Kw為儲氣室內(nèi)空氣與環(huán)境的換熱系數(shù)，Aw為儲氣室的換熱表面積。

進(jìn)一步結(jié)合理想氣體微分方程關(guān)系式：

可得，儲氣室內(nèi)部空氣壓力、溫度隨時間變化的微分方程式：

2.5 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

采用儲能效率與儲能密度來衡量先進(jìn)CAES系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化利用情況，儲能效率為系統(tǒng)總膨脹功與總壓縮功的比值，衡量系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換情況；儲能密度為系統(tǒng)總膨脹功與儲氣室體積的比值，衡量系統(tǒng)在單位儲氣室體積下的做功能力。

3 結(jié)果與討論

本工作以功率等級為10 MW的TS-CAES系統(tǒng)作為研究對象，六級壓縮、四級膨脹，采用定容儲氣室儲氣，以及主動蓄熱方式進(jìn)行蓄熱，蓄熱介質(zhì)為水，儲能過程換熱器為間冷器進(jìn)行級間冷卻，釋能過程換熱器為再熱器進(jìn)行級間再熱。TS-CAES系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1～2 所示。不同釋能時間下儲氣室容積的計算流程如圖5所示，以滿足儲氣室最終壓力和釋能時間為條件來確定儲氣室容積。

表1 TS-CAES系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters for the TS-CAES system

表2 儲能過程與釋能過程設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters for the charge and discharge process

圖5 儲氣室容積的計算流程Fig.5 The flowchart for determining the volume of the air chamber

3.1 儲能過程

3.1.1 壓縮機(jī)定壓運行

儲能過程采取定壓運行策略，即在壓縮機(jī)組與儲氣室之間通過安裝調(diào)節(jié)閥抵消由于儲氣室充氣導(dǎo)致的背壓升高，此種運行方式使得壓縮機(jī)組在設(shè)計工況下運行，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。儲氣室初始壓力為7 MPa、初始溫度為298 K，終止條件為儲氣室壓力達(dá)到設(shè)計值，最終獲得不同釋能時間下儲氣室空氣壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口流量和總功率等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

圖6 為在不同釋能時間下儲能過程儲氣室壓力、溫度與質(zhì)量變化曲線，可以看出，儲氣室壓力和質(zhì)量隨時間線性增加，溫度隨時間緩慢增加最終趨于平緩。原因是儲能過程中空氣不斷流入儲氣室，且由于調(diào)節(jié)閥的存在，空氣質(zhì)量流量恒定，隨著儲能過程的進(jìn)行，定容儲氣室內(nèi)的空氣被壓縮，壓力和內(nèi)能均增加，同時儲氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，導(dǎo)致儲氣室溫度最終將趨于穩(wěn)定，而壓力和質(zhì)量受流量影響較為顯著，都近似于線性增長。不同釋能時間并不改變儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率不同。圖7為釋能10 h時定壓運行下的質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率變化曲線，可以看出，由于定壓運行使用節(jié)流閥，從而使得空氣質(zhì)量流量恒定并使壓縮機(jī)入口壓力恒為10 MPa，所以壓縮機(jī)總功率也保持設(shè)計值10 MW不變。

圖6 不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線 (a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.6 Pressure, temperature and mass curve of the air storage chamber in different charging time

圖7 儲能過程定壓運行質(zhì)量流量及膨脹機(jī)總功率變化曲線(10 h)Fig.7 Variation curve of air mass flow and total output power in charging process under constant pressure(10 h)

3.1.2 壓縮機(jī)滑壓運行

儲能過程采取滑壓運行策略，即末級壓縮機(jī)出口壓力隨儲氣室壓力變化而變化。儲氣室初始壓力為7 MPa、初始溫度為298 K，終止條件為儲氣室壓力達(dá)到設(shè)計值，最終獲得不同釋能時間下儲氣過程中儲氣室壓力、溫度、質(zhì)量、壓縮機(jī)壓比、等熵效率和總功率等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

