蓄熱對超臨界空氣儲能系統性能的影響

楊征，陳海生，王亮，盛勇，紀律

(中國科學院工程熱物理研究所，北京市 100190)

蓄熱對超臨界空氣儲能系統性能的影響

楊征，陳海生，王亮，盛勇，紀律

(中國科學院工程熱物理研究所，北京市 100190)

超臨界空氣儲能系統是一種新型的儲能系統，蓄熱技術是提高系統效率的關鍵技術之一。該文建立了超臨界空氣儲能系統在儲能過程、存儲過程和釋能過程中的熱力學模型，重點分析了蓄熱對超臨界系統性能的影響規律。分析結果表明，在儲能過程中，儲能效率隨著蓄熱水流量的上升而下降；在存儲過程中，存儲效率隨存儲時間的增加不斷降低；在釋能過程中，釋能效率隨蓄熱水流量的上升呈現先上升后逐漸下降的趨勢。系統效率隨著蓄熱水流量的增加先升高后降低，當蓄熱水無量綱流量為0.75時，系統效率最高，為68.3%。

蓄熱；超臨界空氣儲能系統；儲能效率；熱力學模型

0 引 言

隨著世界能源形勢的發展，儲能技術已經顯示出了越來越重要的價值，被稱為“電力行業的第六產業鏈”[1]。在眾多的儲能技術中，壓縮空氣儲能技術得到了迅速發展，且已在工業生產中得到應用。1978年建成的德國Huntorf電站是第1座投入商業運行的壓縮空氣儲能電站。該機組的壓縮機功率為60 MW，釋能輸出功率為290 MW，儲氣總容積達3.1×105m3，儲氣壓力最高可達10 MPa，機組可連續充氣 8 h，連續發電2 h[2]。美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站于1991年投入商業運行，該儲能電站壓縮機組功率為50 MW，發電功率為110 MW，儲氣總容積為5.6×105m3，儲氣壓力為7.5 MPa，可以實現連續41 h空氣壓縮和26 h發電[3]。超臨界空氣儲能技術是在傳統壓縮空氣儲能技術的基礎上發展起來的新型儲能技術。與傳統壓縮空氣儲能技術相比，其具有能量密度大、儲能效率高、投資占地少、儲能周期靈活、適用范圍廣、對環境友好等一系列優點，已經成為了當前最有發展前途的儲能技術[4]。

超臨界壓縮空氣儲能技術的工作原理如下[5]：在儲能過程中，空氣被空氣壓縮機壓縮到超臨界狀態，并存儲于儲罐中；在釋能過程中，超臨界空氣首先被預熱，然后通過膨脹機對外做功。在儲能過程中，壓縮機會產生大量的級間冷卻熱量，為了提高系統的能源利用效率，需要對這部分熱量進行回收和存儲，并在釋能的過程中，利用存儲的熱量加熱壓縮空氣，以提高系統對外做功能力。由此可見，蓄熱對系統的性能具有很大的影響。研究蓄熱對系統性能的影響，對系統的理論研究和實際應用具有十分重要的意義。

可見，雖然已經有研究注意到了壓縮空氣儲能系統中的蓄熱問題，但是沒有進行蓄熱對系統性能影響的深入分析，特別是對超臨界空氣儲能系統的蓄熱研究還未開展。本文將建立超臨界空氣儲能系統在儲能過程、存儲過程和釋能過程中的熱力學模型，分析蓄熱對系統性能的影響規律。

1 模型建立

超臨界空氣儲能系統的工作過程主要可以分為儲能過程、存儲過程和釋能過程，下面分別對這3個過程進行熱力學分析。

1.1 儲能過程

系統的儲能部分主要由多級空氣壓縮機、換熱器、分水器和混合器組成。在系統的儲能過程中，空氣依次通過各級壓縮機及換熱器，氣體得到壓縮并降溫，最后以高壓常溫狀態流出。系統使用水作為蓄熱工質，蓄熱水經過分水器的分配，以并聯形式通過各級換熱器，并吸收壓縮空氣的熱量，升溫后的水在混合器中匯集，并流入高溫儲罐進行存儲。為了確保蓄熱水在儲能過程中不發生相變，需要對蓄熱水進行加壓。

對系統儲能過程進行如下假設：

(1)空氣以環境狀態進入壓縮機組，蓄熱水以環境溫度進入換熱器；

(2)分水器將蓄熱水均勻分配到各支路；

(3)不考慮管道的散熱及管道材料的吸熱。

儲能過程熱力學分析方法如下。

單級壓縮機耗功Pcomp為

(1)

