不同运行方案下AA-CAES系统性能分析及优化

2022-09-21李国能沈明轩胡庆亚韩中合

动力工程学报 2022年9期

李鹏，李国能，苏航，沈明轩，胡庆亚，韩中合

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003；2.华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003)

控制化石能源总量，提高能源利用效率，实施可再生能源替代行动，构建清洁低碳安全高效的能源体系，是实现碳达峰和碳中和目标的重要举措[1]。为此，有必要大力发展新能源发电技术[2]，然而太阳能、风能等新能源的间歇性特点给电力系统带来巨大冲击，威胁电网安全，储能技术可以有效地解决此类问题[2]。目前常用的储能方式主要有抽水蓄能、蓄电池和超导磁储能以及压缩空气储能(CAES)等，其中CAES技术造价低、容量大、寿命长，具有较好的应用前景[3]。传统的CAES系统需要燃烧化石燃料，没有蓄热器，此外，膨胀做功后的高温废气直接排放，造成能源浪费和环境污染[4]。为了消除化石能源对环境的污染，无化石燃料消耗的先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)系统应运而生，其利用储存的压缩热加热储气室出口的高压空气[5]。

国内外学者针对AA-CAES系统的优化设计进行了大量的研究。王妍等[6]提出了一种与煤电机组耦合的AA-CAES系统，结果表明通过耦合先进压缩空气储能系统，可使煤电机组效率提升5%。黄恩和等[7]以降低排气损失来提高系统效率为目标，提出了一种基于储热介质和排气温度的通用压缩膨胀级数及其参数配置方案，相比于常规等压比设计方式，该方案的系统热量利用和循环效率更优，设计灵活性更强。Li等[8]为分析绝热压缩空气储能(A-CAES)系统在提供应急后备电源时的动态性能以及该系统的经济效益，建立了系统装置的动态模型和经济效益估算模型，结果表明系统作为后备电源时具有较高的经济性。Guo等[9]将含水层热能储存系统与AA-CAES相结合，实现了更高的能量储存效率。Zhao等[10-11]提出了一种结合光伏发电、风力发电和太阳能发电的混合能源供应系统，研究了其月发电量与月用电量的匹配情况，并提出了由A-CAES系统与飞轮储能系统组成的混合储能系统，更有效地缓解了风电波动的情况。Jabari等[12]研究了AA-CAES与太阳能热电联产联合系统的优化调度问题，降低了单系统的运行成本。Diyoke等[13]分析了混合A-CAES和生物质气化储能的热电联产系统的热力学性质，并确定了整个混合系统中损失最大的位置。

为实现多样化的能源供应，Facci等[14]提出了一种基于压缩空气储能系统的集电、热、冷能联供的分布式能源系统，为大规模开发间歇性的可再生能源提供了理论基础。Jiang等[15]设计了先进的冷热电三联产压缩空气储能系统，在不同季节通过调节膨胀机进口空气温度产生不同的能量，以满足用户的多样化需求。

综上所述，国内外学者对基于AA-CAES的耦合系统和关键设备进行了大量研究，但很少涉及不同输出方式和储能运行方式下系统性能的相关分析。因此，笔者提出了不同的输出方式与储能运行方式相结合的4种运行方案，从供能多样化角度出发，同时考虑系统输出的电能和冷/热量，从热力学和经济学角度对4种运行方案下的系统性能进行了比较分析，对储能功率、储气室最大压比(即压力与一个标准大气压的比值)和压缩机进口空气温度等关键参数进行了灵敏度分析，并采用多目标优化方法对系统运行参数进行了优化，获得了系统在最佳密度和最优年利率下的运行参数。

1 AA-CAES系统运行过程及运行方案

1.1 系统描述

AA-CAES系统的示意图如图1所示。

图1 AA-CAES系统示意图Fig.1 Schematic diagram of AA-CAES system

在储能阶段，电动机(M)驱动压缩机压缩空气，然后高温高压空气进入冷却换热器。同时，储热介质从冷罐流向冷却换热器，并冷却高温高压空气。冷却后的压缩空气储存在储气室中。储热介质吸收压缩空气的热量并将其收集到热罐中。

