一种新型跨临界压缩二氧化碳储能系统热力分析与改进

何 青，郝银萍，刘文毅

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引 言

针对我国的能源安全和环境污染问题，大力开发利用新能源，实现新能源大规模并网发电已成为解决该棘手问题的主要手段[1]。其中，风电作为一种可再生的清洁能源受到世界各国的重视。然而，由于风电自身波动性、非周期性等特点，大规模并网给电网的安全运行带来不利影响[2,3]。解决“弃风”问题的有效方法之一是采用电力存储系统，运用储能技术，将富裕的风电存储，在用电高峰时加以有效利用[4]。

压缩空气储能(CAES)系统是目前发展较为成熟，可有效解决风电发电与电网运行稳定的一种储能技术。但传统的压缩空气储能技术存在依靠燃气轮机，化石能源燃烧以及存储压缩空气体积大等缺点，限制了其大规模应用[5]。国内外许多学者针对上述缺点，做了许多改进研究。先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)[6,7]系统采用蓄热系统代替传统压缩空气储能系统中的化石燃料，实现污染物的零排放，并且系统性能大幅度提升；液化压缩空气储能(LAES)[8]储能系统实现空气的液态化存储，摆脱了大规模压缩空气存储的地域依赖；超临界压缩空气储能系统(SC-CAES增加英文缩写)实现空气在超临界物性状态的存储，系统的存储体积大大较小，具有高储能密度和高效性的特点[9]。

相比空气，二氧化碳是一种具有状态良好，极具开发潜质的储能工质[10,11]，它易实现超临界状态，使热源的放热温度曲线和CO2吸热温度曲线达到很好的匹配，可实现较高的能量转化效率。许多学者对运用CO2工质的布雷顿循环，朗肯循环等循环系统运行特性进行研究[12,13]。

本文提出一种基于地下储气室的新型压缩二氧化碳储能系统(TC-CCES)，其中蓄热系统采用高温水源热泵对系统运行过程中收集的压缩热进行蓄热，不需要燃料供应，实现污染物零排放，具有对环境友好，系统性能高的优点。通过建立这种新型的TC-CCES系统，对该系统展开热力学分析及敏感性分析，同时基于系统中不同蓄热介质进行系统性能对比分析，并就系统的整体特性进行了性能评价。

1 TC-CCES系统热力学模型

图1为基于地下储气室的压缩二氧化碳储能系统示意图。图2为基于地下储气室的跨临界压缩二氧化碳储能系统工作原理图。系统主要由储能单元、释能单元、蓄热单元和地下储气室单元组成一个封闭的循环系统。其中，储能单元工作过程为：来自低压储气室的跨临界二氧化碳经低压节流阀后，流经预冷器放热后，进入压缩机被三级压缩机压缩成高温高压工质后存储在地下高压储气室内，完成二氧化碳的压缩存储过程。系统释能单元工作过程为，来自地下高压储气室内二氧化碳工质，在吸收地热能后流经高压节流阀，进入膨胀透平做功发电，并将做完功后的乏汽存储在地下低压储气室内，待下一个储能循环继续使用。系统蓄热单元工作工程为：将二氧化碳压缩过程中产生的压缩热收集在储热罐内，经高温水源热泵加热后，将热量供给释能过程的二三级透平继续做功发电，同时将放热后的换热工质经热泵后收集在储冷罐内，供下一个循环使用。地下储气室单元由高压和低压两个储气室组成，分别用来存储储能过程被压缩的二氧化碳工质和释能过程做完功的二氧化碳工质。在系统运行过程中，节流阀用于控制储气室出口压力恒定。图3为蓄热系统中热泵工作原理图，考虑热泵内循环工质既要对环境友好，又要使热泵系统高效运行[14-16]，本文选取R245fa作为热泵系统循环工质，其物性参数见表1所示。

图1 基于地下储气室的压缩二氧化碳储能系统示意图Fig.1 Schematic diagram of compressed carbon dioxide energy storage system of underground gas storage reservoir

