先进绝热压缩空气储能中蓄热系统的改进

2017-01-20韩中合庞永超

分布式能源 2016年1期

关键词：气室级数压气机

韩中合，庞永超

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北保定 071003)

先进绝热压缩空气储能中蓄热系统的改进

韩中合，庞永超

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北保定 071003)

先进绝热压缩空气储能系统(advanced adiabatic compressed air energy storage system,AA-CAES)是一种大规模电能存储与转化技术，对可再生能源并网及电网调峰有重要作用。为了研究蓄热系统结构布置、运行方式对储能系统性能的影响，对蓄热系统热力学模型进行分析并在传统结构的基础上提出带高温蓄热系统的AA-CAES。结果表明：压气机与膨胀机级数相近时，储能效率最高，级数差别越大效率越低；当压气机与膨胀机级数相等时，随着级数的增加，储能密度逐渐降低；当换热器中水的热容率与空气热容率接近相等时，储能效率最高；带高温蓄热系统的AA-CAES能够获得更大的储能密度，系统运行灵活性也增强，但储能效率有所下降。

压缩空气储能；蓄热系统；高温蓄热；储能效率

0 引言

随着传统能源的日益枯竭，风能、太阳能等可再生能源受到越来越多的关注。以风电为例，我国风电连续十年保持近40%的增长率，2012年全国风电装机容量跃居世界第一[1]。然而，可再生能源在迅速发展的同时也存在诸多问题。风能和太阳能具有间歇性和不稳定性的特点，风能通常在弱风时段电力供应不足，而太阳能在阴天和夜间无法使用，这些因素导致电网需要具有很强的调节能力。而我国燃煤机组占总装机容量的70%以上，燃煤机组启停复杂、变负荷速度慢，导致电网调峰能力弱，难以接纳大量不稳定的可再生能源[2]。据统计，全国范围内弃风、弃光现象普遍存在，造成大量的能源浪费，使可再生能源的利用率降低，同时产生巨大的经济损失。

电力储能系统通过特定的介质存储电能，在需要时将所存储的能量释放发电。电力储能系统是解决可再生能源大规模利用瓶颈的迫切需要，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性的有效途径，同时大规模储能系统还是智能电网、分布式能源发电和微电网等技术的必要组成部分[3,4]。先进绝热压缩空气储能系统是一种利用压缩空气存储电能的技术，具有储能容量大、安全系数高、响应速度快、循环效率高等优点[5]。先进绝热压缩空气储能系统(advanced adiabatic compressed air energy storage system,AA-CAES)是在传统的压缩空气储能系统上增添了蓄热系统，蓄热系统能够回收压缩储能阶段产生的热量，并将热量用于加热释能阶段膨胀做功的高压空气。由于蓄热系统的加入，压缩热得到回收利用，储能效率获得提高。

AA-CAES技术被提出以来，国内外学者对其进行了大量的理论和实验研究。李雪梅等[6]分析了运行级数、储释能功率、储气压力等AA-CAES重要运行参数对系统性能的影响；Grazzini等[7]建立了蓄热系统模型，并分析换热器效能和压损对系统功效率和效率的影响；Kushnir等[8-10]基于能量守恒定律和质量守恒定律，建立了储气室的数值求解模型和近似解析计算模型，并分析了储气室热力学特性对AA-CAES系统性能的影响。为了研究蓄热系统对AA-CAES性能的影响，本文建立了系统热力学模型，分析参数改变时系统特性，并在此基础上提出带高温熔融盐蓄热的AA-CAES系统，研究了新系统的运行特性。

1 蓄热系统热力学模型

AA-CAES系统结构如图1所示，系统由储能子系统、释能子系统、蓄热系统以及储气室组成，其中蓄热系统包括换热器、存储低温换热介质的冷罐、存储高温换热介质的热罐、换热介质。

图1 AA-CAES系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of AA-CAES system

