基于气-液相变的等压压缩空气储能方法研究

2021-07-16张鹏举李子瑞许未晴李光耀蔡茂林

液压与气动 2021年7期

张鹏举，李子瑞，许未晴，李光耀，蔡茂林，石岩

(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2.气动热力储能与供能北京市重点实验室，北京 100191)

引言

由于风能、太阳能等可再生能源具有不确定性，其产生的电能不能直接输入电网，必须经过储能系统暂时存储非负载高峰期的电能，并在负载高峰期时释放出来[1]。抽水蓄能(PHS)和压缩空气蓄能(CAES)是仅有的具有高储能能力和动力能力的大型电力系统储能技术[2]，其中抽水蓄能占98%以上装机容量[3]。由于抽水蓄能技术投资大、工期长、受地形影响严重[4]，科研人员对压缩空气储能技术的研究非常重视。

先前等压储能系统的方案均是基于静压补偿原理，有3种研究方向：一是利用压缩空气的压力将水排到高位储存，但这需要合适的地理条件[8]；二是通过循环泵向储气室中添加或去除水来实现恒压操作，在储气室排水口设置了一个涡轮机，有效地弥补了向储气室加水时泵所带来的额外功耗[9]；三是采取水下压缩空气储能，将柔性材料的能量袋安装在水下，利用水压保持压力恒定，但安装环境复杂，管路安全可靠是一个巨大的挑战。

近些年，有些研究人员利用传热技术并用可冷凝气体(如二氧化碳、合成制冷剂、碳氢化合物制冷剂等)的气-液相变来实现等压压缩空气储能。ADEWALE O等[10]提出了利用可冷凝气体作为提高压缩空气储能系统的能量密度和循环效率的方法，实现了近等温和接近等压的充放电过程。CHEN等[11]提出了一种基于挥发性流体的新型等压绝热压缩空气储能(IA-CAES)。空气存储容器由活塞分成两部分：一部分用于空气存储，另一部分引入合适的挥发性流体, 与传统的A-CAES系统相比，IA-CAES系统的循环效率得到了提高。

本研究分析了压缩空气储能系统的能量分布及损失，同时研究了储存压力变化对传统储能系统效率的影响，并对基于气-液相变的压缩空气储能系统与传统的压缩空气储能系统的效率作对比。

1 基于气-液相变等压的原理

基于气-液相变的等压压缩空气储能系统原理图如图1所示。在储能阶段，将可再生能源或电网的多余电力为电动机(M)提供动力，电动机驱动压缩机组，空气被压缩并储存在储气罐中。在每次压缩之后，来自压缩空气的热量通过流体循环系统在冷却器中被吸收，并储存在热能存储单元中，然后，将压缩空气冷却至接近环境温度；在释能阶段，压缩空气从储气罐中释放，在进入涡轮机组中膨胀发电之前，需要先通过加热器加热到高温，加热器从先前的热能存储单元中提取热量。其中，等压容器结构如图1虚线框中所示，等压容器包括储气罐、相变工质储罐、换热器、循环泵等组件，其中储气罐中间设置隔膜将空气与相变工质隔离，防止相变工质流入压缩空气中散失。在系统储能阶段，循环泵将冷却流体泵送流经工质储罐，冷却工质，使工质由气态转变为液态，高压空气得以进入储气罐中储存；在系统释能阶段，循环泵将热流体泵送流经工质储罐，加热工质，使工质由液态变为气态，以补偿高压空气储罐中高压气体释放所引起的储罐内气体的压力损失，压缩空气在储存和释放时都保持压力恒定(或近似压力恒定)。

图1 基于气-液相变的等压压缩空气储能系统原理图

2 数学模型

建立压缩空气储能系统的数学模型，分析储能及释能过程能量利用情况，主要有压缩机、膨胀机以及换热器，系统通过利用电网多余电能将环境空气压缩成高压空气进行储存，在电网负荷高峰时释放压缩空气驱动膨胀机发电。通过储能过程所消耗的电能及释能过程中发电能量得出系统效率，通过分析系统运行过程中各环节能量消耗得出能量分布及占比，从而对系统进一步优化，减小系统运行过程中的能量损失以提高系统效率。

2.1 压缩机

储能阶段，空气经过压缩机压缩后压力和温度均升高，压缩空气储能系统的压缩机组由两级压缩机组成，压缩机的出口压力为：

pcom,out,i=λipcom,in,i

(1)

式中，pcom,out,i和pcom,in,i分别是各级压缩机出口和入口压力；λi是第i级压缩机的压缩比。

各级压缩机的功率为:

(2)

式中，Gcom,in是储能过程中进入压缩机的空气质量流量；hcom,in,i和hcom,out,i分别是第i级压缩机入口和出口空气的比焓；ηcom,i是第i级压缩机的机械效率。

压缩机组的总功率为：

(3)

2.2 膨胀机

压缩空气从储气室释放之后，需要先在换热器中加热升温，然后再进入膨胀机做功，压缩空气储能系统的膨胀机组由两级膨胀机组成，膨胀机的出口压力为：

pexp,out, j=λjpexp,in, j

(4)

式中，pexp,out, j和pexp,in, j分别是膨胀机出口和入口压力；λj是第j级膨胀机的膨胀比。

各级膨胀机的功率为：

(5)

式中，Gexp,in是释能过程中进入膨胀机的空气质量流量；hexp,in, j和hexp,out, j分别是第j级膨胀机入口和出口空气的比焓；ηexp, j是第j级膨胀机的机械效率。

