先进压缩空气储能系统模拟与效率分析

2021-09-24文贤馗邓彤天钟晶亮王锁斌何新兵

动力工程学报 2021年9期

文贤馗，刘石，李翔，邓彤天，钟晶亮，王锁斌，何新兵

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳 550002；2.南方电网电力科技股份有限公司，广州 510080；3.华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074)

目前，大力发展清洁能源是我国乃至世界能源行业发展的必然趋势[1]。但是，可再生能源存在能量供给不稳定的问题[2]，需要通过储能技术获取错峰期的清洁能源，并在用电高峰期将其投入使用。储能技术主要分为机械储能、电磁储能和电化学储能，主要包括抽水储能、压缩空气储能和锂电池储能等[3]。目前，压缩空气储能凭借其高安全性、零污染和工作时间长等优点，成为储能技术中极具发展前景的大规模储能方式。压缩空气储能系统[4-5]包括传统型、绝热型、超临界型和液气型等多种形式。由于传统型压缩空气储能系统需要设置燃烧室补燃，会造成环境污染，因此先进压缩空气储能系统(AA-CAES)基于传统型增加了回热装置，通过回收利用压缩过程产生的热量，实现了储能、释能全过程无污染[6]。

国内外学者对先进压缩空气储能系统进行了研究[7-8]。李鹏等[9]通过耦合太阳能辅热子系统，分析了先进压缩空气储能系统性能的变化；He等[10]提出一种改变压缩机和膨胀机连接方式的方法，使得压缩机和膨胀机在设定条件下始终高效率运行；胡厚鹏[11]对先进压缩空气储能系统进行动态建模，并验证了模型参数的准确性；Saadat等[12]通过跟踪发电机所需功率，保持一定的弹性压力比，使压缩机和膨胀机趋于等温膨胀，实现高效运行；杨科等[13]对先进压缩空气储能系统进行了设计计算，推导出多级压缩机与膨胀机串、并联对系统的影响。

上述研究主要针对压缩机和膨胀机的特性、系统结构以及设备参数等方面，并未涉及温度变化对系统效率的影响。因此，在保持换热条件不变时，通过控制进气质量流量，使第二级～第四级压缩机进气温度和各级膨胀机排气温度保持为设定值，同时通过调节进气质量流量与工质质量流量之比(简称流量比)来改变压比和膨胀比，以提高先进压缩空气储能系统的效率。

1 系统建模

图1为先进压缩空气储能系统示意图。系统包含压缩机组、膨胀机组、换热器、储气室、储热罐和储冷罐等。储能阶段，电网中剩余的电能或新能源电能带动压缩机组工作，通过多级压缩的方式，将空气压缩至高温高压状态，同时利用换热工质回收并储存压缩热，空气保持低温高压状态进入储气室储存，换热工质进入高温储热罐，实现电能的储存；释能阶段，高压空气通过第一级换热器加热，再进入第一级膨胀机做功，通过逐级膨胀、逐级加热的方式实现膨胀做功，带动发电机发电，完成电能的释放[7]。

图1 先进压缩空气储能系统示意图

1.1 数学模型

在模拟过程中，将空气看作理想气体，压缩机组内进、出口空气温差和压缩机组消耗功率分别为：

(1)

Wc=cp,aqm,a(Tout,c-Tin,c)

(2)

式中：Tout,c为压缩机组排气温度；Tin,c为压缩机组进气温度；πc为压比；n为绝热指数；Wc为压缩机组消耗功率；cp,a为空气比热容；qm,a为空气质量流量。

膨胀机组进气温度Tin,t与排气温度Tout,t之间的关系为：

(3)

式中：πt为膨胀比。

膨胀机组输出功率Wt为：

Wt=cp,aqm,a(Tin,t-Tout,t)

(4)

换热器中能量守恒方程为：

hA(Ti,a-To,a)

(5)

式中：qm,D为换热器中工质质量流量；cp,D为换热器中工质的比热容；Ti,D为换热器中进口工质温度；To,D为换热器中出口工质温度；t为时间；h为对流传热系数；A为换热面积；To,a为换热器中排气温度；Ti,a为换热器中进气温度。

储气室中空气质量守恒，则有

(6)