氣體在壓縮機出口的焓值hcomp,2為

(2)

式中hcomp,1為氣體在壓縮機進口的焓值。

壓縮空氣在單級壓縮機出口的其他熱力學參數根據出口壓力pcomp,2和焓值hcomp,2確定。

由換熱器對數平均溫差ΔTm的定義，可得水和空氣在換熱器出口的溫差ΔT″的方程式為

(3)

式中ΔT′為水和空氣在換熱器進口的溫差。通過迭代方法，可以求得ΔT″。

由能量守恒定律知，換熱器水側和空氣側換熱量相等，可得：

(4)

聯立式(3)和式(4)，可以得到水側出口溫度Twater,2、空氣側出口溫度Tair,2和換熱器的換熱量Q。

氣體出口壓力pair,2為

pair,2=pair,1-Δpair

(5)

式中:pair,1為空氣側換熱器進口壓力；Δpair為空氣在換熱器內的壓力損失。

水側壓力損失忽略不計。蓄熱水、壓縮空氣在換熱器出口的其他熱力學參數根據其在換熱器出口的溫度和壓力確定。

ΔEx,water,cha=∑(Ex,i,water,2-Ex,i,water,1)

(6)

ΔEx,air,cha=∑(Ex,i,air,2-Ex,i,air,1)

(7)

(8)

式中Pi,comp為第i級壓縮機消耗的功率。

1.2 存儲過程

系統的存儲過程主要是在高溫儲罐內完成的。在存儲過程中，蓄熱水通過儲罐壁面向外界散失熱量，自身溫度逐漸下降。

對該過程進行如下假設：

(1)儲罐內蓄熱水的溫度處處相等；

(2)環境溫度保持不變；

(3)蓄熱水與環境之間換熱系數和蓄熱水的比熱容為常量。

根據能量守恒定律和傅里葉導熱定律，可以得到存儲過程的微分方程式為

mwatercp,waterdTsto=kstoA(Tsto-T0)dt

(9)

式中：mwater為儲罐內蓄熱水質量；Tsto為儲罐內蓄熱水溫度；ksto為傳熱系數；A為儲罐表面積；t為時間；T0為環境溫度。

對上式進行求解，可以得到：

(10)

式中：T1為蓄熱水初始溫度；Δt為存儲時間。

求得蓄熱水的溫度T后，即可得到該過程相關熱力學參數。

(11)

1.3 釋能過程

系統的釋能部分主要由多級膨脹機、換熱器、分水器和混合器組成。在系統的釋能過程中，高壓空氣依次通過換熱器及各級膨脹機，氣體被加熱到超臨界狀態，并通過各級膨脹機對外做功。高溫的蓄熱水經過分水器的分配，以并聯形式通過各級換熱器，將熱量傳遞給壓縮空氣，蓄熱水在混合器中匯集，并流入低溫儲罐進行存儲。為了確保在釋能過程中蓄熱水不發生相變，需對蓄熱水進行加壓。

對系統釋能過程進行如下假設：

(1)壓縮空氣在存儲過程沒有損失，進入釋能部分的狀態為離開儲能部分的狀態；

(2)蓄熱水的流量為定值；

(3)分水器將蓄熱水均勻分配到各支路。

釋能過程熱力學分析方法如下。

單級膨脹機作功Pexp為

(12)

式中:Texp,1為氣體在膨脹機進口的溫度；τ2為單級膨脹比。

氣體在膨脹機出口的焓值hexp,2為

(13)

式中hexp,1為氣體進口焓值。

氣體在單級膨脹機出口的其他熱力學參數根據出口壓力pexp,2和焓值hexp,2確定。

釋能過程中換熱器的熱力計算方法與儲能過程中完全一樣，此處不再贅述。

ΔEx,water,dis=∑(Ex,i,water,1-Ex,i,water,2)

(14)

ΔEx,air,dis=∑(Ex,i,air,1-Ex,i,air,2)

(15)

(16)

式中Pi,exp為第i級膨脹機對外輸出功率。

1.4 整體性能

系統的整體性能用系統效率ηsys來表示。ηsys定義為釋能過程中系統輸出功與儲能過程中系統輸入功的比值：

ηsys=∑Pi,exp/∑Pi,comp

(17)

