一種新型的跨臨界CO2儲能系統

吳毅,胡東帥,王明坤,戴義平

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

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一種新型的跨臨界CO2儲能系統

吳毅,胡東帥,王明坤,戴義平

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

為了解決我國風電并網時電力不穩定等問題,實現規模儲能,針對目前壓縮空氣儲能(CAES)系統存在的問題,提出了一種新型的跨臨界CO2儲能系統概念。系統儲能介質CO2以液態形式進行儲存,以熱能和冷能為能量存儲主要形式,實現風電的儲能和釋能過程。對該系統進行了熱力學分析和多目標優化,結果表明:在合適的儲能壓力下,系統儲能效率和儲能密度均隨著釋能壓力的增大先增大后減小,分別存在最佳釋能壓力;隨著儲能壓力升高,系統儲能效率不斷降低,儲能密度卻不斷增加;減小蓄冷器和中間換熱器換熱溫差是提高系統儲能效率的關鍵;通過對儲能系統進行多目標優化,最優解對應的系統儲能效率為50.4%,儲能密度為21.7 kW·h/m3?？缗R界CO2儲能系統具有儲能密度較高、綠色高效、不受地理條件限制等優點,在風電的規模存儲中具備很好的應用前景。

風電;儲能;壓縮空氣;跨臨界CO2;液化CO2

能源安全和環境問題將是我國能源領域長期面臨的雙重挑戰,大力發展可再生能源己成為必須采取的途徑之一[1]。近年來,風力發電己成為發展最快,最具規?；_發條件的可再生能源發電技術。然而,風電因其間歇性、波動性及非周期性等特點,嚴重影響電網的運行穩定性與電能質量,限制其大規模利用[2]。解決這一問題的有效方法之一是采用電力儲能系統,利用儲能技術,存儲風電系統產生的富余電量,補充無風或小風力情況下的電力需求,避免風電并網時電力不穩定等一系列問題的發生[3]。

目前,世界上能夠成熟應用的大規模儲能技術只有抽水蓄能(PHS)和壓縮空氣儲能(CAES)兩種方式,但PHS受到地理位置的限制,需要特定的地質條件、長期有足夠水源、水量蒸發量不能太大,而傳統CAES依賴燃氣輪機技術、化石燃料的補充燃燒以及大規模適合壓縮空氣儲存的天然洞穴,同時也存在污染環境的排放問題[4]。近年來,陳海生等提出了超臨界壓縮空氣儲能系統概念,該系統無需燃燒室、空氣以液態形式儲存,兼具先進絕熱壓縮空氣儲能系統(AA-CAES)和液化空氣儲能系統(LAES)的特點[5]。相比AA-CAES系統,超臨界壓縮空氣儲能系統以低溫常壓(-194 ℃,0.1 MPa)的超臨界態空氣和中品位熱能(約200 ℃)實現能量存儲,利用超臨界空氣密度較大的特性(-194 ℃,0.1 MPa時空氣的密度為878.32 kg/m3)有效減少了空氣的存儲體積,可以采用壓力容器進行存儲,同時儲能密度約為定壓運行的AA-CAES系統的11倍。但是,由于受到空氣本身的物性和臨界點(-140 ℃,3.77 MPa)溫度較低的限制,利用空氣的超臨界特性在實現壓縮空氣儲能的低溫存儲、冷熱交換、組分分離等方面仍存在著較大缺陷[6]。

相比超臨界空氣,超臨界CO2是一種具有較大開發潛力的儲能介質。從物性上看,CO2有下列主要的優點[7]:①環境性能良好;②熱力性質極佳,氣流密度高,導熱性好,液體黏度低;③CO2的臨界參數低(31.41 ℃,7.38 MPa),一方面可以在相對較高的溫度下進行存儲,另一方面很容易實現超臨界狀態,使熱源的放熱溫度曲線和CO2吸熱溫度曲線達到很好的匹配,提高了熱力循環的平均吸熱溫度,具有較高的能源轉換效率。CO2因為其良好的物性而受到國內外學者的廣泛關注,已有不少學者對其取代傳統工質應用于制冷循環、朗肯循環、布雷頓循環等[8-10]開展了相應的研究工作。

