微型压缩空气储能系统工作特性研究

魏军英，王 鹏，王吉岱，曹雪平，肖现坤，江 政



微型压缩空气储能系统工作特性研究

魏军英，王 鹏，王吉岱，曹雪平，肖现坤，江 政

（山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

为了探究微型压缩空气储能的工作特性，本文通过分析微型压缩空气储能系统的工作过程及原理，运用㶲分析法建立了系统储能过程、释能过程理论分析模型，并建立了系统㶲效率的评价模型；运用Aspen Plus软件建立系统储能子系统、释能子系统的流程仿真模型，分析了膨胀机入口压力、膨胀初始温度、系统流量等因素对膨胀机工作特性、系统效率的影响。仿真结果表明：增加入口压力、膨胀初始温度、系统流量和膨胀比能够有效地增加系统输出轴功；膨胀比以及膨胀初始温度越高，系统效率越高，但增长速度减缓，系统流量对系统效率几乎没有影响。本文建立的微型压缩空气储能系统热力学分析模型以及仿真结果能够正确反映关键输入参数对膨胀机输出特性的影响规律，可为设计高效微型压缩空气储能系统提供理论依据。

微型压缩空气储能；㶲分析法；Aspen Plus；仿真模型；膨胀机；工作特性；膨胀比；系统效率

近年来，随着我国太阳能、风能等可再生能源开发力度加大以及分布式供能和微电网技术快速发展，急需一种运行稳定、容量大、储能密度高、安全性能好的储能技术，以解决可再生能源在并网过程中对电网的冲击和抑制微电网电压和频率的波动等问题[1-3]。压缩空气储能是除抽水储能技术之外另一种能够实现大容量和长时间储放电的储能技术，该技术不仅具有能量密度高、成本低、运行安全等优点，而且受地理条件的限制较低，可以把地面上的高压容器作为储气装置[4-5]。

近年来，随着对压缩空气储能研究的不断深入，微型压缩空气储能系统逐渐受到人们的关注，诸多国内外研究人员对微型压缩空气储能系统的运行特性进行了研究。Khami等人[6]搭建了一台微型压缩空气储能试验系统，研究了透平入口压力对透平出口温度、转速、输出轴功和系统效率的影响。Martínez等人[7]建立了微型压缩空气储能系统的动态数学模型，并利用Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块进行了仿真分析。王成山 等[8]建立了微型压缩空气储能系统原动部分的学术模型，研究了压缩空气的压力、温度等因素对系统效率的影响。褚晓广等[9]建立了基于涡旋膨胀机的微型压缩空气储能系统动态数学模型，并通过仿真与实验的方法对涡旋压缩机效率优化控制进行了研究。Lemofouet等人[10]构建了一个由微型压缩空气储能与超级电容组成的混合储能系统，提出了一种系统最大效率跟踪的控制方法，并通过实验验证了该方法的可行性。

本文通过对微型压缩空气储能系统工作过程进行分析，利用㶲分析法建立了系统的热力学模型，研究系统以及各系统关键部件的㶲损及㶲效率。并利用Aspen Plus软件建立了储能和释能子系统以及整个微型压缩空气储能系统的仿真模型，研究了系统各输入关键参数对膨胀机输出轴功、进出口温差及对系统热效率的影响。

1 微型压缩空气储能系统结构及原理

微型压缩空气储能系统主要由空气压缩机（空压机）、电动机、储气装置、换热器/加热器、膨胀机、发电机以及控制和辅助系统（阀门、管道、压力/温度/流量传感器）等[11]组成（图1）。微型压缩空气储能系统是将用电峰谷时富余的低价位电能通过空压机转化为压缩空气的压力能，储存在高压储气罐中；在用电高峰时，将存储在高压储气罐中的压力能通过透平/膨胀机转化为高价位的电能，以达到“削峰填谷”、节约电能和抑制微电网波动的目的[12]。微型压缩空气储能系统应用及运行原理如图2所示。