在储能阶段，压气机出口空气的温度很高，为了降低空气温度，回收压缩热量，在每级压气机后布置冷却换热器。经过换热器后，空气温度降低，冷却介质被加热后存储在热罐中。在释能阶段，热罐里的高温换热介质与储气室内的空气在换热器中进行热量交换，换热器出口高温高压的空气进入膨胀机做功，从而实现热量的回收利用。

在蓄热系统中，影响AA-CAES性能的因素主要有：换热器效能、换热器级数、换热介质流量等。换热器效能可表示为：

(1)

式中：C为换热器中一种流体的热容率；T′、T″为该流体的进口和出口温度；Cmin为2种流体中热容率的最小值；Tmax为高温流体的进口温度；Tmin为低温流体的进口温度。

蓄热系统采用逆流布置的壳管式换热器，换热器效能由下式决定：

(2)

式中Cmax为2种流体中热容率的最大值。

(3)

kNTU为换热器传热单元数：

(4)

式中：k为换热器传热系数;A为换热面积[11]。

空气在换热器出口温度为：

(1) 压缩阶段

(5)

(2) 膨胀阶段

(6)

式中:Tci-1_out为第i-1级压气机出口空气温度;Tci_in为第i级压气机进口温度;Tw_cold为低温换热介质温度;Tti-1_out为第i-1级膨胀机出口空气温度;Tti_in为第i级膨胀机进口温度;Tw_hot为高温换热介质温度。

空气在换热器中吸收或释放的热量为：

(7)

式中:qm_air为空气流量;cp为空气定压比热容。

换热器出口换热介质温度为：

(1) 压缩阶段

(8)

(2) 膨胀阶段

(9)

式中:cw为冷却介质比热容;qm_w为冷却介质流量。

换热器中空气侧的压力损失由经验公式确定：

(10)

在一次完整的储能、释能循环过程中，衡量系统性能的指标主要有储能效率、储能密度。

储能效率：

(11)

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;Q为加热高温蓄热介质消耗的能量。

储能密度是指单位储气容积内空气对外输出的膨胀功，计算式如下：

(12)

式中V为储气室体积。

2 蓄热系统热力学分析

在上述分析的蓄热系统热力学模型基础上，设定AA-CAES系统主要参数如表1所示，求解系统模型。

表1 AA-CAES运行参数Table 1 Parameters of AA-CAES system

为了研究蓄热系统特性对AA-CAES性能的影响，以换热器级数和蓄热介质流量为变量，研究储能效率、储能密度等的变化规律。

2.1 换热器级数

换热器与压气机和膨胀机的布置方式如图1所示。在每级压气机后布置1台冷却换热器，每级膨胀机前布置1台加热换热器，因此压缩机和膨胀机级数等于换热器级数。当换热器级数变化时，储能效率的变化情况如图2所示。

图2 储能效率与换热器级数关系Fig.2 Relationship between energy storage efficiency and heat exchanger stages

图3 储能密度与换热器级数关系Fig.3 Relationship between energy storage density and heat exchanger stages

通过计算可以发现，当膨胀机级数为2时，增大压气机级数会使储能效率下降；当膨胀机级数大于2时，随着压气机级数增加，储能效率先上升后下降。压气机与膨胀机级数相近时，效率较高，级数差别越大效率越低。当压气机级数为4、膨胀机级数为5时，系统的储能效率达到最高，为58.76%。

图3表示当压缩阶段换热器级数与膨胀阶段换热器级数相等时，系统储能密度随换热器级数的变化规律。可以发现，随着换热器级数的增加，储能密度逐渐降低。这是因为，在压缩阶段换热级数的增加会使每级压气机进口空气温度降低，压缩过程更接近等温过程，压气机消耗的总电能减少。同时，蓄热系统吸收的热能也会相应减少。相应地，在膨胀阶段，蓄热系统能够提供的热能减少，膨胀机入口空气温度降低，使系统发电量减少，储能密度降低。