C-压缩机；T-透平；IC1-级间冷却器1；IC2-级间冷却器2；PC-预冷器；TR1-级间再热器1；TR2-级间再热器2

图3 热泵工作原理图Fig.3 Schematic diagram of heat pump

表1 R245fa的物性参数Tab.1 Properties of heat R245fa

1.1 压缩机

压缩机绝热效率定义为[17,18]

(1)

压缩机耗功为

(2)

压缩机组耗功为

(3)

1.2 膨胀透平机组

膨胀透平绝热效率定义为[17,18]

(4)

膨胀透平做功为

(5)

膨胀透平机组做功为

(6)

1.3 储气室

当储能工质二氧化碳被注入地下储气室指定深度时，储能工质二氧化碳的注入压力需大于地下指定深度处的储气室内压力。假定所选地下储气室的地质为含水地质层。储气室内静水压力为

Phs=ρwgH

(7)

式中：ρw为储气室含水层内水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为储气室深度，m。

在地下储气室内，储气室温度与地下深度之间的函数关系为

T=Ts+GH

(8)

式中：Ts为地表温度，K；G为地热梯度，K/km。

1.4 冷却器

由于储能介质二氧化碳在其临界点附近，比热容、密度等物性参数随温度的变化将会产生不规律的变化，对其参与换热的换热器的换热性能产生较大的影响。因此，当储能工质二氧化碳在超临界状态运行时，为保证换热器内运行工质二氧化碳物性为常数，需对换热器内二氧化碳的温度变化进行离散化处理[19]。

已知冷却器内热流侧二氧化碳工质的温降为ΔT，将温降ΔT分为N等份，任意一等份的热流侧二氧化碳放热量和冷流侧水的吸热量分别为

(9)

(10)

(11)

在预冷器中，换热原理与级间冷却器相同；在膨胀透平级间再热器中，热流侧为水，冷流侧为超临界二氧化碳，换热原理与压缩机级间冷却器相似。

1.5 热泵

高温热泵一般用于工业热泵领域，主要用于工业余热回收的利用[20]，本文中热泵系统主要由压缩机、冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成，热泵系统内循环工质为R245fa。

(1)压缩机

热泵内压缩机工作原理与储能系统内储能过程压缩机工作原理一致。

(2)冷凝器

在热泵冷凝器内，热流侧和冷流侧分别为R245fa和水，根据质量守恒定律，冷凝器内工质R245fa的放热量及水的吸热量为

(12)

(13)

(14)

(3)蒸发器

在热泵系统的蒸发器内，低温低压状态下的R245fa与来自膨胀透平再热器热流侧出口的工质水进行热量交换，热流侧为水，冷流侧为R245fa，换热原理与冷凝器相似。

2 系统热力学评价指标

2.1 系统储热效率

储热效率ηHS用来衡量TC-CCES系统中蓄热子系统的蓄热性能，定义储热效率ηHS为蓄热系统中再热器释放的热量与存储的热量的比值，即

(15)

2.2 系统储能效率

储能效率用来衡量本系统在一次储能循环过程中存储的电能对整个储能循环过程对外发电的净贡献能力，定义储能效率ηES为系统的释能过程电能的净产出与储能过程电能的净消耗的比值，即

(16)

2.3 系统循环效率

系统循环效率用来衡量本系统循环工作效率，定义系统循环效率ηRT为储能系统循环运行过程中系统发电所输出的功与系统储能所消耗的功的比值，即

(17)

3 系统性能分析

表2为TC-CCES系统热力学模型中的设计参数。图4为TC-CCES储能系统运行过程中所需热泵供热量。热泵供热量为在系统释能过程中热泵子系统将储热罐内的水再热到更高温度，加热二、三级膨胀透平内二氧化碳再次膨胀做功所需要提供的热量。因此，热泵供热量的多少取决于储能过程中储热罐内储热工质的温度和膨胀透平再热器的入口温度，二者温差越大，所需热泵供热量越多。鉴于目前高温水源热泵的工业水平[21]，本文选定高温水源热泵可将热罐内蓄热工质再热到433.15 K，即透平再热器入口温度定为433.15 K。

