基于变效率压气机的AA-CAES变工况性能分析

庞永超，韩中合

(电站设备状态检测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市 071003)

基于变效率压气机的AA-CAES变工况性能分析

庞永超，韩中合

(电站设备状态检测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市 071003)

先进绝热压缩空气储能系统(advanced adiabatic compressed air energy storage system，AA-CAES)是一种清洁、环保的大规模储能技术，能够为可再生能源并网及电网调峰提供新的解决方案。为了深入研究压气机模型对变工况下AA-CAES系统运行性能的影响，本文在传统模型的基础上添加了压气机效率模型。求解系统模型发现：相对于储气室最高压比，换热器效能对储能效率的影响较大，换热器效能每提高0.05，储能效率平均提高2.9%；随着储气室最高压比的上升，储能密度近似呈线性增加；AA-CAES系统在储能阶段，稳定运行的前两级压气机功率保持不变，非稳定运行的第3级压气机功率随储气室压比的升高而逐渐增大，储能阶段结束时第3级压气机耗功最多。

压缩空气储能(CAES)；变效率压气机；热力学模型；变工况；储能效率

0 引 言

传统化石能源的日益匮乏和环境问题的日趋严重，促进了全球新能源技术的快速发展。以太阳能、风能为基础的新能源发电受到自然条件的限制，具有波动性和间歇性的特点[1-2]。目前我国风电装机容量居世界第一，截止2015年6月底，全国风电累计并网容量已突破1亿kW。但2015年上半年全国平均弃风率高达15.2%，导致这一问题产生的原因除了当地电网接纳能力不足、风电场建设工期不匹配以外，风电自身的不稳定性也是一个重要因素[3]。

压缩空气储能(compressed air energy storage system，CAES)作为大规模储能技术是一种有效的调峰方式，同时也为风能、太阳能等可再生能源的高效利用提供了解决方案[4]。CAES的商业应用最早始于1978年的德国Huntorf电站[5-6]，其是在传统燃气轮机技术的基础上，将空气压缩过程与天然气燃烧、膨胀做功过程相分离。为了解决CAES技术中天然气消耗和污染物排放的问题，近些年来提出了先进绝热压缩空气储能技术(advanced adiabatic compressed air energy storage system， AA-CAES)。该技术将CAES和热能存储技术相结合，存储压缩空气过程中产生的热量，并用于高压空气膨胀发电阶段[7]。

国内外学者对AA-CAES技术进行了理论研究和实验探索。文献[8-9]论证了AA-CAES系统的技术可靠性和经济可行性；文献[10-11]针对系统关键参数对储能效率的影响做了分析；文献[1]介绍了含有稳态级和非稳态级压气机组的储能模型，对比分析了2种系统的性能；文献[12]提出压气机多变效率随压比变化的定压运行AA-CAES模型，并分析系统参数对效率的影响。

在AA-CAES系统运行过程中，由于风电输入功率波动、储气室内空气压比持续升高等原因，压气机通常不能维持恒定流量和压比，导致工作状态不能保持在设计的最高效率处；储存能量变化会影响储气室最高压比，导致系统储能效率、储能密度等发生变化。在以往的研究工作中，通常忽略压气机多变效率对系统的影响[13-16]，但在实际变工况运行中，多变效率会受到输入功率、流量、压比等因素的影响，尤其是对高压比、大功率的机组，工况变化时多变效率变化幅度更大。因此，以变效率压气机组模型为基础，研究AA-CAES变工况运行特性能够为改进系统结构、提高储能效率提供参考。

1 AA-CAES系统分析

AA-CAES系统模型如图1所示，系统主要包括：多级压气机、级间换热器、储气室、冷罐、热罐、多级膨胀机、发电机/电动机等。

图1 AA-CAES系统示意图Fig.1 AA-CAES system

在储能阶段，系统吸收电网中低谷电能推动压气机工作，将环境中的常压空气压缩为高压空气，级间冷却器对高温高压的空气进行降温冷却，并存储压缩热。在释能阶段，储气室中的高压空气首先进入加热器吸收存储的压缩热，然后进入膨胀机做功，带动发电机发电。

