蓄热对超临界空气储能系统性能的影响

杨征，陈海生，王亮，盛勇，纪律

(中国科学院工程热物理研究所，北京市 100190)

蓄热对超临界空气储能系统性能的影响

杨征，陈海生，王亮，盛勇，纪律

(中国科学院工程热物理研究所，北京市 100190)

超临界空气储能系统是一种新型的储能系统，蓄热技术是提高系统效率的关键技术之一。该文建立了超临界空气储能系统在储能过程、存储过程和释能过程中的热力学模型，重点分析了蓄热对超临界系统性能的影响规律。分析结果表明，在储能过程中，储能效率随着蓄热水流量的上升而下降；在存储过程中，存储效率随存储时间的增加不断降低；在释能过程中，释能效率随蓄热水流量的上升呈现先上升后逐渐下降的趋势。系统效率随着蓄热水流量的增加先升高后降低，当蓄热水无量纲流量为0.75时，系统效率最高，为68.3%。

蓄热；超临界空气储能系统；储能效率；热力学模型

0 引 言

随着世界能源形势的发展，储能技术已经显示出了越来越重要的价值，被称为“电力行业的第六产业链”[1]。在众多的储能技术中，压缩空气储能技术得到了迅速发展，且已在工业生产中得到应用。1978年建成的德国Huntorf电站是第1座投入商业运行的压缩空气储能电站。该机组的压缩机功率为60 MW，释能输出功率为290 MW，储气总容积达3.1×105m3，储气压力最高可达10 MPa，机组可连续充气 8 h，连续发电2 h[2]。美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站于1991年投入商业运行，该储能电站压缩机组功率为50 MW，发电功率为110 MW，储气总容积为5.6×105m3，储气压力为7.5 MPa，可以实现连续41 h空气压缩和26 h发电[3]。超临界空气储能技术是在传统压缩空气储能技术的基础上发展起来的新型储能技术。与传统压缩空气储能技术相比，其具有能量密度大、储能效率高、投资占地少、储能周期灵活、适用范围广、对环境友好等一系列优点，已经成为了当前最有发展前途的储能技术[4]。

超临界压缩空气储能技术的工作原理如下[5]：在储能过程中，空气被空气压缩机压缩到超临界状态，并存储于储罐中；在释能过程中，超临界空气首先被预热，然后通过膨胀机对外做功。在储能过程中，压缩机会产生大量的级间冷却热量，为了提高系统的能源利用效率，需要对这部分热量进行回收和存储，并在释能的过程中，利用存储的热量加热压缩空气，以提高系统对外做功能力。由此可见，蓄热对系统的性能具有很大的影响。研究蓄热对系统性能的影响，对系统的理论研究和实际应用具有十分重要的意义。

可见，虽然已经有研究注意到了压缩空气储能系统中的蓄热问题，但是没有进行蓄热对系统性能影响的深入分析，特别是对超临界空气储能系统的蓄热研究还未开展。本文将建立超临界空气储能系统在储能过程、存储过程和释能过程中的热力学模型，分析蓄热对系统性能的影响规律。

1 模型建立

超临界空气储能系统的工作过程主要可以分为储能过程、存储过程和释能过程，下面分别对这3个过程进行热力学分析。

1.1 储能过程

系统的储能部分主要由多级空气压缩机、换热器、分水器和混合器组成。在系统的储能过程中，空气依次通过各级压缩机及换热器，气体得到压缩并降温，最后以高压常温状态流出。系统使用水作为蓄热工质，蓄热水经过分水器的分配，以并联形式通过各级换热器，并吸收压缩空气的热量，升温后的水在混合器中汇集，并流入高温储罐进行存储。为了确保蓄热水在储能过程中不发生相变，需要对蓄热水进行加压。

对系统储能过程进行如下假设：

(1)空气以环境状态进入压缩机组，蓄热水以环境温度进入换热器；

(2)分水器将蓄热水均匀分配到各支路；

(3)不考虑管道的散热及管道材料的吸热。

储能过程热力学分析方法如下。

单级压缩机耗功Pcomp为

(1)

气体在压缩机出口的焓值hcomp,2为

(2)

