黃 焰，王新超，徐志強(qiáng)

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 211102；2.中能建數(shù)字科技集團(tuán)有限公司，北京 100124）

風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)給電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）技術(shù)具有成本低、容量大、效率高的特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景[2]。

多位學(xué)者針對(duì)CAES 系統(tǒng)進(jìn)行研究，以得到提高CAES 系統(tǒng)性能的方法。李揚(yáng)等[2]提出采用閥門(mén)與減壓容器相結(jié)合的方法控制膨脹機(jī)入口壓力，并驗(yàn)證此方法可以平滑調(diào)控膨脹機(jī)入口壓力。郭歡等[3]建立了10 MW的CAES 熱力學(xué)模型，對(duì)其變工況特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)采用滑壓運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)效率比定壓運(yùn)行高2.08%。羅予澤等[4]建立了70 MW 的CAES 系統(tǒng)，提出了基于模糊控制的CAES 系統(tǒng)調(diào)頻方法，有效降低了系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)的頻率偏移量，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。楊緒青等[5]提出了一種集成CAES 系統(tǒng)與吸收式熱泵系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，新的集成系統(tǒng)可以額外輸出5.8 MW 的供熱功率，效率和循環(huán)效率分別提高了1.87%和29.96%。虞啟輝等[6]基于風(fēng)能不確定條件建立了CAES系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型，并通過(guò)多場(chǎng)景案例進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該方法可以有效減少棄風(fēng)量、節(jié)約購(gòu)電成本。

本文基于MSP 平臺(tái)建立了300 MW 的CAES 系統(tǒng)仿真模型，分析環(huán)境溫度和濕度對(duì)CAES 系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，為CAES 系統(tǒng)的運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CAES 系統(tǒng)流程如圖1 所示。儲(chǔ)能過(guò)程中，空氣依次經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)和間冷器后，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中，同時(shí)，來(lái)自冷罐的水吸收壓縮熱后進(jìn)入熱罐，此過(guò)程中，電能被轉(zhuǎn)化為壓力能和熱能。釋能過(guò)程中，儲(chǔ)氣室中的高壓空氣依次經(jīng)過(guò)再熱器和膨脹機(jī)做功，同時(shí)，熱罐中的水在再熱器中放出熱量后進(jìn)入冷罐，此過(guò)程中，壓力能和熱能被轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

CAES 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 300 MW 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 系統(tǒng)模型

2.1 熱力學(xué)模型

利用多學(xué)科仿真平臺(tái)（MSP）建立了CAES 系統(tǒng)熱力學(xué)模型。

2.1.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)耗功為

式中：Wc為壓縮機(jī)耗功，kW；Gc，out為壓縮機(jī)出口質(zhì)量流量，kg/s；hc，in和hc，out分別為壓縮機(jī)進(jìn)出口比焓，kJ/kg。

2.1.2 膨脹機(jī)

膨脹機(jī)做功為

式中：Wt為膨脹機(jī)耗功，kW；Gt，out為膨脹機(jī)出口質(zhì)量流量，kg/s；ht，in和ht，out分別為膨脹機(jī)進(jìn)出口比焓，kJ/kg。

2.1.3 換熱器

基于能量守恒建立換熱器模型為

式中：G為質(zhì)量流量，kg/s；h為比焓，kJ/kg；下標(biāo)hot 和cold 分別表示熱側(cè)和冷側(cè)；下標(biāo)in 和out 分別表示進(jìn)口和出口。

2.1.4 儲(chǔ)氣室

儲(chǔ)氣室質(zhì)量平衡為

式中：ρ 為儲(chǔ)氣室空氣密度，kg/m3；V為儲(chǔ)氣室體積，m3；Gin和Gout分別為進(jìn)氣和出氣流量，kg/s。

2.1.5 閥門(mén)

閥門(mén)的流通能力計(jì)算公式為

式中：ΔP為閥門(mén)進(jìn)出口壓差，kPa；ρin為閥門(mén)入口工質(zhì)密度，kg/m3。

2.2 模型驗(yàn)證

當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境平均溫度為16 ℃，濕度為79%，對(duì)比了此環(huán)境參數(shù)下儲(chǔ)能階段的儲(chǔ)氣室壓力的仿真值和設(shè)計(jì)值，結(jié)果如圖2 所示。儲(chǔ)能過(guò)程中，儲(chǔ)氣室壓力的仿真值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差始終保持在1%以?xún)?nèi)，表明本文所建立的模型具有較高精度，能夠滿(mǎn)足工程計(jì)算需求。

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果

3 環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響

環(huán)境參數(shù)的變化會(huì)對(duì)CAES 系統(tǒng)的運(yùn)行造成較大影響，本文對(duì)不同環(huán)境參數(shù)下的CAES 系統(tǒng)壓縮過(guò)程的性能展開(kāi)研究。選取空氣溫度的變化范圍為5~35 ℃，空氣濕度的范圍為45%~90%。

CAES 系統(tǒng)的壓縮過(guò)程采用滑壓運(yùn)行模式，前3 級(jí)壓縮機(jī)為定頻運(yùn)行，第4 級(jí)壓縮機(jī)為變頻運(yùn)行，通過(guò)改變壓縮機(jī)頻率，使整個(gè)壓縮過(guò)程的壓縮機(jī)入口流量保持不變。

3.1 壓縮機(jī)入口空氣溫度

為分析空氣溫度對(duì)CAES 系統(tǒng)運(yùn)行的影響，保持空氣相對(duì)濕度為75%，分別在空氣溫度為5、15、25 和35 ℃的情況下，模擬CAES 系統(tǒng)壓縮過(guò)程。各級(jí)壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量見(jiàn)表2，壓縮過(guò)程中系統(tǒng)的壓縮機(jī)總功率和各級(jí)壓縮機(jī)功率的變化分別如圖3 和圖4 所示。