微型压缩空气储能系统一般把高压储气罐和一些小型管道网作为储气装置，系统加热装置一般为换热器、加热器等小型加热装置，甚至在一些场合不需要加热装置[11,13]。微型压缩空气储能系统一般选择效率更高，体形较小、速度较低的容积式膨胀机作为动力装置，如螺杆式膨胀机、活塞式膨胀机、涡旋式膨胀机等。微型压缩空气储能系统体积较小，便于装拆与运输，因此，在抑制微电网波动、负载侧电能调配、应急电源及压缩空气汽车等领域有着很好的应用和开发潜力。

图1 微型压缩空气储能系统

图2 微型压缩空气储能系统应用及运行原理

2 系统㶲分析及建模

微型压缩空气储能系统包括储能子系统和释能子系统2部分。其中储能子系统包括电动机、空压机、储气罐；释能子系统包括储气罐、换热器、减压阀、膨胀机、发电机。本文使用㶲分析法对微型压缩空气储能系统各关键部件进行热力学建模，分析各关键部件㶲损，从而确定整个系统的㶲损失，得出系统效率，对整个系统做出评价。

2.1 储能阶段㶲效能分析

2.1.1 空压机㶲损分析

假设空气为理想气体，空气经过级压缩，压缩过程为稳流、等熵压缩过程。第级空压机出口气体的㶲c,以及空压机㶲损c,为：

式中：c为第级空压机的消耗功，c为压缩空气的质量，c,n,in、c,n,o为第级压缩机进、出口单位质量气体的焓，c,n,in、c,n,o为空压机进、出气口单位质量空气的熵，c,n,in、c,n,o为第级压缩机气体进、出口空气的温度，0为环境温度，γ为第级压缩机压比，为空气绝热指数，g为空气的气体常数。

所以级空压机㶲损失及压缩机总㶲损c为

2.1.2 储气罐㶲损分析

微型压缩空气储能系统储能和释能阶段并不同时进行，且时间间隔足够长。因此，在释能阶段储气罐内压缩气体的温度、压力都已趋于稳定。为了简化计算模型，做如下假设：1）储气罐放气过程为绝热过程；2）储气罐体积恒定，密闭性好、无漏气；3）储气罐作为控制体，假定储气罐进气的初、终态为平衡状态。

储气罐进气结束时剩余气体质量及温度为[14]：

式中，g,1为储气罐中的空气初态质量，g,2为储气罐终态剩余气体的质量，g,1为压缩空气的初始压力，g,2为终态剩余气体压力，g,1为气体初态温度，g,2为气体终态温度。

储气罐排气总质量g为

储气罐排气初态、终态的㶲值g,1、g,2为：

式中，g,1、g,2为储气罐初、终态气体的焓，0为标准状态下单位质量空气的焓，0为环境温度，g,1、g,2为初、终态单位质量气体的熵，0为标准状态下单位质量空气的熵。

所以，储气罐的㶲损g即为储气罐的终态㶲，储气罐为系统提供的㶲值g为：

式中，c为标准状态下空气的定压比热容。

2.2 释能阶段㶲效能分析

2.2.1 减压阀㶲损分析

式中，v1、v2为气体减压阀进、出口焓，v1、v2为气体减压阀进、出口熵，流经减压阀时的㶲 损v为

式中v1、v2为气体减压阀进、出口压力。

2.2.2 换热器㶲损分析

假定换热器为稳流系统，换热器压降为0，且空气侧与非空气侧流体符合[15]

式中，w为非空气侧流体定压比热容，w为非空气侧流体质量。

换热器空气侧吸收/提供的㶲值h为

式中：h1、h2为空气侧换热器进、出口气体的㶲值，h1、h2为空气侧换热器进、出口单位质量气体的㶲值，h1、h2为空气侧换热器进、出口单位质量气体的焓值，h1、h2为空气侧进、出口单位质量气体的熵值。

穆尔通过动物寓言故事反映人类生活，尽管它们是寓言性的，反映的是现实生活。穆尔在动物世界里找到了自己的生活，展示了一个丰富的自我。从文化批评的角度看，她笔下的动物大多为雌性动物或与女性有关，体现了诗人对女性的关怀。穆尔以严肃的创作态度描写动物、了解动物、尊重动物。她笔下的人与动物是互补的关系。穆尔通过动物诗歌提醒我们，自然界的生灵时刻受到人类的侵扰和控制，人类总是试图成为大自然的主宰。穆尔明确提出，动物有着它们自己的权利，值得被尊重；人类应该学习和模仿自然，而不是控制和征服自然。

