液气蓄能与LNG 冷回收一体化初步研究

2022-07-06聂江稳

山西化工 2022年3期

聂江稳

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西太原 030000）

引言

可再生能源在全球能源消费中的份额为19%，到2050 年有可能达到100%。由于可再生能源的间歇性，需要储能来平滑间歇性并转移峰值负荷。在大规模储能技术中，液-气储能（LAES）因其储能密度大、无地理限制、响应速度快等优点而备受关注。一些研究表明[1]，将LAES 与外部冷/热源集成可显著提高LAES 效率。据研究[2]，LAES 中存在大量过量的压缩热。另一方面，LNG 释放大量冷能，这是一种能源浪费。本文通过布雷顿循环发电整合LAES 中的过剩压缩热与LNG 中的浪费冷能（LAES-LNG）。整合后具有较高的往返效率，提高了LAES 在大型储能技术中的竞争力。

1 LAES 与LNG 的集成

图1 显示了LAES-LNG 系统的示意图，该系统包括基准LAES、布雷顿循环和LNG 循环。基准LAES由一个充气循环和一个排气循环组成。

图1 LAES-LNG 系统示意图

在非高峰时间，充气循环产生液体空气[3]：非高峰电力用于将环境空气（状态2）压缩至高压（状态8），同时空气压缩过程中产生的热量储存在热油储罐中；然后，通过在空气排放循环中从液体空气中回收的冷能将高压空气冷却至低温（状态10）；最后，低温空气在低温涡轮机中膨胀，部分空气液化，储存在液体空气罐中。LNG 循环在任何时间（峰值或非峰值）工作，LNG 的冷能被回收并储存在加压丙烷储罐。在高峰时间，空气排放循环工作以发电：液态空气（状态24）被泵送至高压，然后逐渐向丙烷和甲醇释放冷能。

在高峰时间，布雷顿循环用于辅助发电的空气排放循环[4]：从LNG 中回收的多余热油和冷能分别作为布雷顿循环的热源和冷源，氮气作为布雷顿循环的工作介质。

基线LAES（LAES）的往返效率定义为空气放电循环中的输出功率与空气充电循环中的输入功率之比。计算见式（1）：

式中：tdis为排气时间；tch是充气时间。

对于LAES-LNG，其往返效率定义为充气循环和布雷顿循环中输出功率之和与充气循环中输入功率之比。计算见式（2）：

直接膨胀液化天然气循环中单位质量液化天然气发电量的计算公式为式（3）：

式中：mLNG是LNG 的质量流量。

在与布雷顿循环耦合的LNG 循环中，单位质量LNG 的发电量通过公式（4）计算[5]。

2 结果及讨论

系统性能工作参数：涡轮和压缩机的等熵效率分别为0.9 和0.89；低温泵和低温涡轮的等熵效率分别为0.7 和0.8；充气压力和排气压力均设定为12 MPa；LNG 汽轮机进口压力为12 MPa，天然气输送压力为7 MPa；布雷顿水轮机进口压力固定在12 MPa，出口压力可变。

2.1 LAES-LNG 的往返效率

图2 显示了LAES-LNG 与基线LAES 的比较。LAES-LNG 的往返效率高达0.72，比基线LAES 高出31%，在大型储能技术中具有相当的竞争力。此外，随着布雷顿汽轮机出口压力的升高，LAES-LNG 的往返效率先升高后降低，在研究条件为2 MPa 情况下，LAES-LNG 存在最佳布雷顿汽轮机出口压力。

图2 不同布雷顿汽轮机出口压力下LAES-LNG 和LAES 的比较

2.2 采用和不采用布雷顿循环的液化天然气比发电量比较

利用液化天然气发电的最简单方法是在环境热源加热后直接膨胀高压液化天然气，而无需从液化天然气中进行冷回收。LNG 的冷能用于驱动布雷顿循环，LAES 中的多余压缩热作为热源。图3 显示了液化天然气扩建和液化天然气布莱顿之间单位质量液化天然气发电量的比较。液化天然气扩建产生的功率为8.5 kJ/kg，而液化天然气布雷顿扩建产生的功率高于80 kJ/kg。因此，LAES-LNG 可以显著提高LNG 的发电量。此外，布雷顿汽轮机出口压力较低有利于LNG发电。

图3 使用和不使用布雷顿循环的液化天然气比发电量比较

2.3 LAES-LNG 当前配置中的浪费冷能

在LAES-LNG 的当前配置中，LNG 的冷能用于冷却布雷顿循环中离开布雷顿涡轮机的氮气；低温氮气随后由布雷顿压缩机压缩至高压（状态39）。为了评估状态39 下的氮气是否仍具有有价值的冷能，对其温度和冷能量进行分析，如图4 所示。随着布雷顿水轮机出口压力的增加，氮气温度显著降低至134K，冷量显著增加。因此，仍有高品位的冷能需要进一步提高系统性能。