2.2 蓄热介质流量

AA-CAES以水为蓄热介质，吸收压缩阶段产生的热量，并用于膨胀阶段。在运行过程中，换热器中水流量对蓄热系统有重要影响。当水流量较小时，压缩阶段换热器出口的水温和空气温度较高，冷却效果不佳，使压气机耗功增多。但在膨胀阶段，由于水温较高，可以获得较高的空气温度，增加做功量。当水流量较大时，压缩阶段换热器出口的水温和空气温度偏低，冷却效果较好，压气机耗功降低。但在膨胀阶段，由于水温偏低，换热器出口空气温度也偏低，膨胀机做功减少。

定义Z为水的热容率与空气热容率的比值，即：

(13)

式中：qmw、qmair分别为水和空气的流量；cw、cair分别为水和空气的比热容。

在空气流量一定时，随着水流量的增大，Z也增大。图4表示储能效率随Z的变化情况。可以看出，随着Z的增大，储能效率先升高后降低，效率最大值在Z=1附近获得，即要求水的热容率与空气热容率相等。

图4 储能效率与Z的关系Fig.4 Relationship between energy storage efficiency and Z

3 带高温蓄热系统的AA-CAES

传统的AA-CAES由于增加了蓄热系统，储能效率和储能密度都获得了提升，能够为消纳弃风、弃光电能以及低谷电能提供有效的解决方案。为了进一步提升系统的储能密度，直接利用太阳能热发电系统的高温蓄热介质，并且增强系统变工况运行能力，本文提出一种带高温蓄热的AA-CAES系统(如图5所示)。

图5 带高温蓄热系统的AA-CAESFig.5 AA-CAES with high temperature thermal energy storage

在传统的AA-CAES基础上，该系统增添了高温蓄热系统，即在每级膨胀机和换热器之间布置高温换热器，换热介质采用高温导热油或熔融盐。利用弃风弃光电能、低谷电加热蓄热罐中的蓄热介质，或者直接利用太阳能热发电系统中产生的高温熔融盐。

为了研究该系统相对于传统AA-CAES的优缺点，以四级压缩、两级膨胀的系统为例，建立热力学模型并进行分析，结果如表2所示。其中高温蓄热介质选择熔融盐HTS，蓄热温度为500 K。

表2 2种AA-CAES性能对比表Table 2 Performance comparison of two AA-CAES

热力学模型计算结果表明带高温蓄热系统的AA-CAES储能效率为49.49%，相对于传统AA-CAES储能效率下降2.9%。但是由于高温蓄热介质能够消纳更多的电能，系统储能密度提升22.56%，相同储气空间下，系统可以对外增加供电0.71×105kW·h。同时，在系统运行时高温蓄热系统需要熔融盐5.79×106kg。

为了研究熔融盐温度和储气室最高压力对带高温蓄热系统的AA-CAES的影响，以下分析参数变化时，系统性能的变化情况。

3.1 熔融盐温度

图6表示熔融盐温度对带高温蓄热系统AA-CAES储能效率和储能密度的影响。随着熔融盐温度的提升，系统储能效率会逐渐降低。这是因为高温蓄热介质的加入使第一级膨胀机进口的空气温度升高，第一级膨胀机出口温度也随之升高，这导致第二级换热器内的换热效果变差，换热器出口水温上升，压缩热不能得到充分利用而浪费，因此储能效率降低。但储能密度会随着熔融盐温度的升高而增大。这主要是由于高温换热器使膨胀机进口的空气温度提升，增大了膨胀机的做功能力，对外输出功增加。蓄热介质温度从400 K升高到800 K的过程中，储能效率降低5.58%，储能密度升高1.727 kW·h/m3。

图6 熔融盐温度对系统性能的影响Fig.6 The effect of molten salt temperature on system performance