在释能阶段，高压空气从储气室流出，进入加热换热器，吸收从热罐流出的储热介质中的热量。然后被加热的高压空气进入膨胀机驱动发电机(G)发电。蓄热介质被冷却并收集到冷罐中供下一个循环使用。

1.2 系统运行方案

在储能阶段，当系统以滑压运行时，压缩机组的出口压力始终与储气室的压力相同，此时压缩机在变工况下工作时，其效率也会随之变化。当系统在恒压下运行时，压缩机的出口压力始终保持在储气室的最大设计压力，压缩机在额定条件下工作。在释能阶段，膨胀机均滑压运行，膨胀机进口压力与储气室的压力相等。

此外，对于电需求较大的用户，可在膨胀阶段吸收储存的压缩热，只输出电能。对于多元化能量需求的用户，可将热罐中的热全部供给用户，则末级膨胀机出口空气温度降低，可向用户提供冷能。

为分析储能运行方式和系统输出方式对系统性能的综合影响，提出了以下运行方案：(1) 方案1，系统采用滑压运行储能方式，调节阀置于储气室进口，仅输出电能；(2) 方案2，系统采用恒压运行的储能方式，调节阀被移除，仅输出电能；(3) 方案3，系统采用滑压运行储能方式，调节阀置于储气室进口，同时输出冷能、热能和电能；(4) 方案4，系统采用恒压运行的储能方式，将调节阀移除，同时输出冷能、热能和电能。

2 数学模型

2.1 能量分析和分析

2.1.1 储能过程

在储能阶段，压缩机的压缩过程可以看成是一个绝热、多变的过程。第i级压缩机出口空气温度Ti,c,out[16]为：

(1)

式中：Ti,c,in为第i级压缩机的进口空气温度，K；βc为压缩机的单级压比；n为空气的绝热指数。

压缩机总耗功Wc为：

(2)

式中：p0为环境压力，Pa；Vgsc为储气室容积，m3；Rg为气体常数，J/(kg·K)；T0为环境温度，K；βmin和βmax分别为储气室最小压比和最大压比；cp为空气比定压热容，J/(kg·K)；β为储气室压比。

压缩机出口空气由冷却换热器中的蓄热介质冷却，冷却换热器的出口空气温度Ti,hx,c为：

Ti,hx,c=(1-ε)Ti,c,out+εTcold

(3)

式中：Tcold为冷罐温度，K；ε为换热器效能。

在冷热电三联产的运行方案中系统热量Qh和热量Eh分别为：

(4)

T0ln(Thot/T0)]dβ

(5)

式中：cs为蓄热介质的比热容，J/(kg·K)；Thot为热罐的温度，K。

在恒壁温的储气室中，可以得到压力p和温度T与时间t的关系：

(6)

(7)

式中：Tin为储气室进口压缩空气的温度，K；qm,c为储气室进口压缩空气的质量流量，kg/s；k为对流传热系数，W/(m2·K)；Agsc为储气室表面积，m2；Tw为储气室的壁温，K；cV为空气的比定容热容，J/(kg·K)。

2.1.2 储释能间隔过程

在储能和释能的间隔阶段，恒壁温储气室中压力和温度随时间的变化可表示为：

(8)

(9)

2.1.3 释能过程

在释能阶段，储气室中压力、温度与时间之间的关系为：

(10)

(11)

式中：qm,e为储气室出口高压空气的质量流量，kg/s。

来自储气室的高压空气进入加热换热器吸热，第i级膨胀机进口空气温度Ti,e,in为：

Ti,e,in=(1-ε)Ti,hx,in+εThot

(12)

式中：Ti,hx,in为第i级加热换热器的进口空气温度，K。

加热后的高压空气最终进入膨胀机膨胀，第i级膨胀机出口空气温度Ti,e,out[16]为：

(13)

式中：βe为膨胀机的单级压比。

系统产生的总膨胀功We为：

(14)

在冷热电三联产的运行方案下，系统的冷量Qco和冷量Eco为：

(15)

T0ln(T0/T2,e,out)]dβ

(16)