圖8為儲能過程儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量隨時間的變化曲線，可以看出，儲氣室壓力和質(zhì)量隨時間線性增加，溫度隨時間緩慢增加最終趨于平緩。原因是儲能過程中空氣不斷流入儲氣室，儲氣室內(nèi)空氣壓力、溫度均上升，儲氣室內(nèi)的空氣被壓縮，壓力和內(nèi)能均增加，同時儲氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，導(dǎo)致儲氣室溫度最終將趨于穩(wěn)定。不同釋能時間并不改變儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率不同。

圖8 不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.8 Pressure, temperature and mass curve of the air storage chamber in different charging time

圖9為儲能過程滑壓運行時空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率隨時間的變化曲線，可以看出：空氣質(zhì)量流量隨時間逐漸減小，壓縮機(jī)總功率隨時間先增大后減小。原因是隨著儲能過程的進(jìn)行，儲氣室壓力逐漸增加至設(shè)計值，壓縮機(jī)背壓增加，壓比增大，由壓縮機(jī)流量特性曲線可知，流量隨壓比的增大而減?。粔嚎s機(jī)總功率主要影響因素為壓縮機(jī)壓比和質(zhì)量流量，儲氣室空氣壓力較小時，流量大而壓比小，儲氣室空氣壓力較大時，壓比大而流量小，因此，壓縮機(jī)總功率最大值為中間某一時刻的值。儲能過程結(jié)束，儲氣室壓力上升至 10 MPa，此時，空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率均達(dá)到設(shè)計值。不同釋能時間并不改變空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢，只是由于工作時間不同，曲線斜率在改變。

圖9 不同釋能時間下質(zhì)量流量與壓縮機(jī)總功率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.9 Variation curve of air mass flow and total output power in different charging time

圖10 為儲能過程滑壓運行時各級壓縮機(jī)壓比隨時間的變化曲線，可以看出：各級壓縮機(jī)壓比隨時間逐漸增加至設(shè)計值，且級數(shù)越靠后的壓縮機(jī)壓比越小。原因是儲氣室壓力越小于設(shè)計壓力，總壓比就越?。煌ㄟ^各級壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量相同，而各級入口壓力的變化較大，導(dǎo)致級數(shù)越靠后的壓縮機(jī)入口壓力減小值越大，相對折合質(zhì)量流量增加越多，壓比就越小。

圖10 不同釋能時間下滑壓運行各級壓縮機(jī)壓比變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.10 Variation curve of each stage's compression ratio in different discharging time

圖11 為儲能過程滑壓運行時各級壓縮機(jī)等熵效率隨時間的變化曲線，可以看出：壓縮機(jī)等熵效率變化趨勢與壓比相近。原因是入口壓力變化越大，則相對折合流量增加越多，導(dǎo)致等熵效率減小越多，級數(shù)越大，等熵效率越低。

圖11 不同釋能時間下滑壓運行壓縮機(jī)各級等熵效率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.11 Variation curve of each stage's insentropic efficiency in different discharging time

3.2 釋能過程

3.2.1 膨脹機(jī)定壓運行

以儲能過程結(jié)束時儲氣室溫度為釋能過程初始溫度條件，釋能過程采取定壓運行策略，即在儲氣室與膨脹機(jī)組之間通過安裝節(jié)流閥抵消由于儲氣室放氣導(dǎo)致的壓力下降，保證膨脹機(jī)入口壓力為設(shè)計入口壓力7 MPa，獲得不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口質(zhì)量流量和總功率隨時間的變化規(guī)律，系統(tǒng)運行終止條件為儲氣室壓力減小至7 MPa。

圖12 為在不同釋能時間下定壓運行時儲氣室壓力、溫度與質(zhì)量變化曲線，可以看出，儲氣室壓力和質(zhì)量隨時間線性減少，溫度隨時間緩慢減少最終趨于平緩。釋能過程中空氣不斷從儲氣室流出，節(jié)流閥使得空氣質(zhì)量流量恒定，隨著釋能過程的進(jìn)行，儲氣室內(nèi)壓力和內(nèi)能均降低，同時儲氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，所以儲氣室溫度趨于平緩。不同釋能時間并不改變儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率不同。圖13 為釋能10 h 時定壓運行下的質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率變化曲線，可以看出，由于定壓運行使用節(jié)流閥，從而使得空氣質(zhì)量流量恒定并使膨脹機(jī)入口壓力恒為7 MPa，所以膨脹機(jī)總功率也保持設(shè)計值10 MW不變。