3.2 储气室最高压力

储气室压力决定了压气机的压比和膨胀机的膨胀比，而压比和膨胀比决定了换热器内空气的温度，因此储气室压力会对蓄热系统产生影响。以高温蓄热系统熔融盐温度为500 K时为例，分析储气室最高压力对系统性能的影响。图7表示储气室最高压力改变时，系统储能效率和储能密度的变化情况。随着储气室最高压力的升高，储能效率和储能密度均升高。储气室最高压力从5 MPa升高到10 MPa，储能效率上升1.85%，储能密度增大3.49倍。因此提升储气室最高压力是改善系统性能的重要途径。但储气室压力的提升受到储气室结构、强度、压气机性能以及低温蓄热介质热物性等因素的限制。为了提高储气室压力，需要设计强度高、成本低的储气室，选择合适的蓄热材料。

图7 储气室最高压力对系统性能的影响Fig.7 The effect of maximum chamber pressure on system performance

4 结论

本文对AA-CAES中蓄热系统建立热力学模型，分析了蓄热系统换热器级数以及蓄热介质流量对系统性能的影响。在此基础上本文设计了带高温蓄热系统的AA-CAES，对比分析该系统与传统设计方案的优缺点，分析了蓄热介质温度和储气室最高压力对系统储能效率等性能参数的影响。

(1) 压气机与膨胀机级数相近时，储能效率最高，级数差别越大储能效率越低。当压气机与膨胀机级数相等时，随着级数的增加，储能密度逐渐降低。

(2) 随着水流量的增大，储能效率先升高后降低，当换热器中水的热容率与空气热容率接近相等时，储能效率最高。

(3) 带高温蓄热系统的AA-CAES能够获得更大的储能密度，系统运行灵活性也增强，但储能效率有所下降。

(4) 蓄热介质温度升高会使系统储能效率下降，储能密度增大；储气室最高压力升高会使储能效率和储能密度同时上升。

[1]中国可再生能源学会风能专业委员会. 2011年中国风电装机容量统计[R]. 北京： CWEA, 2011. Chinese Wind Energy Association. Statistics of China wind power installed capacity in 2011[R]. Beijing: CWEA, 2011.

[2]中华人民共和国国家统计局. 2011年中国装机容量达10.56亿千瓦[EB/OL]. http://www.askci.com/news/201202/02/91447_97.shtml. National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. 2011 China installed capacity of 1.056 billion kilowatts[EB/OL]. http://www.askci.com/news/201202/02/91447_97.shtml.

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[6]李雪梅, 杨科, 张远. AA-CAES压缩膨胀系统的运行级数优化[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(9): 1649-1653. LI Xuemei, YANG Ke, ZHANY Yuan. Optimization design of compression and expansion stages in advanced adiabatic compressed air energy storage system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(9): 1649-1653.

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Modification of Thermal Energy Storage System in AA-CAES

HAN Zhonghe, PANG Yongchao

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

Advanced adiabatic compressed air energy storage system (AA-CAES) is a kind of large scale electric energy storage and conversion technology which plays an important role in renewable energy grid and power peaking. In order to study the influence of the structure and operation mode of the thermal energy storage system on the performance of AA-CAES, the thermodynamic model of the thermal energy storage system is analyzed and a high temperature thermal energy storage system based on the traditional structure is proposed in this paper. The results show that when the stages of the compressor and expander are similar, the energy storage efficiency is the highest, and the greater the difference of the stages, the lower the energy storage efficiency. When the stages of the compressor and expander are equal, the energy storage density is gradually reduced with the increasing stages. When the thermal capacity rates of water and air in the heat exchanger are nearly equal, the energy storage efficiency is the highest. AA-CAES with high temperature thermal energy storage system can achieve a greater energy storage density, and the system operating flexibility is also enhanced, but the energy storage efficiency has declined slightly.

AA-CAES; thermal energy storage system; high temperature thermal energy storage; energy storage efficiency