2 性能分析

2.1 儲能過程

儲能過程主要設計參數：

(1)壓縮機為活塞式，4級，單級壓縮比為3，等熵效率為88%，機械效率為95%[13]；

(2)換熱器對數換熱溫差為3 K，氣體流經換熱器的過程中，壓降為17 kPa[14]；

(3)環境溫度為25 ℃，環境壓力為101.325 kPa。

圖1 儲能效率隨蓄熱水流量的變化Fig.1 Charge energy efficiency change with thermal storage water flow

2.2 存儲過程

圖2 存儲效率隨存儲時間的變化Fig.2 Storage efficiency change with storage time

2.3 釋能過程

釋能過程主要設計參數：

(1)膨脹機為軸流式，4級，單級膨脹比為2.8，等熵效率為88%，機械效率為95%[15]；

(2)換熱器為逆流形式，對數平均溫差為3 K，氣體流經換熱器的壓降為17 kPa[14]。

圖3 釋能效率隨蓄熱水流量的變化Fig.3 Discharge efficiency change with thermal storage water flow

隨蓄熱水流量的增加而增加；系統對外作功量隨蓄熱水流量的增加而略有增長，但增加幅度很小；因而釋能效率隨無量綱流量的增長而逐漸下降。

2.4 整體性能

圖4給出了系統效率隨蓄熱水流量的變化關系。從圖中可以發現，隨著蓄熱水流量的增加，系統效率先升高后降低。當無量綱流量為0.75時，系統效率最高，為68.3%。當蓄熱水流量較低時(無量綱流量小于0.75)，系統在儲能過程中耗能較多，這是由于蓄熱水流量不能充分冷卻級間壓縮空氣造成的，而在釋能過程中向外界輸出的功基本不變，因此系統效率隨蓄熱水流量的下降而下降。而當蓄熱水流量較高時(無量綱流量大于0.75)，系統在儲能過程中消耗的能量基本不隨蓄熱水流量發生變化，而在釋能過程中輸出的能量隨蓄熱水流量的上升而下降，因而系統效率隨蓄熱水流量的上升而下降。

圖4 系統效率隨蓄熱水流量的變化Fig.4 System efficiency change with thermal storage water flow

3 結 論

本文研究了蓄熱對超臨界空氣儲能系統性能的影響，建立了超臨界空氣儲能系統在儲能過程、存儲過程和釋能過程中的熱力學模型，分析了蓄熱對系統性能的影響。

在儲能過程中，隨著蓄熱水流量的增大，儲能效率不斷下降。在存儲過程中，存儲效率隨存儲時間的增加而降低，但是下降速度十分緩慢。在釋能過程中，隨著蓄熱水流量的增大，釋能效率先上升后逐漸下降。系統效率隨著蓄熱水流量的增加先升高后降低。當無量綱流量為0.75時，系統效率最高，為68.3%。

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(編輯 張小飛)

Influence of Thermal Energy Storage on Performance of Supercritical Air Energy Storage System

YANG Zheng, CHEN Haisheng, WANG Liang, SHENG Yong, JI Lv

(Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)

Supercritical air energy storage system is a kind of new energy storage systems. Thermal energy storage is the key technology to improve the system efficiency. This paper establishes the thermodynamic model of supercritical air energy storage system in charge process, storage process and discharge process, and mainlyanalyzes the influence of thermal energy storage on the system performance. The analysis results show that, the charge efficiency decreases significantly with the increase of storage water flow in charge process; the storage efficiency decreases with the growth of the storage time in storage process; and the discharge efficiency firstincreasesand then decreases with the increase of the storage water flow.The system efficiencyin the global process first increases and then decreases with the increases of storage water flow, with the highest estimated value of 68.3% at the dimensionless storage water flow of 0.75.

thermal energy storage; supercritical air energy storage system; storage efficiency; thermodynamic model

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃) (2015CB251302)；國家自然科學基金優秀青年基金項目(51522605)

TM 919

A

1000-7229(2016)08-0033-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.005

2016-04-25

楊征(1982)，男，工學博士，助理研究員，主要從事壓縮空氣儲能和亞臨界水蓄熱方面的研究工作；

陳海生(1977)，男，工學博士，研究員，博導，主要從事壓縮空氣儲能方面的研究工作；

王亮(1980)，男，工學博士，副研究員，主要從事蓄冷蓄熱和壓縮空氣儲能方面的研究工作；

盛勇(1984)，男，工學碩士，助理研究員，主要從事壓縮空氣儲能方面的工作；

紀律(1986)，男，工學碩士，助理研究員，主要從事壓縮空氣儲能方面的工作。

Project supported by the National Basic Research Program of China (973 Program) (2015CB251302)；Science Fund for Excellent Youth Scholars of the National Natural Science Foundation of China(51522605)