同理，非空气侧吸收/提供的㶲w为

式中，w1、w2为非空气侧单位质量流体的焓，w1、w2为非空气侧单位质量流体的熵。

故换热器的㶲损为

2.2.3 膨胀机㶲损分析

考虑到高压气体在膨胀机内膨胀时的泄漏问题，为了简化计算定义膨胀过程为等熵绝热过程，引入泄漏指数，膨胀比[14]。

根据热力学第一定律可求得膨胀机的输出轴功

式中e,in、e,o为膨胀机进、出气口气体温度。

根据热力学第二定律以及熵增公式，膨胀机压缩空气进口状态㶲ein和出口㶲eo为：

式中，e,in、e,o为膨胀机入、出口压力，0为标准状态下大气压力。

膨胀机的㶲损失e为

2.3 系统㶲效能分析

经分析系统所提供的总㶲为空压机压缩空气提供的㶲c以及热源提供的㶲w之和：

系统总㶲损为压缩机㶲损c、储气罐㶲损g、减压阀㶲损v、换热器㶲损hex及膨胀机㶲损e之和：

系统利用的最终有效㶲即为膨胀机输出的轴功，系统的㶲效率ex为

经化简得：

2.4 系统Aspen plus软件建模与仿真分析

采用Apsen Plus流程模拟软件分别对微型压缩空气储能系统的储能子系统和释能子系统的工作流程进行建模，结果如图3所示。微型压缩空气储能系统参数见表1。

表1 微型压缩空气储能系统参数

Tab.1 Parameters of the micro compressed air energy storage system

3 膨胀机工作特性影响因素分析

膨胀机作为微型压缩空气储能系统最核心的部件，其工作特性直接影响整个系统效率。为了探寻影响膨胀机工作特性的关键因素，研究了不同膨胀机入口压力、膨胀初始温度、系统流量、膨胀比对膨胀机工作特性的影响。

1）膨胀机入口压力 选取膨胀机入口压力e,in为0.4、0.8、1.2 MPa，在此条件下研究膨胀机初始温度对膨胀机工作特性的影响，结果如图4所示。从图4a)与图4b)可以看出，膨胀机进出口温差与膨胀机输出功都随着膨胀机入口压力的升高而增加，但其增加趋势逐渐减缓，且两者的变化趋势几乎一致。其原因可根据式(19)进行解释，当膨胀机的泄漏指数一定时，膨胀机的输出功与进出口温差呈线性关系，故膨胀机的输出轴功与进出口温差随入口压力升高的变化趋势一致。

从图4c)可以看出：当膨胀初始温度为20 ℃时，系统效率随入口压力的升高而降低；而当膨胀初始温度为100 ℃和200 ℃时，却呈现了先增加后减小的趋势。其原因为当膨胀初始温度为20 ℃时，膨胀机的输出功的增加速率缓慢，小于系统所消耗功的增加速度，故系统效率逐渐减小；当膨胀初始温度为100 ℃和200 ℃，在入口压力较小时，膨胀机输出轴功增加速度大于系统消耗功的增加速度，随着入口压力的升高，输出轴功的增速减缓，逐渐小于系统消耗功的增速，故出现先增大后减小的现象。

2）膨胀初始温度 选取膨胀初始温度为20、100、200 ℃情况下研究膨胀机入口压力对膨胀机工作特性的影响，结果如图5所示。从图5a)和5b)可以看出，随着膨胀初始温度的不断升高，膨胀机进出口温差、膨胀机输出轴功呈线性增加的趋势，且两者的增加趋势几乎一致，即如果尽量提升膨胀初始温度，将能够有效提高膨胀机的做功能力。从图5c)中可以看出：当入口压力为0.4 MPa时，系统效率随着膨胀初始温度的升高而降低；当入口压力为0.8 MPa和1.2 MPa时，系统效率出现逐渐增加的趋势。其原因为在入口压力较低时，膨胀机的进出口温差较小，压缩气体从热源吸收的热量未被充分利用；而当入口压力较高时，膨胀机进出口温差较大，对热量的利用更加充分。