針對上述問題,本文提出了一種新型的跨臨界CO2儲能系統,具有不需要燃料供應、不受地理位置限制和對環境友好等優點。系統儲能介質CO2以液態形式進行儲存,并以熱能和冷能為能量存儲主要形式,實現風電的儲能和釋能過程。文中開展了該系統的概念設計和循環的熱力學分析,評價了系統的整體特性。

1 系統描述

1.1 循環流程

圖1給出了跨臨界CO2儲能系統的流程圖,主要部件包括壓縮機、蓄熱設備、蓄冷器、節流閥、液態CO2存儲罐、低溫泵、制冷器、透平、膨脹機等。

儲能過程:液態CO2存儲罐中的CO2經節流閥降壓液化(1—2),經過蓄冷器吸熱升溫至略高于常溫(2—3),經壓縮機壓縮(4—5,6—7),壓縮熱通過間冷器被來自冷罐的水吸收,吸收壓縮熱后的熱水儲存在熱罐中(5—6,7—8),被冷卻的高壓CO2進入膨脹機膨脹降壓(8—9),液態CO2儲存在液態CO2存儲罐中(11),未被液化的氣態CO2在制冷器中被加熱至略高于環境溫度(10—4),并產生制冷量,這部分CO2氣體與蓄冷器出口的氣態CO2混合,一起送入壓縮機。

1～15:位置點圖1 跨臨界CO2儲能系統流程圖

釋能過程:液態CO2存儲罐中的CO2經低溫泵升壓(11—12),儲存在熱罐中的高溫儲熱介質進入透平再熱器加熱高壓CO2(12—13,14—15),加熱后的高壓CO2進入透平膨脹做功。透平排氣經散熱器冷卻至環境溫度(16—17),進入蓄冷器冷卻至液態,存儲于液態CO2存儲罐中(17—11)。

文中壓縮機和透平的級數均為2,進行等壓比和等膨脹比運行。同時,在壓縮機和透平部分采用循環水顯熱蓄熱方式是因為:①水具有較高的比熱容,并且成本很低;②換熱器可實現小溫差換熱,且能使壓損較小,因此這種蓄熱方式蓄熱效率較高;③采用中間換熱器(間冷器和再熱器)避免了由于單級壓比過高和單級膨脹比過高造成的效率較低的問題;④儲能系統功率不太大、壓縮機出口溫度不太高。蓄冷器采用填充床蓄熱器,因為跨臨界CO2儲能系統冷卻CO2所需溫度范圍是304～216.7 K,符合填充床蓄熱器的溫度變化范圍[4]。

運行過程中,液態CO2存儲罐采用定壓存儲方式,實現過程如下。進液:先開啟放空閥,然后從進液閥進液,向容器內充液,充液完畢后,關閉進液閥;輸液:通過市場上液態CO2存儲罐的自增壓系統實現,如圖2所示。其原理是通過空溫汽化器使液體CO2氣化(體積約增加至原來的60倍),氣化后的氣體返回儲罐后使儲罐壓力升高[11],可關閉放空閥,打開增壓閥,通過緩慢增壓,適當打開排液閥,實現連續輸液。

圖2 液態CO2存儲罐的自增壓系統

整個儲能系統以24 h為周期,在電量過剩時進行儲能過程,在用電量高峰期進行釋能過程,其余時間熱能和冷能分別儲存在熱罐和蓄冷器中。

本文設定儲能過程2級壓氣機間冷器出口高壓氣體的壓力(即儲能過程最高壓力)為儲能壓力,低溫泵出口工質壓力(即釋能過程最高壓力)為釋能壓力。

1.2 數學模型

為了簡化系統的數學模型,本文假設:

(1)系統處于穩定流動狀態;

(2)系統中的設備與環境不進行換熱;