表2 不同空氣溫度下各級(jí)壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量

圖3 不同空氣溫度下壓縮過(guò)程壓縮機(jī)總功率

圖4 不同空氣溫度下壓縮過(guò)程各級(jí)壓縮機(jī)功率

空氣溫度分別為5、15、25 和35 ℃時(shí)，壓縮過(guò)程時(shí)間分別為28 653、28 760、28 949 和29 303 s?？諝庀鄬?duì)濕度保持不變時(shí)，空氣溫度增大會(huì)導(dǎo)致壓縮過(guò)程時(shí)間增大，原因是空氣溫度增大使空氣飽和絕對(duì)濕度增大，在相對(duì)空氣濕度保持不變的情況下，空氣溫度越高，空氣絕對(duì)濕度越大，即空氣中水蒸氣含量越大，由于壓縮機(jī)入口空氣質(zhì)量流量始終為231 kg/s，水蒸氣含量大會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入儲(chǔ)氣室的空氣質(zhì)量流量減小，壓縮過(guò)程時(shí)間增大?？諝鉁囟鹊淖兓瘯?huì)影響壓縮過(guò)程中壓縮機(jī)總功率和各級(jí)壓縮機(jī)功率：空氣溫度增大，壓縮機(jī)1 功率增大，壓縮機(jī)2 功率減小，壓縮機(jī)3 功率減小，壓縮機(jī)4功率增大，壓縮機(jī)總功率增大。原因是壓縮機(jī)1 入口質(zhì)量流量相等，隨空氣溫度增大，壓縮機(jī)1 壓比減小，壓縮機(jī)1 功率增大；隨空氣溫度增大，壓縮機(jī)2 入口質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)2 入口溫度增大，壓縮機(jī)2 壓比減小，壓縮機(jī)2 功率減??；隨空氣溫度增大，壓縮機(jī)3 入口質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)3 入口溫度基本不變，壓縮機(jī)3 壓比減小，壓縮機(jī)3 功率減??；壓縮機(jī)4 入口質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)4 入口溫度減小，壓縮機(jī)4 壓比增大，壓縮機(jī)4 功率增大。

3.2 壓縮機(jī)入口空氣濕度

為分析空氣濕度對(duì)CAES 系統(tǒng)運(yùn)行的影響，保持空氣溫度為15 ℃，分別在空氣濕度為45%、60%、75%和90%的情況下，模擬CAES 系統(tǒng)壓縮過(guò)程。各級(jí)壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量見(jiàn)表3，壓縮過(guò)程中系統(tǒng)的壓縮機(jī)總功率和各級(jí)壓縮機(jī)功率的變化分別如圖5 和圖6所示。

表3 不同空氣濕度下各級(jí)壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量

圖5 不同空氣濕度下壓縮過(guò)程壓縮機(jī)總功率

圖6 不同空氣濕度下壓縮過(guò)程各級(jí)壓縮機(jī)功率

空氣濕度分別為45%、60%、75%和90%時(shí)，壓縮過(guò)程時(shí)間分別為28 667、28 717、28 760 和28 788 s。空氣溫度保持不變時(shí)，空氣濕度增大會(huì)導(dǎo)致壓縮過(guò)程時(shí)間增加，但影響較小，可忽略不計(jì)，原因是濕度增大使水蒸氣占空氣質(zhì)量的比例增大，但水蒸氣占空氣質(zhì)量的比例極小，濕度變化對(duì)空氣質(zhì)量流量的影響極小，壓縮過(guò)程中空氣的質(zhì)量流量維持在231 kg/s，不同空氣濕度下壓縮過(guò)程時(shí)間可視為保持不變。空氣濕度的變化會(huì)影響壓縮過(guò)程中壓縮機(jī)總功率和各級(jí)壓縮機(jī)功率：隨空氣濕度增大，壓縮機(jī)1 功率增大，壓縮機(jī)2 功率增大，壓縮機(jī)3 功率減小，壓縮機(jī)4 功率不變。其中，空氣濕度變化對(duì)壓縮機(jī)2 功率的影響最大，導(dǎo)致壓縮機(jī)總功率隨濕度增大而增大。原因是在其他條件不變的情況下，隨空氣濕度增大，空氣的氣體常數(shù)和比容增大，壓縮機(jī)1 耗功增大，同時(shí)，濕度增大使空氣的比熱容減小，導(dǎo)致間冷器1 的空氣出口溫度增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)2功率顯著增大。間冷器2 中，由于空氣通過(guò)汽水分離器排出了部分水，空氣質(zhì)量流量減小，且空氣濕度越大空氣質(zhì)量流量減小量越大，因此不同空氣濕度下壓縮機(jī)3 入口溫度接近，壓縮機(jī)3 的功率變化量較小。

4 結(jié)論

本文基于MSP 平臺(tái)建立300 MW 的CAES 系統(tǒng)模型，針對(duì)環(huán)境因素變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響展開(kāi)了研究，得出結(jié)論如下。

1）空氣相對(duì)濕度保持不變，隨空氣溫度增大，壓縮機(jī)總功率增大，壓縮過(guò)程時(shí)間增大。

2）空氣溫度保持不變，隨空氣濕度增大，壓縮機(jī)總功率增大，壓縮過(guò)程時(shí)間增大且變化幅度極小。

本文的研究結(jié)論對(duì)了解環(huán)境因素對(duì)CAES 系統(tǒng)性能的影響和開(kāi)展進(jìn)一步的優(yōu)化研究具有一定的參考意義。