3）系统流量 图6为在一定的温度、压力条件下，流量对系统工作特性影响曲线。由图6可以看出：流量与膨胀机输出轴功几乎呈线性关系，增大系统流量可有效增加系统输出功；而对于进出口温差的影响微乎其微。

由式(19)分析可知，在系统流量确定的情况下，膨胀机的进出口温差直接决定了系统的输出轴功，系统效率与膨胀机的进出口温差有直接关系，因此解释了图6c)系统效率不随系统流量的变化而改变的情况，即在入口压力、温度一定情况下，可认为系统流量对系统效率不产生影响。

4）膨胀比 图7为膨胀比对膨胀机输出特性的影响。从图7可以看出，在膨胀机入口压力、膨胀初始温度和流量不变的情况下，膨胀机输出轴功以及系统效率都随膨胀比的增加而增加，其增加趋势趋于平缓。这是由于在膨胀比较小时，压缩空气没有得到充分膨胀，属于欠膨胀状态。因此在膨胀比较小时，随着膨胀比的增大，输出轴功及系统效率增加较快；随着该比值的增大，压缩空气膨胀不充分度越来越小，则输出功及系统效率的增长也越来越缓慢；膨胀比继续增大，膨胀机出口状态由欠膨胀转变为过膨胀，且过膨胀度逐渐增加，由过膨胀造成的膨胀机倒吸现象也越来越突出，造成膨胀机的输出轴功增长异常缓慢。

图7 膨胀比对膨胀机输出特性的影响

4 结 论

1）膨胀机入口压力、膨胀初始温度对膨胀机进出口温差的影响较大，而系统流量对进出口温差几乎无影响。

2）膨胀机入口压力、膨胀初始温度、系统流量、膨胀比等对膨胀机输出轴功均有很大影响。其中，膨胀初始温度、系统流量对输出轴功的影响几乎呈线性。

3）膨胀机入口压力、膨胀初始温度和膨胀比对系统效率的影响较大，在不同条件下呈现出不同的影响规律。而系统流量对系统效率几乎无影响。

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Working characteristics of micro compressed air energy storage system

WEI Junying, WANG Peng, WANG Jidai, CAO Xueping, XIAO Xiankun, JIANG Zheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

By analyzing working process and principle of the miniature compressed air energy storage system, exergy analysis method was applied to establish a theoretical analysis model for energy storage process and energy release process. Moreover, an evaluation model of the exergy efficiency of the system was build up. The process simulation model of energy storage subsystem and energy release subsystem was established by using the Aspen Plus software, and the effects of inlet pressure, initial expansion temperature, system flow rate and other factors on performance of the expander and the system efficiency were analyzed. The simulation results show that, increasing the inlet pressure, initial expansion temperature, system flow rate and expansion ratio can effectively increase the output shaft work of the system. The higher the expansion ratio and the initial expansion temperature, the higher the efficiency of the system, but the slower the growth rate. The system flow rate has little effect on the system efficiency. The above thermodynamic analysis model of micro compressed air energy storage system and simulation results can correctly reflect the influence law of key input parameters on the output characteristics of the expander, which can provide a theoretical basis for design of efficient micro compressed air energy storage systems.

micro compressed air energy storage, exergy analysis method, Aspen Plus, simulation model, expander, working characteristics, expansion ratio, system efficiency

Science and Technology Research Program for Colleges and Universities in Shandong Province (J18KA049)

TK02

A

10.19666/j.rlfd.201807151

魏军英, 王鹏, 王吉岱, 等. 微型压缩空气储能系统工作特性研究[J]. 热力发电, 2019, 48(3): 28-34. WEI Junying, WANG Peng, WANG Jidai, et al. Study on the working characteristics of micro-compressed air energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 28-34.

2018-07-23

山东省高校科研计划项目(J18KA049)

魏军英(1973—)，女，博士，副教授，研究生导师，主要研究方向为压缩空气储能技术，jdwjy0726@163.com。

（责任编辑 刘永强）