参考以往研究成果[17]并结合本文模型，提出以下假设条件：

(1)空气为理想气体，满足理想气体状态方程，比热容为定值；

(2)换热器压力保持系数为0.98，空气流动过程中其他部位的压力损失忽略不计；

(3)储气室采用恒温恒容模型，压缩和膨胀过程中储气室内空气保持环境温度；

(4)忽略换热器、管道、压气机以及膨胀机中的热量损失。

2 AA-CAES热力学模型分析

2.1 储能阶段

对于缸外冷却的压气机，气体在压缩过程中通过缸壁散失的热量一般不超过压气机耗功的1%，在此基础上考虑到空气的流动损失，可将气体压缩过程看作绝热多变过程[18]。在储能阶段，储气室内的压力随着气体的进入逐渐提升，为了使耗功最小，要求压气机的出口压力随着储气室压力的增大而增大。因此，在压缩过程中压气机的工作点会逐渐变动，压气机的多变效率也随之变化。

对于某一级压气机，出口空气温度：

(1)

式中：nc为压缩过程多变指数；Tc,in为压气机进口空气温度；π为压气机压缩比。

多变效率与多变指数满足以下关系：

(2)

式中：k为空气绝热指数，取1.4；ηp为多变效率，是与压比有关的函数，可表示为：ηp=f(π)。

对于单位质量空气，压气机耗功：

wc=c(Tc,out-Tc,in)

(3)

式中：c为空气比热容，取1 005 J·(kg·K)-1。

为了减小压气机耗功，降低高温空气对压气机材料的要求，同时存储压缩过程产生的热量，在每级压气机出口布置冷却器。冷却器出口空气温度：

Tc,cool=(1-ε)Tc,out+εTcold

(4)

冷却器出口冷却介质温度：

Thot=εTc,out+(1-ε)Tcold

(5)

式中：Tcold为加热器入口冷却介质温度；ε为换热器效能。

单位质量空气释放的压缩热为

q=c(Tc,out-Tc,cool)

(6)

储气室内空气从最小压力Pmin升高到最大压力Pmax的过程中，压气机组消耗的总功为

Wc=∫(wc1+wc2+wc3)dm=

(7)

冷却器存储的压缩热为

Q=∫(q1+q2+q3)dm=

(8)

式中：Vstor、Tstor分别为储气室内空气体积、温度；P0为环境空气压力；Rg为气体常量，取287.1 J/(kgK)；πstor为储气室内空气压比，满足以下关系：

πstor=π1π2π3x1x2x3

(9)

式中：x1、x2、x3为冷却器压力保持系数；π1、π2、π3为压气机压比，本文中压气机前2级压比设定在最高效率点处，第3级压气机处于变工况状态，使机组出口空气压比与储气室压比相同。

2.2 释能阶段

在释能阶段，储气室内的高压空气首先在加热器中被高温储热介质加热，再进入膨胀机做功。经加热器加热进入膨胀机的空气温度为

Tt,in=εThot+(1-ε)T1

(10)

式中：Thot为加热器入口储热介质温度；T1为加热器入口空气温度；ε为加热器效能。

膨胀过程也可看作绝热多变过程，设多变指数为nt，则膨胀机出口温度可表示为

(11)

式中πt为单级膨胀机膨胀比，在膨胀过程中各级膨胀比相同，即各级膨胀比随储气室压比的降低而降低。

膨胀机多变指数与多变效率的关系为

(12)

式中ηt为膨胀过程多变效率，可表示[12]为

(13)

单位质量空气在一级膨胀机中所做的功为

wt=c(Tt,in-Tt,out)

(14)

在级前加热器中单位空气吸收的压缩储热为

qt=c(Tt,in-T1)

(15)

储气室内气体由最大压力Pmax降低到最小压力Pmin的过程中，膨胀机组对外输出的总功为

(16)

空气吸收的压缩热为

(17)

2.3 系统评价指标

在一次储能、释能的循环过程中，衡量系统性能的指标主要有储能效率、储能密度。

储能效率：

(18)

式中：Wt为释能阶段膨胀机产生的总功；Wc为储能阶段压气机消耗的总功。

储能密度是指单位储气容积空气对外输出的膨胀功，计算式如下：

(19)

式中V为储气室体积。

3 压气机多变效率模型分析

3.1 压气机多变效率

压气机工作过程中实际耗功除了用于增加气体压力势能，还存在轮阻损失、漏气损失、流动损失功和动能增加功[18]。压气机多变效率是指多变功wdb与压气机实际耗功w的比值，即

(20)