2.2 经济性分析

AA-CAES系统组件的总成本Cinv为：

Cinv=Cc+Ce+Chx+Cgsc+Cpump+

Chot+Ccold

(17)

式中：Cc、Ce、Chx、Cgsc、Cpump、Chot和Ccold分别为压缩机、膨胀机、换热器、储气室、泵、热罐和冷罐的成本，元。

系统组件的投资成本见表1[17-18]。

表1 系统各组件的投资成本Tab.1 Investment cost of each component of the system

系统设备需人工进行运行维护且会产生损耗，本年度系统运行维护及折旧费用Ca,om[18]为：

Ca,om=xCinv

(18)

式中：x为系统的运行维护及折旧成本比。

全年系统耗能费用Ca,d[18]可表示为：

Ca,d=Wc×365×coff

(19)

式中：coff为非高峰电价，取0.387元/(kW·h)[18]。

本年度系统总收入Ia[18]可表示为：

Ia=(1-λ)(We×con+Qh×chw+Qco×cco)×365

(20)

式中：λ为税率，取25%；con为高峰电价，取0.862 7元/(kW·h)[18]；chw为热能价格，取0.114元/(kW·h)[18]；cco为冷能价格，取0.71元/(kW·h)[18]。

系统全年总费用Ca包括运行维护及折旧费用和耗能费用：

Ca=Ca,om+Ca,d

(21)

本年度系统总利润Pa[18]为：

Pa=Ia-Ca

(22)

3 性能评价指标

(23)

(24)

(3) 年利率ηa是指一年中总利润与总成本(即总费用)的比值，代表系统投入实际应用的潜力。

(25)

4 结果和讨论

对4种运行方案下的热力性能和经济性能进行了对比分析，并对储能功率、储气室最大压比和压缩机进口空气温度等关键参数进行了敏感性分析。此外，还对系统运行参数进行多目标优化，以获得最佳的系统性能。

4.1 系统性能对比分析

AA-CAES系统的基本运行参数见表2。

表2 系统基本运行参数Tab.2 Basic operating parameters of the system

表3给出了4种运行方案下系统的性能参数，其中tc为储能时间，te为释能时间。由表3可知，方案1和方案3的储能时间相同，方案2和方案4的储能时间相同且长于方案1和方案3。系统输出方式的改变只影响能量释放的过程，因此在相同的压缩机运行方式下，储能时间保持不变。当系统恒压运行时，压缩机处于额定工况，压缩机效率达到最大值。因此，压缩的空气质量较大，储能时间较长。膨胀机进口空气温度降低将导致单位质量空气的膨胀功减小，空气质量流量增加，从而减少释能时间。因此，方案1和方案2的释能时间比方案3和方案4长。另外，在确定系统输出方式时，储气室中储存的空气越多，释能时间越长。因此，滑压运行系统的释能时间比恒压运行系统短。

表3 4种运行方案下的系统性能参数比较Tab.3 Comparison of system performance parameters under the four schemes

4种运行方案下的储能功率和释能功率均保持在一个固定值，因此Wc和We的变化趋势与储能时间、释能时间的变化趋势一致。由于方案1和方案2仅输出电能，因此Qh、Qco、Eh和Eco收入均为0 MJ。在冷热电三联产条件下，恒压运行系统的储能时间较长，储气室中储存的空气质量较大，因此方案4的Qh和Eh收入均大于方案3。方案4末级膨胀机出口空气温度较高，单位质量空气的冷量较低，因此方案4的Qco、Eco和制冷收入均小于方案3。

4.2 储能功率对系统性能的影响

储能功率的变化将改变压缩机的输入功率，从而影响系统的性能。如图2所示，在4种运行方案下，系统的效率和年利率随着储能功率的增加而升高，而密度则随着储能功率的增加而降低。