(3)連接管道的壓力損失可忽略不計;

(4)不考慮循環水側的耗功;

(5)液態CO2存儲罐的自增壓系統中CO2的損失量忽略不計。

基于以上假設,根據質量和能量守恒定律,可以對各設備建立數學模型。

系統儲能效率定義為

(1)

式中:Wout為系統輸出的功;Win為輸入系統的功。

儲能密度定義為

(2)

液態CO2存儲罐的體積定義為

(3)

式中:mdis為釋能過程工質的質量流量;tdis為放電時間。

2 計算與分析

系統工質熱物理性質按照NIST數據庫提供的REFPROP軟件進行[12]計算。在Matlab平臺上搭建系統的仿真程序。表1列出了跨臨界CO2儲能系統在環境溫度為25 ℃、環境壓力為0.1 MPa下的典型工況的計算條件。該儲能系統要求達到釋能時間為1 h,輸出功率為5 MW。

表1 跨臨界CO2儲能系統典型工況的計算條件

2.1 系統熱力性能分析

圖3給出了釋能壓力對系統儲能效率的影響。從圖中可看出,當儲能壓力為8 MPa時,系統儲能效率隨著釋能壓力的增大先增大后減小,最佳釋能壓力為18 MPa。這是因為釋能過程類似熱泵循環,當釋能壓力升高,釋能過程中單位工質做功能力先增大后減小,在系統總輸出功不變的情況下,釋能過程中的工質總質量先減小后增大,從而引起儲能過程總工質質量也先減小后增大,即儲能過程中系統總輸入功先減小后增大,由于系統釋能過程總輸出功不變,引起系統儲能效率先增大后減小。另外,從圖中還可以看出,隨著儲能壓力的增大,系統最佳釋能壓力不斷升高,當儲能壓力為14 MPa時,在釋能壓力為10～20 MPa內,系統儲能效率隨著釋能壓力的增大而增大,沒有出現最佳釋能壓力。

圖3 釋能壓力對系統儲能效率的影響

圖4給出了釋能壓力對儲能密度的影響。從圖中可看出,當儲能壓力為8 MPa時,儲能密度隨著釋能壓力的增大先增大后減小,最佳釋能壓力為18 MPa。這是因為當釋能壓力升高,釋能過程中單位工質做功能力先增大后減小,在系統總輸出功不變的情況下,釋能過程中的工質總質量先減小后增大,儲液罐壓力不變,工質密度不變,所以儲液罐的體積也是先減小后增大,儲能密度先增大后減小。另外,儲能壓力增大,最佳釋能壓力不斷升高,當儲能壓力為14 MPa時,在釋能壓力10～20 MPa內,系統儲能密度隨著釋能壓力的增大而增大,沒有出現最佳釋能壓力。

圖4 釋能壓力對儲能密度的影響

圖5給出了儲能壓力對系統儲能效率的影響。從圖中可看出,隨著儲能壓力升高,系統儲能效率不斷降低,且降低程度變緩。這是因為儲能壓力升高引起儲能過程單位工質壓縮機壓縮功增加,但是因為壓氣機出口溫度升高,引起熱罐中循環水的儲熱溫度升高,釋能過程單位工質做功能力增強,從而引起釋能過程總工質質量減小,也導致儲能過程總工質質量不斷減小,在二者的共同作用下,引起儲能效率降低,且程度變緩。

圖5 儲能壓力對系統儲能效率的影響

圖6給出了儲能壓力對儲能密度的影響。從圖中可看出,隨著儲能壓力升高,儲能密度不斷增加,且增加程度變緩。這是因為儲能壓力升高引起釋能過程總工質質量減小,工質密度不變,所以儲液罐的體積不斷減小,在系統總輸出功不變的情況下,引起儲能密度不斷增大。