式中hcomp,1为气体在压缩机进口的焓值。

压缩空气在单级压缩机出口的其他热力学参数根据出口压力pcomp,2和焓值hcomp,2确定。

由换热器对数平均温差ΔTm的定义，可得水和空气在换热器出口的温差ΔT″的方程式为

(3)

式中ΔT′为水和空气在换热器进口的温差。通过迭代方法，可以求得ΔT″。

由能量守恒定律知，换热器水侧和空气侧换热量相等，可得：

(4)

联立式(3)和式(4)，可以得到水侧出口温度Twater,2、空气侧出口温度Tair,2和换热器的换热量Q。

气体出口压力pair,2为

pair,2=pair,1-Δpair

(5)

式中:pair,1为空气侧换热器进口压力；Δpair为空气在换热器内的压力损失。

水侧压力损失忽略不计。蓄热水、压缩空气在换热器出口的其他热力学参数根据其在换热器出口的温度和压力确定。

ΔEx,water,cha=∑(Ex,i,water,2-Ex,i,water,1)

(6)

ΔEx,air,cha=∑(Ex,i,air,2-Ex,i,air,1)

(7)

(8)

式中Pi,comp为第i级压缩机消耗的功率。

1.2 存储过程

系统的存储过程主要是在高温储罐内完成的。在存储过程中，蓄热水通过储罐壁面向外界散失热量，自身温度逐渐下降。

对该过程进行如下假设：

(1)储罐内蓄热水的温度处处相等；

(2)环境温度保持不变；

(3)蓄热水与环境之间换热系数和蓄热水的比热容为常量。

根据能量守恒定律和傅里叶导热定律，可以得到存储过程的微分方程式为

mwatercp,waterdTsto=kstoA(Tsto-T0)dt

(9)

式中：mwater为储罐内蓄热水质量；Tsto为储罐内蓄热水温度；ksto为传热系数；A为储罐表面积；t为时间；T0为环境温度。

对上式进行求解，可以得到：

(10)

式中：T1为蓄热水初始温度；Δt为存储时间。

求得蓄热水的温度T后，即可得到该过程相关热力学参数。

(11)

1.3 释能过程

系统的释能部分主要由多级膨胀机、换热器、分水器和混合器组成。在系统的释能过程中，高压空气依次通过换热器及各级膨胀机，气体被加热到超临界状态，并通过各级膨胀机对外做功。高温的蓄热水经过分水器的分配，以并联形式通过各级换热器，将热量传递给压缩空气，蓄热水在混合器中汇集，并流入低温储罐进行存储。为了确保在释能过程中蓄热水不发生相变，需对蓄热水进行加压。

对系统释能过程进行如下假设：

(1)压缩空气在存储过程没有损失，进入释能部分的状态为离开储能部分的状态；

(2)蓄热水的流量为定值；

(3)分水器将蓄热水均匀分配到各支路。

释能过程热力学分析方法如下。

单级膨胀机作功Pexp为

(12)

式中:Texp,1为气体在膨胀机进口的温度；τ2为单级膨胀比。

气体在膨胀机出口的焓值hexp,2为

(13)

式中hexp,1为气体进口焓值。

气体在单级膨胀机出口的其他热力学参数根据出口压力pexp,2和焓值hexp,2确定。

释能过程中换热器的热力计算方法与储能过程中完全一样，此处不再赘述。

ΔEx,water,dis=∑(Ex,i,water,1-Ex,i,water,2)

(14)

ΔEx,air,dis=∑(Ex,i,air,1-Ex,i,air,2)

(15)

(16)

式中Pi,exp为第i级膨胀机对外输出功率。

1.4 整体性能

系统的整体性能用系统效率ηsys来表示。ηsys定义为释能过程中系统输出功与储能过程中系统输入功的比值：

ηsys=∑Pi,exp/∑Pi,comp

(17)

2 性能分析

2.1 储能过程

储能过程主要设计参数：

(1)压缩机为活塞式，4级，单级压缩比为3，等熵效率为88%，机械效率为95%[13]；

(2)换热器对数换热温差为3 K，气体流经换热器的过程中，压降为17 kPa[14]；

(3)环境温度为25 ℃，环境压力为101.325 kPa。

图1 储能效率随蓄热水流量的变化Fig.1 Charge energy efficiency change with thermal storage water flow