表2 TC-CCES系统设计参数Tab.2 Properties of TC-CCES

图4 储热罐温度和透平再热器入口温度变化对热泵供热量的影响Fig.4 Heat flow rate of heat pump vs temperature of heat storage unit and inlet temperature of TR

表3和表4分别为储能系统主要部件的运行结果和系统主要评价指标计算结果。由表4数据可知，系统储热效率、循环效率和储能效率分别为46.11%，66%和58.41%，本系统采用由热泵组成蓄热子系统，实现了压缩热的充分利用，使系统具有较好的热力性能。

表3 TC-CCES 系统主要部件计算结果 Tab.3 Calculation results of main components of TC-CCES

表4 TC-CCES 系统性能指标计算结果Tab.4 Calculation results of performance indexes of TC-CCES

图5所示为压缩机绝热效率对跨临界压缩二氧化碳储能系统主要部件热力性能的影响。由图5(a)知，在保证其他参数不变的情况下，当压缩机绝热效率在0.75～0.95的范围内变化时，1#压缩机耗功从84.59 kW降低到66.78 kW，2#压缩机耗功从78.14 kW降低到61.69 kW，3#压缩机耗功从58.74 kW降低到46.37 kW，各级压缩机耗功呈递减的变化趋势，且1#压缩机耗功最大，3#压缩机耗功最小，这是因为随着压缩机绝热效率的增大，做功工质二氧化碳的温度和压力升高，当二氧化碳由跨临界状态转变为超临界状态时，压缩机耗功逐渐减少[22]；热泵耗功从42.5 kW降低到41.93 kW，具有较小的降低幅度。

由图5(b)知，级间冷却器1换热量从3.166×105kJ/h下降到2.915×105kJ/h，级间冷却器2换热量从4.805×105kJ/h下降到4.213×105kJ/h，二者均有较大程度的下降。这是因为随着压缩机绝热效率的增大，各级压缩机做功减少，一方面使得各级冷却器出口温度降低，换热量减少；另一方面末级压缩机做功减少，使得首级透平内做功工质入口温度相应降低，出口温度相应降低，因此透平再热器内二氧化碳侧工质温差变大，使得透平再热器1换热量出现从2.254×105kJ/h增大到2.556×105kJ/h的变换趋势，而透平级间再热器2和预冷器的换热量不随压缩机绝热效率的变化而变化。热泵供热量由2.669×105kJ/h增加到3.943×105kJ/h，增长幅度较大，是由于压缩机耗功减小，系统收集到的压缩热温度降低，即储热罐内水温降低，使得储热罐温度与透平再热器入口温度温差增大，因此热泵供热量增大。

图5 压缩机绝热效率对TC-CCES主要部件热力性能影响图5 Effect of adiabatic efficiency of compressor on thermodynamic performance of TC-CCES

图6所示为膨胀透平绝热效率对跨临界压缩二氧化碳储能系统主要部件热力性能的影响。由图6(a)知，在保证其他参数不变的情况下，当透平绝热效率在0.75～0.95的范围内变化时，各级压缩机耗功保持不变，1#透平做功从41.91 kW增大到53.09 kW，2#透平做功从44.49 kW增大到56.36 kW，3#透平做功从47.44 kW增大到60.1 kW，各级透平做功呈递增趋势，且3#透平做功最多，1#透平做功最少，当二氧化碳工质从超临界状态变为跨临界状态时，做功能力增强[23]；热泵耗功从44.31 kW降低到44.19 kW，降低幅度较小。