(a) 储能功率对效率的影响

(b) 储能功率对密度的影响

随着储能功率的增加，储能阶段的空气质量流量增加，缩短了储能时间。因此，高压空气与储气室壁之间的热交换减少，使储气室中的空气温度升高并减少了存储的压缩空气的质量，从而减少了Wc、We、Eh和Eco。Vgsc保持不变，因此系统的密度随储能功率的增加而降低。然而，在释能阶段，储气室中的空气温度越高，膨胀机的进口空气温度和单位质量空气的膨胀功就越高。因此，Wc的减少率大于We的减少率。此外，在冷热电三联产的运行方案下，系统产生的Eh和Eco减幅较小。因此，4种运行方案的效率均随储能功率的增加而升高。而且Wc的大幅减少也降低了系统的耗能费用，从而使年利率随储能功率的增加而升高。

4.3 储气室最大压比对系统性能的影响

储气室是AA-CAES系统中用来储存高压空气的装置，其压力范围直接影响系统的储能过程和释能过程。储气室的最大压比对系统性能的影响如图3所示。在储气室最小压比不变的情况下，随着储气室最大压比的增大，4种运行方案的效率和年利率均降低，而密度增大。

(a) 储气室最大压比对效率的影响

(b) 储气室最大压比对密度的影响

储气室的最小压比保持不变，最大压比增大，储存在储气室中的空气质量增加，从而增加了储/释能时间。因此，Wc、We、耗能费用和高峰用电收入都会增加。但随着储气室压差的增大，压缩比和膨胀比的变化范围增大，导致膨胀机和压缩机偏离额定工况。因此，储气室最大压比增大，单位质量空气的压缩功增加、膨胀功减少。同时，储气室最大压比增大也会导致压缩机和膨胀机的出口空气温度升高，从而增加系统输出的Qh、减少Qco。由于Wc的增长率大于We、Eh的增长率，Eco减少，4种运行方案下的效率均随储气室最大压比的增大而降低。另外，系统耗能费用的增长率大于用电、制热、收入的增长率且制冷收益下降，因此4种运行方案下的年利率都有所下降。此外，随着储气室最大压比的增大，We、Eh与Eco之和不断增加，相应的系统密度也随之增大。

4.4 压缩机进口空气温度对系统性能的影响

压缩机进口空气温度的变化会影响系统的压缩过程，使压缩过程的工质状态参数发生变化，从而改变系统性能。如图4所示，随着压缩机进口空气温度的升高，4种运行方案下的效率和年利率逐渐降低，方案1和方案2的密度也逐渐降低，方案3和方案4的密度逐渐增大。

(a) 压缩机进口空气温度对效率的影响

(b) 压缩机进口空气温度对密度的影响

随着第一级压缩机进口空气温度的升高，压缩机的出口空气温度升高，单位质量空气压缩功增加。此外，压缩机出口空气温度升高提高了热罐的温度和储气室内空气温度，导致膨胀机进口空气温度升高，从而增加了单位质量空气膨胀功并减少单位质量空气冷量。此外，储气室中的空气温度升高，储存空气的质量减少。在这两方面的共同作用下，Wc和Eh增加，而We和Eco减少。压缩功的增加导致系统耗能费用增加，系统耗能费用的增长率大于供电、制热收入的增长率且制冷收益下降。因此，随着压缩机进口空气温度的升高，系统的效率和年利率都会降低。由于系统仅发电，密度仅受膨胀功的影响，方案1和方案2的密度逐渐降低。在冷热电三联产的运行方案下，Eh的增长率大于We和Eco的减少率，因此方案3和方案4的密度逐渐增大。

4.5 多目标优化

(26)

图5给出了多目标优化得到的系统在4种运行方案下的帕累托最优解，其中A点和B点分别为系统的最佳热力性能点和最佳经济性能点，帕累托最优解C点为最佳工况点。由图5可以看出，密度和年利率不能同时达到最优值，因此需要对设计方案进行折中。为了得到最优解，采用理想点法[20]进行决策。最佳工况点C点对应的系统参数如表4所示。根据优化结果，采用较高压缩机进口空气温度以及适中的储能功率和储气室最大压比时，系统性能最佳。方案1～方案4的最佳密度分别为5.92 MJ/m3、6.73 MJ/m3、9.00 MJ/m3和9.84 MJ/m3，最优年利率分别为19.19%、16.04%、25.40%和21.25%。