2.2 存储过程

图2 存储效率随存储时间的变化Fig.2 Storage efficiency change with storage time

2.3 释能过程

释能过程主要设计参数：

(1)膨胀机为轴流式，4级，单级膨胀比为2.8，等熵效率为88%，机械效率为95%[15]；

(2)换热器为逆流形式，对数平均温差为3 K，气体流经换热器的压降为17 kPa[14]。

图3 释能效率随蓄热水流量的变化Fig.3 Discharge efficiency change with thermal storage water flow

随蓄热水流量的增加而增加；系统对外作功量随蓄热水流量的增加而略有增长，但增加幅度很小；因而释能效率随无量纲流量的增长而逐渐下降。

2.4 整体性能

图4给出了系统效率随蓄热水流量的变化关系。从图中可以发现，随着蓄热水流量的增加，系统效率先升高后降低。当无量纲流量为0.75时，系统效率最高，为68.3%。当蓄热水流量较低时(无量纲流量小于0.75)，系统在储能过程中耗能较多，这是由于蓄热水流量不能充分冷却级间压缩空气造成的，而在释能过程中向外界输出的功基本不变，因此系统效率随蓄热水流量的下降而下降。而当蓄热水流量较高时(无量纲流量大于0.75)，系统在储能过程中消耗的能量基本不随蓄热水流量发生变化，而在释能过程中输出的能量随蓄热水流量的上升而下降，因而系统效率随蓄热水流量的上升而下降。

图4 系统效率随蓄热水流量的变化Fig.4 System efficiency change with thermal storage water flow

3 结 论

本文研究了蓄热对超临界空气储能系统性能的影响，建立了超临界空气储能系统在储能过程、存储过程和释能过程中的热力学模型，分析了蓄热对系统性能的影响。

在储能过程中，随着蓄热水流量的增大，储能效率不断下降。在存储过程中，存储效率随存储时间的增加而降低，但是下降速度十分缓慢。在释能过程中，随着蓄热水流量的增大，释能效率先上升后逐渐下降。系统效率随着蓄热水流量的增加先升高后降低。当无量纲流量为0.75时，系统效率最高，为68.3%。

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(编辑 张小飞)

Influence of Thermal Energy Storage on Performance of Supercritical Air Energy Storage System

YANG Zheng, CHEN Haisheng, WANG Liang, SHENG Yong, JI Lv

(Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)

Supercritical air energy storage system is a kind of new energy storage systems. Thermal energy storage is the key technology to improve the system efficiency. This paper establishes the thermodynamic model of supercritical air energy storage system in charge process, storage process and discharge process, and mainlyanalyzes the influence of thermal energy storage on the system performance. The analysis results show that, the charge efficiency decreases significantly with the increase of storage water flow in charge process; the storage efficiency decreases with the growth of the storage time in storage process; and the discharge efficiency firstincreasesand then decreases with the increase of the storage water flow.The system efficiencyin the global process first increases and then decreases with the increases of storage water flow, with the highest estimated value of 68.3% at the dimensionless storage water flow of 0.75.

thermal energy storage; supercritical air energy storage system; storage efficiency; thermodynamic model

国家重点基础研究发展计划项目(973计划) (2015CB251302)；国家自然科学基金优秀青年基金项目(51522605)

TM 919

A

1000-7229(2016)08-0033-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.005

2016-04-25

杨征(1982)，男，工学博士，助理研究员，主要从事压缩空气储能和亚临界水蓄热方面的研究工作；

陈海生(1977)，男，工学博士，研究员，博导，主要从事压缩空气储能方面的研究工作；

王亮(1980)，男，工学博士，副研究员，主要从事蓄冷蓄热和压缩空气储能方面的研究工作；

盛勇(1984)，男，工学硕士，助理研究员，主要从事压缩空气储能方面的工作；

纪律(1986)，男，工学硕士，助理研究员，主要从事压缩空气储能方面的工作。

Project supported by the National Basic Research Program of China (973 Program) (2015CB251302)；Science Fund for Excellent Youth Scholars of the National Natural Science Foundation of China(51522605)