由图6(b)知，级间冷却器的换热量不受透平绝热效率变化的影响，随着透平绝热效率的增大，透平再热器1换热量从2.238×105kJ/h增大到2.64×105kJ/h，级间再热器2换热量从2.295×105kJ/h增大到2.772×105kJ/h，二者均有较大程度的增长；热泵供热量从3.514×105kJ/h增大到3.813×105kJ/h。这是因为随着透平绝热效率的增大，末级透平做功增大，使得收集到的透平末级废热温度降低，最终储热罐温度降低，储热罐与透平再热器入口的温差增大，因而热泵供热量增大。而级间冷却器的换热量则不随透平绝热效率的变化而变化，预冷器的换热量从2.092×105kJ/h减小到1.636×105kJ/h，是由于随着透平绝热效率的提高，预冷器内二氧化碳侧工质温差变小，因而预冷器内水侧换热量减小。

图6 透平绝热效率对TC-CCES主要部件热力性能影响Fig.6 Effect of adiabatic efficiency of turbine on thermodynamic performance of TC-CCES

4 不同蓄热介质构成的储能系统对比分析

本文蓄热系统采用液体显热式蓄热介质的换热器进行热交换工作，蓄热介质主要与储能系统做功工质二氧化碳和热泵系统内的做功工质R245fa进行换热。文章以三种蓄热工质为例，对三种不同蓄热介质构成的储能系统的热力性能进行对比分析。三种蓄热介质的物性特征见表5所示[23]。

表5 蓄热介质物性参数Tab.5 Properties of heat storage medium

以前述表2中的运行参数为例，在系统主要运行参数变化时，本文分析三种不同蓄热介质构成的储能系统对系统运行性能的影响。图7和图8分别为压缩机绝热效率和透平绝热效率变化时对TC-CCES系统性能的影响。

由图7可知，当压缩机绝热效率在0.75～0.95范围内变化时，以水为蓄热介质时系统的储热效率，储能效率和系统循环效率最高，THERMINOL D12最低，三种系统的储热效率，储能效率和系统循环效率均随着压缩机绝热效率的增大而增大。

由图8可知，当透平绝热效率在0.75～0.95范围内变化时，系统的运行性能出现与图7相同的变化趋势，三种不同蓄热介质构成的系统的储热效率，储能效率和系统循环效率均随透平绝热效率的增大呈近似于线性增大的趋势，同时可以得出，以水为蓄热介质的TC-CCES储能系统的运行性能最优。

图7 压缩机绝热效率对系统效率的影响Fig.7 Effect of adiabatic efficiency of compressor on system efficiency

图8 透平效率对系统效率的影响Fig.8 Effect of adiabatic efficiency of turbine on system efficiency

5 结 论

(1)研究建立的基于地下储气室的跨临界压缩二氧化碳储能(TC-CCES)系统，其系统储热效率、储能效率和循环效率分别为46.11%，58.41%和66%，具有较好的系统热力性能和研发前景。

(2)通过对TC-CCES系统的敏感性分析得出系统内各部件随压缩机绝热效率和透平绝热效率变化的影响规律。结果表明压缩机绝热效率越大，透平绝热效率越大，压缩机组耗功越少，透平机组做功越多，系统的运行性能越好，而热泵耗功变化不大，对系统运行性能影响不大；系统内各换热器的换热量主要取决于换热器内工质进出口温差，温差越大，换热量越大，而各换热器的换热量又决定系统内压缩热的利用程度，可通过提高压缩机和透平绝热效率的办法提高系统的储热效率。

(3)蓄热介质的不同会对储能系统热力性能产生影响。研究表明，水作为所研究储能系统蓄热介质时系统性能达到最好，THERMINOL 66次之，THERMINOL D12最差。

TC-CCES系统充分利用地下封存的二氧化碳，实现了二氧化碳工质在压缩—发电—存储间的循环使用，系统运行绿色高效，在风电的规模存储中具有较好的应用前景。目前，压缩二氧化碳储能系统仍处在热力学研究基础阶段，后续需进行经济性研究，优化机组运行成本，逐步发展具有经济高效运行潜力的压缩二氧化碳储能系统。