式中：ρout为储气室排气密度；ρin为储气室进气密度；qm,in为储气室进气质量流量；qm,out为储气室排气质量流量；V为空气体积。

1.2 仿真模型

如图2所示，基于Aspen Plus Dynamics建立了四级先进压缩空气储能系统仿真模型。该系统由四级压缩机组和四级膨胀机组构成，采用多级压缩和多级膨胀的工作模式，利用级间换热器回收利用压缩热，实现电能的储存和释放，不会产生环境污染。通过改变机组运行功率，调节压缩机组进气质量流量来保证储能和释能过程中设备进气温度和排气温度处于设定值。基于所建四级先进压缩空气储能系统模型，设置系统中各部件的参数，进行相关热力计算，并对系统进行模拟仿真。在此过程中，将各级压缩机的压比控制在2～5，第一级压缩机进气温度较低，其他各级压缩机进气温度设置为33 ℃。物性方法均采用PENG-ROB方法，换热工质为导热油DOWA[13-14]。

图2 四级先进压缩空气储能系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the four-stage advanced compressed air energy storage system

在换热过程中，将换热工质按比例分配给各级换热器，实现压缩热的回收和利用，且压缩热通过换热器时无压降。模拟过程中，空气的压缩和膨胀过程均为绝热过程，具体参数见表1。

表1 四级先进压缩空气储能系统参数设置

2 结果分析

2.1 不同压比和膨胀比的影响

表2给出了四级先进压缩空气储能系统的压比和膨胀比的取值。在不同压比下各级压缩机消耗功率如图3所示。由图3可以看出，在变压比工况下，第二级～第四级压缩机消耗功率均低于相同条件下的定压比工况，主要原因是在变压比下第一级压缩机消耗功率占压缩机组总消耗功率的39%，由于后三级压比低，导致在变压比工况下第二级～第四级压缩机消耗功率均低于定压比工况，同时压缩机组总消耗功率低于定压比工况。

表2 四级先进压缩空气储能系统压比和膨胀比取值

图3 不同压比下各级压缩机消耗功率

在不同膨胀比下各级膨胀机输出功率见图4。从图4可以看出，相比于定膨胀比工况，在变膨胀比工况下各级膨胀机输出功率较低，但系统效率更高。根据计算结果得知，定压比、定膨胀比条件下系统效率为49.70%，变压比、变膨胀比条件下系统效率为53.98%，系统效率提高了4.28%，说明压比和膨胀比对系统效率的影响较明显。

图4 不同膨胀比下各级膨胀机输出功率

2.2 压缩机组进气温度对先进压缩空气储能系统的影响

以环境温度为边界条件，研究在不同进气温度下各级压缩机消耗功率、各级膨胀机输出功率和系统效率的变化。图5给出了各级压缩机消耗功率的变化曲线。由图5可知，当进气温度不断升高时，仅第一级压缩机消耗功率发生变化，且消耗功率不断减小。由于其他各级压缩机的进气温度均为设定值，因此第二级～第四级压缩机消耗功率保持不变。

图5 不同进气温度下各级压缩机消耗功率的变化

图6给出了各级膨胀机输出功率的变化。由于各级膨胀机进气温度变化较小，且各级膨胀机输出功率受进气温度的影响较小，因此各级膨胀机输出功率基本保持稳定。图7给出了系统效率随进气温度的变化情况。从图7可以看出，随着进气温度的升高，系统效率从55.2%提高到58.1%。其主要原因是随着进气温度的升高，第一级压缩机消耗功率线性减小，在第二级～第四级压缩机消耗功率以及各级膨胀机输出功率保持稳定的情况下，系统效率逐渐提高。这说明该先进压缩空气储能系统对进气温度比较敏感，进气温度与系统效率呈正相关。

图6 不同进气温度下各级膨胀机输出功率的变化

图7 进气温度对系统效率的影响Fig.7 Influence of inlet air temperature on system efficiency

图8给出了进气温度对第一级压缩机消耗功率的影响情况。从图8可以看出，随着进气温度的升高，第一级压缩机消耗功率逐渐降低，当进气温度从25 ℃升高至35 ℃时，第一级压缩机消耗功率从10 354.50 kW减小至9 837.48 kW，系统效率仅提高1.21%，提高进气温度还需要消耗额外的能量，因此该方式对系统效率的提升效果并不明显。但如果能避免单纯消耗能量来提高进气温度，利用可再生能源为先进压缩空气储能系统提供加热空气的能量，可在一定程度上提高系统效率。