为了研究压气机的运行特性对变工况下AA-CAES运行性能的影响，本文对1台压气机进行研究，并拟合了该压气机的性能曲线得到压气机的效率公式ηp=f(π)。

3.2 多变效率拟合公式

压气机的性能曲线如图2所示，由性能曲线可以看出，此压气机具有单级压比高、变负荷范围宽等优点，比较适合于AA-CAES的要求。

以0.8倍设计流量为例，拟合压气机性能曲线确定压气机效率、压比与转速的关系。其中，压气机的压比与转速的关系如图3所示，通过多项式拟合，得到近似的拟合公式：

图2 压气机性能曲线Fig.2 Performance curve of compressor

(21)

0.8倍设计流量下压气机转速效率曲线如图4—5所示，可以看出，转速在[0.80，0.89]和[0.89，1.00]区间内的效率变化趋势有较大差异，因此采用分段拟合。

图4 转速效率关系曲线1Fig.4 Relation curve 1 of between speed and efficiency

图5 转速效率关系曲线2Fig.5 Relation curve 2 of speed and efficiency

转速在[0.80，0.89] 时，采用四次多项式进行拟合，得到拟合公式：

ηp1(n)=-10 015.554+46 312.733n-
80 272.784n2+61 813.684n3-17 842.105n4

(22)

转速在[0.89，1.00]时，采用指数函数拟合，得到近似拟合公式：

(23)

4 模型求解与结果分析

根据以上对AA-CAES系统热力学模型的分析以及对实际压气机多变效率模型的研究，给定系统运行基本参数见表1，建立并求解系统仿真模型。

表1 集成系统主要参数
Table 1 Main parameters of hybrid system

针对给定的压气机特性，本文选取3级压缩、3级膨胀AA-CAES系统。压气机前2级在设计工况下运行，此时压比为3.5，多变效率达到最大值0.9。第3级压气机通过改变转速实现变压比运行。膨胀机等压比运行，各级膨胀比相同。

4.1 储能效率

储能效率是评价储能系统性能优劣的重要指标。对于AA-CAES系统，影响储能效率的因素主要有：压气机与膨胀机特性，储热系统性能、储气压比变化范围、储气室热力学特性等。对于确定的系统，各部件的基本性能已经确定，在变工况的实际运行中，影响效率的主要因素有储气室的最高压比和换热器效能。

图6表示在变工况运行过程中，AA-CAES系统储能效率与换热器效能和储气室最高压比的关系。由于在压缩阶段存储高温空气产生的热量，并在膨胀阶段将热量返还给高压空气，因此相对于CAES技术，AA-CAES储能效率明显提高。在相同的储气室最高压比下，换热器效能从0.70提升到0.95的过程中，每提高0.05，储能效率平均升高2.9%。这是由于效能越高，储能阶段冷却器存储的压缩热越多，压缩单位空气消耗的电能越少，释能阶段加热器放出的热量越多，单位空气产生的电能也越多。

图6 系统效率与储气室最高压比、换热器效能关系图Fig.6 Relationship between system efficiency and the maximum pressure ratio of gas storage, heat exchanger efficiency

相比于换热器效能，储气室的最高压比对系统储能效率影响较小。换热器效能维持在0.90时，储气室最高压比从34.6变化到51.9，储能效率最高点与最低点相差0.75%。储能效率最高时，储气室最高压比为44.9，此时对应的第3级压气机压比为3.9。

4.2 储能密度

储能密度与储气室最高压比、换热器效能的关系如图7所示。

储能密度是衡量一种储能技术经济性的重要指标，提高储能密度可以降低单位容量储能设备的造价。计算表明，储气室最高压比与储能密度近似程线性关系，在压气机和储气室承受范围内，储气室最高压比越高，单位体积存储的能量越多，储能密度越大。换热器效能也会影响储能密度，效能越高，存储和释放的压缩热越多，储能密度越大。与储气室最高压比相比，效能对储能密度的影响较小。

4.3 储热效率

储热效率是加热器释放热量与冷却器存储的热量之比，可以用来衡量储热系统换热性能。储热效率越高，存储的热量用于加热空气的比例越大，储热系统性能越好。图8表示储气室最高压比和换热器效能对储热效率的影响。

图7 储能密度与储气室最高压比、换热器效能关系图Fig.7 Relationship between energy density and the maximum pressure ratio of gas storage, heat exchanger efficiency

图8 储热效率与储气室最高压比、换热器效能关系图Fig.8 Relationship between heat storage efficiency and the maximum pressure ratio of gas storage, heat exchanger efficiency