膨胀机组的总功率为：

(6)

2.3 换热器

空气经压缩机压缩后变为高温高压气体，需要经过换热器冷却为近常温高压气体在进入储气室储存，假定压缩空气经冷却器后温度比常温高30 K，则压缩空气与冷却器的换热功率为：

Gcom,in(hcool,in,i-hcool,out,i)=Goil,coolCoil(Toil,out,i-Toil,in,i)

(7)

式中，hcool,in,i和hcool,out,i是压缩空气在冷却器进出口的比焓；Goil,cool是导热油的质量流量；Coil是导热油的比热容；Toil,in,i和Toil,out,i是导热油在换热器进出口的温度。

空气经冷却器出口压力为：

pi=(1-ωp,loss)pi-1

(8)

式中，ωp,loss是压力损失率。

压缩空气从储气罐中释放进入膨胀机之前需经加热器加热，则压缩空气与加热器的换热功率为：

Gexp,in(hheat,out, j-hheat,in, j)

=Goil,heatCoil(Toil,in, j-Toil,out, j)

(9)

式中，hheat,in,i和hheat,out,i是压缩空气在加热器进出口的比焓；Goil,heat是导热油的质量流量；Toil,in, j和Toil,out, j是导热油在加热器进出口的温度。

空气经加热器出口压力为：

pj=(1-ωp,loss)pj-1

(10)

2.4 压缩和膨胀过程的工作时间

根据理想气体状态方程：

pV=mRT

(11)

式中，R为气体常数，可得充入气罐中压缩空气的质量，则充电时间或放电时间可由下式给出：

(12)

2.5 系统的能量损失及占比

压缩空气储能系统的能量将压缩空气以大气状态压缩到高压常温状态，再通过膨胀机做功变成大气状态，传输过程中总存在损耗，能量损失主要包括以下5个方面：压缩机效率问题导致的能量损失；高温空气经换热器的能量损失；储气罐的能量损失(包括高压空气减压至膨胀机的工作压力造成的节流损失)；膨胀机效率问题导致的能量损失；膨胀机末端排出的废气包含的能量。图2描述了压缩空气储能系统从电网用电压缩空气储能到通过膨胀机驱动发电机发电这一过程的能量分布情况。

图2 压缩空气储能系统的能量分布图

E=(H-H0)-T0(S-S0)

(13)

压缩机的能量损失为：

Wcom,loss=Wcom-(ex,com,1+ex,com,2)mcom

(14)

式中，Wcom为压缩机实际消耗的能量；ex,com,1和ex,com,2分别是压缩空气在两级压缩机中比有效能的增加值；mcom为进入压缩机的空气质量。

换热器的能量损失定义为压缩阶段压缩空气释放到换热器中的热量与膨胀阶段压缩空气吸收的热量的差值：

Qhex,loss=Qhex,com-Qhex,exp

(15)

压缩空气的节流损失为：

Ex,air,loss=Ex,air,stor-Ex,air,dis

(16)

式中，Ex,air,stor为压缩空气在存储压力下的有效能；Ex,air,dis为压缩空气至第一级膨胀机的压力下的有效能。

膨胀机的能量损失为：

Wexp,loss=(ex,exp,1+ex,exp,2)mexp-Wexp

(17)

式中，Wexp为膨胀机输出的能量；ex,exp,1和ex,exp,2分别是压缩空气在进入两级膨胀机前的比有效能；mexp为进入膨胀机的空气质量。

末级膨胀机排出的废气能量：

Wexhaust=ex,exhaustmexp

(18)

式中，ex,exhaust是末级膨胀机排出的废气的比有效能。

2.6 储能效率

利用总的膨胀功与总的压缩功的比值来衡量系统的效率，则储能效率定义为：

(19)

式中，tcom是储能时间；texp是释能时间。

3 结果与讨论

表1记载了模型运行时的基本参数，表2是等压和非等压压缩空气储能系统的数据对比，表中未给出的模型计算过程中的空气及相变工质的热力学性质，可由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的REFPROP 9.1计算得出。

表1 系统参数

表2 两系统仿真数据比较

图3 压缩空气储能系统能量分布对比图

对于非等压压缩空气储能系统，当储气罐中压力低于膨胀机的额定工作压力时，储罐中的气体是无法被用来驱动膨胀机工作的，因此，压缩空气的储存压力要高于膨胀机的工作压力。而对于等压压缩空气储能系统来说，由于有压力补偿装置的存在，储气罐中压缩空气能够完全利用，其储存压力等于膨胀机工作压力即可。由式(3)、式(6)、式(12)及式(19)可得压缩空气储能系统的效率。当改变非等压压缩空气储能系统的储存压力时，系统效率也会相应的改变，图4是压缩空气储能系统在不同储存压力下的系统效率变化趋势图，可以看出，非等压压缩空气储能系统的效率随着储存压力的增加而降低，而且都小于等压压缩空气储能系统的效率。

由式(14)～式(18)可知系统各部分能量损失及在总损失能量中的占比。图5和图6为非等压和等压压缩空气储能系统的能量损耗占比，从图中可以看出，对于以上两种储能系统，换热器的能量损失在系统能量损耗中起主导地位，其次是压缩机和膨胀机的能量损失，对于非等压压缩空气储能系统，其储气罐的能量损失较大，占整体能量损失的18.9%，而对于等压压缩空气储能系统，其几乎不存在节流损失，储气罐的能量损失占系统总的能量损失的比例很小，只有0.57%。