圖12 不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.12 Pressure, temperature and mass curve of the air storage chamber in different discharging time

圖13 釋能過程定壓運行質(zhì)量流量及膨脹機(jī)總功率變化曲線(10 h)Fig.13 Variation curve of air mass flow and total output power in discharging process under constant pressure(10 h)

3.2.2 膨脹機(jī)滑壓運行

釋能過程采取滑壓運行策略，即儲氣室壓力為第一級膨脹機(jī)入口壓力，膨脹機(jī)入口壓力隨儲氣室壓力的減小而減小，獲得不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口質(zhì)量流量、膨脹機(jī)膨脹比、等熵效率和總功率等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，終止條件為儲氣室壓力減小至7 MPa。

圖14 為不同釋能時間下滑壓運行時儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量隨時間的變化曲線，可以看出：儲氣室內(nèi)空氣壓力和質(zhì)量隨時間線性下降，溫度隨時間快速降低后再增加。原因是釋能過程，空氣不斷流出，儲氣室內(nèi)的壓力和溫度均下降，同時由于儲氣室內(nèi)外溫差逐漸增大，換熱量逐漸增加，導(dǎo)致儲氣室溫度減小一定時間后逐漸上升。不同釋能時間并不改變儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率不同。

圖14 不同釋能時間下儲氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線 (a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.14 Pressure, temperature and mass curve of the air storage chamber in different discharging time

圖15 為釋能過程滑壓運行時不同釋能時間下空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率變化曲線，可以看出，空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率均隨時間呈下降趨勢。原因是隨著釋能過程的進(jìn)行，儲氣室壓力逐漸下降，即第一級膨脹機(jī)入口壓力降低，由膨脹機(jī)特性曲線可得，空氣質(zhì)量流量下降，同時，膨脹機(jī)總功率隨之降低。不同釋能時間并不改變空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率在改變。

圖15 不同釋能時間下質(zhì)量流量與膨脹機(jī)總功率變化曲線Fig.15 Variation curve of air mass flow and total output power in different discharging time

圖16 為不同釋能時間下各級膨脹機(jī)膨脹比的變化曲線，可以看出，第一至三級膨脹機(jī)膨脹比隨時間變化不太明顯，第四級膨脹機(jī)膨脹比變化顯著，且隨時間逐漸下降。原因是前三級的膨脹機(jī)入口壓力折合流量變化不大，而靠近大氣壓側(cè)的膨脹機(jī)，其相對折合流量變化較大，所以膨脹比隨時間變化明顯。不同釋能時間并不改變空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢，只是由于工作時間不同，變化斜率在改變。

圖16 不同釋能時間下滑壓運行各級膨脹機(jī)膨脹比變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.16 Variation curve of each stage's expansion ratio in different discharging time

圖17 為不同釋能時間下滑壓運行時各級膨脹機(jī)等熵效率隨時間的變化曲線，可以看出，四級膨脹機(jī)的等熵效率隨時間基本不變，但相對而言第四級膨脹機(jī)與前三級相比，變化較為明顯。原因是前三級膨脹機(jī)膨脹比變化較小，由膨脹機(jī)特性曲線可得其等熵效率變化較小，第四級膨脹比變化大導(dǎo)致等熵效率變化也較大，同樣，釋能時間也不影響各級膨脹機(jī)效率。

圖17 不同釋能時間下滑壓運行膨脹機(jī)各級等熵效率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 hFig.17 Variation curve of each stage's insentropic efficiency in different discharging time

3.3 不同運行模式對比

TS-CAES 系統(tǒng)儲-釋能過程(壓縮機(jī)、膨脹機(jī))分別采用定壓-定壓、定壓-滑壓、滑壓-定壓和滑壓-滑壓四種運行模式下TS-CAES系統(tǒng)的儲能效率的對比如圖18 所示，儲氣室壓力由10 MPa 到7 MPa變化，可以看出：釋能時間越長，儲能效率越大，但相差不大，不同模式下的TS-CAES系統(tǒng)儲能效率隨時間分別增長了1.42%、1.38%、1.45%、1.40%。對比四種不同運行模式，可以看出，儲能過程滑壓運行和釋能過程定壓運行時，TS-CAES系統(tǒng)儲能效率最高，在釋能時間為10 h時，儲能效率為72.11%。