对比不同换热器效能下储热效率的变化情况，可以发现：储气室最高压比变化过程中，存在储热效率的最高值。以换热器效能ε=0.90为例，储热效率最高时，储气室最高压比为46.1，对应的第3级压气机压比为4；换热器效能对储热效率有较大影响，储气室最高压比确定时，储热效率随换热器效能提高而提高，效能每提高0.05，储热效率平均提高2.1%。

4.4 储释能分析

为了分析各级压气机和膨胀机吸收、释放能量的情况，选取储气室最高压比为45，换热器效能为0.9，在给定的边界条件下求解系统模型，得到一次循环过程中能量存储与释放情况，见表2。

在压缩空气存储电能的过程中，储气室内空气压比随存储空气的增多逐渐提升，图9表示各级压气机消耗能量随储气室压比的变化。1级和2级压气机在稳定工况下运行，进出口压比保持恒定，压气机效率稳定，因此消耗的电能随储气室压比线性增加。第3级压气机在非稳定状态下运行，通过改变压气机转速调节进出口压比，多变效率也随之改变。储气室压比较低时，压气机压比较小，由压气机特性可知，此时多变效率低，压缩单位质量空气消耗的电能较少。随着储气室压比的提升，压气机压比增大，多变效率逐渐提高，在到达设计压比3.5后多变效率开始下降。综合2方面因素，第3级压气机压缩单位质量空气耗功逐渐增加。在1次压缩储能过程中，第3级压气机消耗的能量最多，第2级由于进气温度高于环境温度，消耗的能量高于第1级。

表2 AA-CAES系统性能计算结果
Table 2 Calculation results of AA-CAES performance

图9 压气机耗功情况Fig.9 Power consumption of compressors

5 结 论

本文在传统AA-CAES热力学模型的基础上，增加变效率压气机模型，研究了变工况运行过程中压缩空气储能系统的运行特性，得到如下结论。

(1)换热器效能为0.90时，在压气机组安全运行范围内，改变储气室空气最高压比，储能效率最高可提升0.75%；换热器效能提高0.05，储能效率平均提高2.9%。

(2)储气室最高压比与储能密度近似呈线性变化，提高储气室结构强度以及压气机组压缩能力可降低系统单位容量建设费用。

(3)储热系统热效率与换热器效能及储气室最高压比有关，提高换热器效能可提高储热效率,储气室最高压比升高的过程中，储热效率先升高后降低，在压比变化范围内存在效率最高点。

(4)AA-CAES系统在储能阶段时，稳定运行的前2级压气机功率保持不变，非稳定运行的第3级压气机功率随储气室压比的升高而逐渐增大。储能终点时，第3级压气机耗功最多。

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(编辑 张媛媛)

Off-Design Performance Analysis of AA-CAES Based on Variable Efficiency Compressor

PANG Yongchao，HAN Zhonghe

(Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment Ministry of Education (North China Electric Power University), Baoding 071003, Hebei Province, China)

Advanced adiabatic compressed air energy storage system (AA-CAES) is a clean and environmentally-friendly large-scale energy storage technology, which provides a new solution for renewable energy grid and power peaking. In order to accurately study the impact of compressor on the operating performance of AA-CAES system under variable condition, this paper adds a compressor efficiency model to the traditional model. The results show that compared with the maximum pressure ratio of the gas storage room, the efficiency of heat exchanger has a great influence on the energy storage efficiency. As the heat exchanger efficiency increases by 5 percent, there’s an average growth of 2.9% in storage efficiency. The energy density increases linearly with the increased gas storage maximum pressure ratio. During the energy storage stage, the power of the former two-stage compressor in AA-CAES system which operates stably is unchanged, but the power of the third unstable compressor is gradually increased with the gas storage pressure ratio, and the third stage compressor consumes the most energy at the end of the process.

compressed air energy storage system(CAES); variable efficiency compressor; thermodynamic model; variable condition; energy storage efficiency

国家科技支撑计划项目(2014BAA06B01)

TM 919, TK 89

A

1000-7229(2016)08-0038-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.006

2016-04-15

庞永超(1991)，男，硕士研究生，研究方向为压缩空气储能系统应用；

韩中合(1964)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为热力设备状态监测与故障诊断及新能源开发利用。

Project supported by Key Technologies and Development Program of China(2014BAA06B01)