图8 进气温度对第一级压缩机消耗功率的影响

2.3 等流量比下系统参数的变化

在换热一定的条件下保证系统正常稳定运行，确定流量比为0.387 5，取进气质量流量分别为167 400 kg/h、166 625 kg/h、165 850 kg/h、165 075 kg/h和164 300 kg/h，对应工质质量流量分别为432 000 kg/h、430 000 kg/h、428 000 kg/h、426 000 kg/h和424 000 kg/h，各级压缩机消耗功率变化情况见图9，各级膨胀机输出功率变化情况见图10。从图9可以看出，在等流量比下第一级压缩机消耗功率不断增大，第三级和第四级压缩机消耗功率有所减小，而第二级压缩机消耗功率基本保持稳定。根据计算结果，在稳定状态下压缩机组总消耗功率最大值与最小值相差660.93 kW。从图10可以看出，膨胀机组输出功率不断增大，稳定状态下最大值与最小值相差530.97 kW，对应的系统效率变化幅度很小。

图9 等流量比下各级压缩机消耗功率的变化

由图11可知，在等流量比下系统效率变化很小。因此，在研究流量比对系统效率的影响时，可保持工质质量流量一定，仅探讨进气质量流量对系统效率的影响。

图11 等流量比下系统效率的变化Fig.11 Variation of system efficiency at constant flow ratio

2.4 进气质量流量对系统的影响

保持工质质量流量一定，在满足系统正常运行的前提下，设定进气质量流量为166 400～168 400 kg/h。图12给出了进气质量流量对各级压比的影响。从图12可以看出，在储能阶段，随着进气质量流量的增大，第一级和第二级压比明显减小，第三级和第四级压比基本不变。

图12 进气质量流量对各级压比的影响Fig.12 Influence of mass flow of inlet air on eachcompression ratio

图13给出了不同进气质量流量下各级压缩机消耗功率的变化规律。从图13可以看出，在储能阶段，第一级和第二级压缩机消耗功率不断降低，第三级压缩机消耗功率先升高后降低，第四级压缩机消耗功率一直升高。这是因为进气质量流量和压比均会影响各级压缩机的消耗功率。由能量平衡方程可知，第一级和第二级压缩机进气温度保持一定，当进气质量流量增加时，排气温度上升，为了实现控温的目的，第一级和第二级压缩机的压比不断减小，压比对各级压缩机消耗功率的影响更大，因此压缩机的消耗功率会降低。第三级压缩机的压比先增大后减小，但变化程度较小，因此第三级压缩机消耗功率也出现先升高后降低的情况；第四级压缩机的压比变化幅度很小，因此进气质量流量的影响相对更大，所以第四级压缩机消耗功率呈现不断升高的趋势。

图13 不同进气质量流量下各级压缩机消耗功率的变化

图14为各级膨胀机输出功率的变化。为了使各级膨胀机排气温度保持定值，当进气质量流量增加时，各级膨胀机输出功率逐渐减小。其主要原因是各级膨胀比均减小，其中第三级和第四级膨胀比降幅更大(见图15)，对膨胀机输出功率影响明显。虽然进气质量流量逐渐增加，但各级膨胀比均减小，且膨胀比对膨胀机组输出功率的影响更大，导致各级膨胀机输出功率减小。

图14 不同进气质量流量下各级膨胀机输出功率的变化

图15 进气质量流量对膨胀比的影响Fig.15 Influence of mass flow of inlet air on expansion ratio

图16给出了进气质量流量对系统效率的影响。从图16可以看出，当保持工质质量流量一定时，在满足换热条件范围内，增大进气质量流量会降低系统效率。当进气质量流量为166 400 kg/h时，系统效率最高可达57.18%，相比进气质量流量为168 400 kg/h时系统效率提高4.73%，说明进气质量流量对系统效率的影响较为显著。因此，为了保证先进压缩空气储能系统处于高效率运行状态，应当在满足系统正常运行情况下尽可能减小进气质量流量。