圖18 不同運行模式下TS-CAES系統(tǒng)的儲能效率Fig.18 Energy storage efficiency of the TS-CAES system in different operating modes

由上述可知，儲能過程滑壓運行可以提高性能，因此為進(jìn)一步探究儲氣室壓力變化范圍對系統(tǒng)性能影響，針對釋能時間6 h 的TS-CAES 系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，運行模式分為以下四種：①滑壓-滑壓(10 MPa-7 MPa)；②滑壓-定壓(10 MPa-7 MPa)；③滑壓-滑壓(10 MPa-4 MPa)；④滑壓-定壓+滑壓(10 MPa-7 MPa-4 MPa)，不同運行方式的系統(tǒng)性能對比如表3 所示。由表可知，擴(kuò)大儲氣室壓力變化范圍可以提高系統(tǒng)儲能效率和儲能密度，最多分別提高了3.22%、13.53 MJ/m3。但是由于釋能時間增加，會增加膨脹過程能量損失，從而降低膨脹效率。對于儲氣室壓力在10 MPa 至4 MPa 范圍，模式4 的儲能效率和儲能密度最大，分別提高了0.88%、0.31 MJ/m3。這說明在釋能過程只采用滑壓運行雖然可以減少節(jié)流損失，但是其也會使膨脹機(jī)無法在設(shè)計工況下工作而對系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)影響。然而，若釋能過程采取定壓與滑壓運行相結(jié)合的模式，即在高于膨脹機(jī)設(shè)計入口壓力時定壓運行，低于膨脹機(jī)入口壓力時滑壓運行，則既可以讓膨脹機(jī)在設(shè)計工況下工作，又可以減少定壓節(jié)流損失，從而提高TS-CAES系統(tǒng)性能。

表3 不同運行方式下系統(tǒng)性能對比Table 3 Performance comparison of system in two different operation modes

4 結(jié) 論

蓄熱式壓縮空氣儲能(TS-CAES)系統(tǒng)是一種大規(guī)模、低成本、高效率的長時儲能技術(shù)，將其集成于大規(guī)模可再生能源系統(tǒng)，能夠有效提升其發(fā)電質(zhì)量及并網(wǎng)率，支撐新型電力系統(tǒng)發(fā)展，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中，為了平衡“源-荷”的不穩(wěn)定性，需要TS-CAES具有較好的動態(tài)運行性能。

本研究圍繞TS-CAES 系統(tǒng)的動態(tài)運行工況，開展了基于不同運行模式的系統(tǒng)性能研究，建立了詳細(xì)的關(guān)鍵部件模型，以10 MW TS-CAES系統(tǒng)為對象，揭示了儲能過程定壓運行和滑壓運行不同釋能時間的儲氣室內(nèi)氣體狀態(tài)變化規(guī)律，滑壓運行模式不同釋能時間下各級壓比和各級壓縮效率的變化曲線；釋能過程定壓運行和滑壓運行不同釋能時間的儲氣室內(nèi)氣體狀態(tài)變化規(guī)律，滑壓運行模式不同釋能時間下各級膨脹比和各級膨脹效率的變化曲線。探究了四種運行模式：定-定、定-滑、滑-定和滑-滑對不同釋能時間下系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)而針對釋能時間6 h 的TS-CAES 系統(tǒng)提出釋能過程滑壓和定壓結(jié)合的運行模式。研究結(jié)果表明：TS-CAES系統(tǒng)在不同釋能時間下均是滑-定運行下的儲能效率最高，且效率隨釋能時間增加而略有增加，最高為72.11%。釋能過程滑壓運行至4 MPa比運行至7 MPa系統(tǒng)性能更優(yōu)，釋能過程采取定壓和滑壓結(jié)合模式可以提高系統(tǒng)效率和能量密度，分別為73.98%、26.49 MJ/m3。