TICC-500储能阶段的建模和热力特性

贾 祥，崔 凝



TICC-500储能阶段的建模和热力特性

贾 祥，崔 凝

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）

以500 kW-TICC系统为研究对象，采用集中参数法建立了系统储能设备的集总参数数学模型，然后用C语言编写相应的程序算法，对所建算法进行算法入库，在华北电力大学STAR-90仿真支撑系统上搭建系统实时动态仿真模型，对500 kW-TICC储能阶段冷态启动阶段进行仿真。分析了压气机环节、换热器环节、储气罐环节和储热罐环节的动态特性。仿真结果表明，进气流量对系统储能阶段参数的影响较大，储气室内气体的温度变化比较平缓。此仿真结果误差满足实际需要，对系统实际运行的动态特性有很重要的参考和借鉴作用。

TICC-500系统；仿真模型；动态特性

当今世界越来越多的国家鼓励可再生能源（风能、太阳能等）的使用，可再生能源的使用范围和生产规模越来越大。世界各个国家风电的装机容量增长迅速，到2020年总的装机容量可达1070 GW以上[1]，但是可再生能源的发电有局限性，受到自然条件的限制、具有不稳定性和间歇性等缺点，其中储能可以弥补甚至可以解决这些局限性，目前已在商业系统中大规模（如100 MW以上）运行的储能系统有抽水蓄能电站和压缩空气储能（CAES）电站两种[2-4]。压缩空气储能系统的优点有：系统成本低、建站周期短、工作时间长、储能周期不受限制、寿命长、安全性和可靠性高。

德国Himtorf CAES电站于1978年建成[5]，美国Mcintosh CAES电站于1991年成功运行[6]，它们的成功运行证明了 CAES是一项灵活而可靠的技术，此后世界上诸多国家都对CAES投入大量研究。从CAES发展历程来看，可分为三代，第一代为以Himtorf CAES为代表，第二代在第一代系统基础上增加了其它循环系统进行了集成；第二代电站系统的热耗大幅度降低，总效率也增加到54%左右[7]；第三代典型系统有先进绝热型和新型压缩空气储能系统[8]。清华大学、中国科学院理化技术研究所、中国电力科学研究院承担建成了TICC-500系统[9]，中国科学院工程热物理研究所完成了国际首套1.5 MW级超临界压缩空气储能系统集成实验与示范平台，完成了10 MW超临界压缩空气储能系统的设计。杨科等[10]给出了先进绝热压缩空气储能系统的详细设计过程，韩中合等[11]对AA-CAES电站成本、电站效益、电站运行成本敏感性进行了分析。本文以华北电力大学 STAR-90 仿真支撑系统为平台，对TICC-500系统储能阶段进行建模与仿真，对其热力特性和动态特性进行了研究。

1 系统介绍

TICC-500是由清华大学、中国科学院理化技术研究所、中国电力科学研究院承担所建[9]，它由空气压缩子系统、高压储气子系统、回热利用子系统、透平发电子系统组成，五大关键设备有：压缩机、储气罐、换热器、透平机、发电机。此系统的创新点有：①回收压缩热量，提高综合利用效率；②低碳无污染，环境效益好；③高能量密度。图1为系统图。

2 模块数学模型

各个模块的数学模型都是根据传热学、工程热力学、流体力学等相关知识建立的，主要依据三大守恒定律。

质量守恒方程

能量守恒方程

动量量守恒方程

3 仿真阶段

以华北电力大学 STAR-90 仿真支撑系统为平台，对TICC-500系统储能阶段冷态启动进行建模与仿真，对其热力性能和动态特性进行了研究。每个图横坐标都是时间（单位为h），纵坐标代表对应的变量，有的图中标有1、2、3、4、5分别代表第一、二、三、四、五级；表1和表2分别为电站运行数据和仿真数据。

STAR-90仿真机支撑系统是在原美国CE公司Simcon子公司的GEPURS通用实时软件支撑系统上，由华北电力学院仿真与控制技术（今华北电力大学）研究所经过移植和改进，于1990年推出的仿真软件支撑系统。近年来不断的实践和改进，终于研制开发成具有国内领先、国际先进水平的一体化仿真系统，可应用于火电厂、电网及变电站、核电、水电、航空航天、石油、化工等工业过程和高科技领域的仿真。图2为仿真模型图，图3为模型搭建过程图。

表1 实际电站压缩子系统数据

表2 仿真压缩子系统数据

3.1 压气机

本文的压气机模型是活塞式压气机，活塞式压气机每一个冲程流量都以很快的速度达到稳定，而且活塞式压气机的工作是周期性的，因此本文研究系统活塞式压气机一个周期内的变化情况。由图4可以看出流量刚开始以很快的速度增加，后来增加速度比较小，最终达到设计值 1668 kg/h，达到稳定的时间为15 min。