圖6 儲能壓力對儲能密度的影響

圖7 中間換熱器換熱溫差和蓄冷器最小溫差對儲能效率的影響

圖7給出了中間換熱器換熱溫差和蓄冷器最小溫差對儲能效率的影響。隨著中間換熱器換熱溫差和蓄冷器最小溫差的增加,系統儲能效率均基本呈線性下降。中間換熱器和蓄熱器是實現熱能和冷能收集(釋放)的核心部件,其換熱效率的高低決定了收集(釋放)熱能和冷能的品質。從圖中可看出,中間換熱器換熱溫差每增加2 ℃,系統效率減小1.2%左右,因此減小蓄冷器和中間換熱器換熱溫差是系統效率提高的關鍵點。

2.2 系統優化

本文采用遺傳算法對系統進行了多目標優化,以系統儲能效率和儲能密度作為優化的目標函數,儲能壓力和釋能壓力2個關鍵熱力學參數作為決策變量,其中儲能壓力的取值范圍是7～20 MPa,釋能壓力的取值范圍是10～20 MPa。

圖8給出了采用遺傳算法進行多目標優化的Pareto最優前沿解集。本文選擇最優前沿解集中與C點距離最近的D點作為尋找的系統的最優解。表2給出了最優解對應的儲能壓力、釋能壓力和系統性能。

圖8 多目標優化的Pareto最優前沿解集

參數 最優解儲能壓力/MPa11.7釋能壓力/MPa18.3儲能效率/%50.4儲能密度/kW·h·m-321.7

3 結 論

針對超臨界壓縮空氣儲能系統存在的問題,本文提出了一種新型的跨臨界CO2儲能系統,對該系統進行設計和循環的熱力學分析。

(1)在合適的儲能壓力下,系統儲能效率隨著釋能壓力的增大先增大后減小,存在最佳釋能壓力;系統儲能密度也隨著釋能壓力的增大先增大后減小,存在最佳釋能壓力。

(2)隨著儲能壓力升高,系統儲能效率不斷降低,儲能密度卻不斷增加,因此需要選擇合適的儲能壓力。

(3)減小蓄冷器和中間換熱器換熱溫差是提高系統儲能效率的關鍵。

(4)通過對儲能系統的多目標優化,最優的系統儲能效率為50.4%,儲能密度為21.7 kW·h/m3。

跨臨界CO2儲能系統具有儲能密度較高、綠色高效、不受地理條件限制等優點,在風電的規模存儲中具備很好的應用前景。目前,跨臨界CO2儲能系統仍處于熱力學研究基礎階段,下一步需要考慮經濟成本,發展高效的CO2專用透平機械,進一步完善和優化該系統,發掘該新型系統在風電的應用潛力。

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(編輯 荊樹蓉)

A Novel Transcritical CO2Energy Storage System

WU Yi,HU Dongshuai,WANG Mingkun,DAI Yiping

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To ensure grid frequency and power stability and realize bulk energy storage, a novel transcritical CO2energy storage system was proposed in view of the defects in the existing compressed air energy storage systems. The concept is based on taking liquid CO2as the storage media, thermal energy and cold energy as the main storage forms, so as to realize charging and discharging processes for wind power. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization were performed and results showed that both round-trip efficiency and energy density increase firstly and then decline with the increase of discharging pressure at suitable charging pressure, which means that there exists an optimal discharging pressure. As charging pressure increases, round-trip efficiency declines while energy density increases. The key approach to improve the round-trip efficiency is to decrease the heat transfer temperature differences of cool storage unit, intercooler and reheater. The optimum round-trip efficiency and energy density are 50.4% and 21.7 kW·h/m3, respectively. The transcritical CO2energy storage system has advantages such as high energy density, high-efficiency and environment friendly, no geographical restriction, showing a promising potential for storing wind power in large scale.

wind power; energy storage; compressed air; transcritical CO2; liquid CO2

10.7652/xjtuxb201603007

2015-06-18。 作者簡介:吳毅(1992—),女,碩士生;戴義平(通信作者),男,教授。

時間:2015-12-08

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151208.1640.008.html

TK02

:A

:0253-987X(2016)03-0045-05