图3 模型搭建过程图

由图5中可以看出各级压气机压比开始以很快的速度增加，后来增加速度几乎不变，其中第一级压气机的压比最早达到平衡，其它几级达到稳定时间比较长。压气机的出口压力变化趋势和压比相对应，压力的变化趋势要比压比明显，压力刚开始以很快的速度达到某个值，随后以缓慢的速度达到平衡。

由于外界的压力和温度变换缓慢，可以当作定值，由图6可以看出，第一级压气机进气温度保持不变，其它几级各有变化；同时也可以发现有一段时间各级压气机的进口温度是保持不变的，后来以一定的速率变化；各级变化时间比较长，以一定的变化速率最终达到45 ℃，刚开始各级变化速率大小情况为：五级>二级>四级>三级，后来变化速率情况为：二级>五级>三级>四级。

对于理想气体来说，焓值是温度的函数，由图7和图8中可以看出各级压气机的出口温度和焓值的变化趋势相对应，各级出口热力参数刚开始变化速度快，后来以缓慢的速度达到各自的平衡值。

由图9可以看出各级压气机的耗功变化趋势，刚开始各级压气机的耗功都以很快的速率增加，最先达到稳定的是第一级，其他几级达到稳定花费的时间长，影响压气机耗功的因素有：工质流量、工质进口温度、工质进口压力、压气机压比和压气机效率。

各级压气机的效率变化趋势图10和耗功变化趋势图相似，第一级最早达到稳定，其它几级在第一级达到稳定后以很缓慢的速度继续增加到平衡值。

3.2 换热器

仿真过程中个换热器内的冷却工质流量由图11可以看出各级换热器出口冷工质温度刚开始有一段时间保持不变，后来以一定的速率快速上升，然后达到各自的平衡温度，其中变化速率第五级最快，第一级最先达到稳定。由于系统工质的流量是逐渐增大的，工质流量相对于冷却工质来说冷却工质吸收热量的能力大于系统工质的放热能力，因此刚开始换热器出口冷工质温度有一段时间不变，当系统工质流量到达一定值时换热器出口冷工质温度开始变化。

3.3 中高温热罐

为了达到仿真的目的，仿真过程中将中高温热罐的环境温度设置为0.4 MPa，这样就可以使热罐内储热工质的温度超过100 ℃以便可以达到对于实际系统的仿真。

由图12和图13可以看出储热罐水温受各级换热器的影响，有一段时间保持不变，高温水罐是回收前三级压气机的压缩热，中温水罐回收后两级压缩热，中温水罐变化比高温水罐剧烈，这是由于第五级的工况稳定性差的原因造成的。

3.4 储气室

本模型是将气体储存到一个储气罐里，并且是五级压缩同时进行，储气室压力逐渐由大气压力增加到储气室的额定压力10 MPa，增加的速度接近线性函数。本模型储气罐体积为100 m3，有一定的对外散热系数，由图15可以看出储气室气体温度由一开始到仿真结束都一直以缓慢的速度上升，这是由于往储气室内充气也相当于压缩过程，会产生压缩热，因此会导致气体温度升高，温度变化速率越来越慢，最后阶段几乎接近不变，储气罐焓值变化相对于温度来说很平缓，这是由于高压气体的焓值不仅是温度的函数，还明显受到压力变化的影响。

4 结 论

（1）储能阶段第一级压气机进出口的热力参数相比于其它级最先达到稳定状态，第五级的进出口热力参数变化速率最快。

（2）换热器的出口冷工质温度影响中高温热罐中水温，中温罐稳定性小于高温罐。

（3）当流量达到稳定时，压气机耗功变化趋势相对平缓，压气机流量的变化对系统耗功的影响大于换热器对系统耗功的影响。

（4）储气罐的压力变化接近线性变化，储气罐内气体温度变化平缓，储气罐气体焓值在高压状态下主要受气体压力的影响。

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TICC-500 energy storage phase of modeling and thermal properties

JIA Xiang,CUI Ning

(College of EnergyPower and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China)

A mathematical model was established for a 500 kW-TICC energy storage system using the lumped parameter method. An algorithm was built to solve the model with a C-language based program. The program was integrated into the North China Electric Power University’s Star-90 simulation support system for real-time dynamic modelling of the cold start of the 500 kW-TICC system. Analyses were done on the dynamics of various components including compressor, heat exchanger, storage tank, and thermal store. The simulation results show a significant impact of the intake air flow rate on the system parameters at the storage phase, whereas the effect on the gas temperature change in the gas chamber is relatively flat. This simulation errors were found to meet the actual needs of the dynamic system characteristics.

TICC-500 system; the simulation model; the dynamic characteristics

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0050

TQ 028.8

A

2095-4239（2017）01-135-06

2016-07-18；

2016-09-28。

贾祥（1990—），男，硕士研究生，研究方向为先进绝缘压缩空气储能系统热力特性研究，E-mail：934137684 @qq.com。