耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)儲(chǔ)熱特性分析及優(yōu)化

張 營(yíng)，張偉江，李曉光

(1.國(guó)網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

0 引 言

化石能源的大量消耗帶來了能源短缺和環(huán)境污染等問題，為此，各個(gè)國(guó)家正努力開發(fā)可再生能源，如風(fēng)能、太陽能和潮汐能等。受氣候和天氣條件的影響[1]，可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性，并網(wǎng)后會(huì)產(chǎn)生一系列安全問題。電力儲(chǔ)能技術(shù)是解決以上問題的有效方案，其中，壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)具有規(guī)模大、效率高和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2]。其眾類型中，先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能 (advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES)技術(shù)由于不燃燒化石燃料，不排放污染物和溫室氣體，受到了廣泛關(guān)注。

首先，針對(duì)于AA-CAES系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外許多研究大多數(shù)集中在系統(tǒng)性能比較、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和部件特性對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，其中，文獻(xiàn)[3]比較了AACAES與CAES系統(tǒng)的性能差異，文獻(xiàn)[4]提出一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，文獻(xiàn)[5]研究了采用變效率壓縮機(jī)的系統(tǒng)特性，文獻(xiàn)[6]分析了3種儲(chǔ)能過程運(yùn)行策略，文獻(xiàn)[7]提出4種儲(chǔ)氣室模型。而這些研究中，儲(chǔ)熱子系統(tǒng)對(duì)膨脹機(jī)入口空氣參數(shù)的提升能力有限，致使系統(tǒng)效率相對(duì)較低。為了改善AACAES系統(tǒng)的熱力性能，一些學(xué)者引入太陽能輔熱子系統(tǒng)，開展了耦合系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[8]專門分析了耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)的運(yùn)行特性，文獻(xiàn)[9]研究了AA-CAES與風(fēng)能、太陽能構(gòu)成的一體化系統(tǒng)的可行性。基于CAES與太陽能互補(bǔ)的兩種新型三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10-11]分別實(shí)施了變工況分析和多目標(biāo)優(yōu)化。然而，這些研究并未涉及儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的影響。此外，文獻(xiàn)[12-15]雖然都研究了儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的影響，但其是基于AA-CAES系統(tǒng)，并未針對(duì)耦合系統(tǒng)展開分析。在耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱子系統(tǒng)占有重要地位，換熱器作為主要熱交換部件，對(duì)系統(tǒng)性能有重大影響。

該文基于熱力學(xué)基本理論，建立了耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)熱力學(xué)模型，分析三類換熱器對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并采用遺傳算法開展多目標(biāo)優(yōu)化，研究成果可以為耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)的運(yùn)行和優(yōu)化提供一定的借鑒。

1 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

建立耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)模型如圖1所示，主要部件包括：壓縮機(jī)、換熱器、儲(chǔ)氣室、儲(chǔ)熱罐、儲(chǔ)冷罐、膨脹機(jī)、熱罐、冷罐和槽式太陽能集熱器等。其中，儲(chǔ)氣室記為ASC，兩級(jí)壓縮機(jī)從左至右記為第一、二級(jí)(C1、C2)，兩級(jí)膨脹機(jī)從左至右也記為第一、二級(jí)(E1、E2)，六級(jí)換熱器從左至右記為第一、二、···、六級(jí) (HE1、HE2、···、HE6)。此外，將第一、二級(jí)換熱器稱為第一類換熱器，第三、四級(jí)換熱器稱為第二類換熱器，第五、六級(jí)換熱器稱為第三類換熱器。第一類、第二類和第三類換熱器效能分別記為ε1、ε2和ε3，系統(tǒng)的所有儲(chǔ)熱介質(zhì)均為導(dǎo)熱油。

圖1 耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)模型

系統(tǒng)運(yùn)行過程如下：儲(chǔ)能階段，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣，空氣在第一、二級(jí)換熱器中被導(dǎo)熱油冷卻后進(jìn)入儲(chǔ)氣室存儲(chǔ)，導(dǎo)熱油吸收的熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱罐中；釋能階段，空氣從儲(chǔ)氣室流出，先進(jìn)入第五、六級(jí)換熱器吸熱，再進(jìn)入第三、四級(jí)換熱器吸熱，之后進(jìn)入膨脹機(jī)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外發(fā)出電能。

為簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，提出以下基本假設(shè)：

1) 空氣視為理想氣體，其比熱容為定值。

2)對(duì)于所有換熱器，空氣和導(dǎo)熱油的熱容量相等，即兩者比熱容和質(zhì)量流量的乘積相等。

3) 忽略所有管道的散熱和壓力損失，也忽略儲(chǔ)熱罐和熱罐的散熱。

4) 儲(chǔ)氣室體積恒定，內(nèi)部溫度等于環(huán)境溫度。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)能階段，空氣在壓縮機(jī)中升溫升壓，視為多變過程，壓縮機(jī)出口溫度為

式中：Tc_in——壓縮機(jī)入口溫度，K；

βc——壓縮機(jī)壓比；

κ——絕熱指數(shù)；

ηc,s——壓縮機(jī)等熵效率。

空氣在第一、二級(jí)換熱器中被導(dǎo)熱油冷卻，換熱器出口空氣溫度為

式中：ε——換熱器效能；

Ts_cold——儲(chǔ)冷罐溫度，K。

空氣經(jīng)過換熱器時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，壓力損失系數(shù)的計(jì)算公式[3]為

質(zhì)量為m的空氣在壓縮機(jī)中消耗壓縮功為

其中c為空氣比熱容，J·kg-1·K-1。

釋能階段，空氣從儲(chǔ)氣室流出，先進(jìn)入太陽能輔熱子系統(tǒng)吸熱，該子系統(tǒng)中換熱器出口空氣溫度為

式中：Tasc——儲(chǔ)氣室出口空氣溫度，K；

Thot——熱罐溫度，等于太陽能集熱器溫度，K。

空氣從太陽能輔熱子系統(tǒng)吸熱后，再經(jīng)過第三、四級(jí)換熱器吸熱，該級(jí)換熱器出口空氣溫度為

其中Ts,hot為儲(chǔ)熱罐溫度，K。

空氣在膨脹機(jī)中做功時(shí)，視為多變過程，膨脹機(jī)出口溫度為

式中：βt——膨脹機(jī)膨脹比；

ηt,s——膨脹機(jī)等熵效率。

質(zhì)量為m的空氣在膨脹機(jī)中所做膨脹功為

質(zhì)量為m1的導(dǎo)熱油在集熱器中吸收的熱量?，即系統(tǒng)的太陽能輸入?為

式中：c1——導(dǎo)熱油比熱容，J·kg-1·K-1；

Tcold——冷罐溫度，K。

2.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用以下兩種指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)性能：

1) ?效率，定義為系統(tǒng)的總輸出?（膨脹功）與總輸入?（壓縮功和太陽能輸入?）之比，表示系統(tǒng)的不可逆損失大小

2) ?流密度，定義為系統(tǒng)的總輸出?（膨脹功）與儲(chǔ)氣室體積的比值，表示系統(tǒng)在單位儲(chǔ)氣室體積下的做功能力

其中V為儲(chǔ)氣室體積，m3。

3 結(jié)果分析與討論

表1給出了系統(tǒng)的基本運(yùn)行參數(shù)。

表1 系統(tǒng)的基本參數(shù)

3.1 第一類換熱器效能的影響

第一類換熱器包括第一、二級(jí)換熱器，用于冷卻壓縮機(jī)出口的空氣，其效能對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖2和圖3所示。其中，壓縮功先減小后增大，膨脹功增大，?效率先升高后降低，?流密度逐漸增加。

圖3 第一類換熱器效能對(duì)性能指標(biāo)的影響

這是因?yàn)椋谝活悡Q熱器效能增加時(shí)，第一、二級(jí)換熱器的換熱效果提高，導(dǎo)熱油的吸熱量增加，第二級(jí)壓縮機(jī)入口空氣溫度降低，其壓縮功減小。第一級(jí)壓縮機(jī)不受影響，其壓縮功不變，則總的壓縮功減小。又由于空氣經(jīng)過換熱器的壓力損失越來越大，如圖4所示。而儲(chǔ)氣室壓力不變，則壓縮機(jī)組的總壓比增大，總的壓縮功又增大。

圖4 壓力損失系數(shù)隨換熱器效能的變化

第一類換熱器效能增加使得導(dǎo)熱油在第一、二級(jí)換熱器中的吸熱量增加，相應(yīng)地，使其在第三、四級(jí)換熱器中的放熱量也增加，膨脹機(jī)入口空氣溫度提高，則膨脹功增大。

系統(tǒng)的太陽能輸入?不變，壓力損失的影響使得壓縮功先減小后又增大，則?效率先升高后降低，當(dāng)?shù)谝活悡Q熱器效能為0.92時(shí)，?效率最高為54.85%。儲(chǔ)氣室體積恒定，則?流密度逐漸增大。

3.2 第二類換熱器效能的影響

第二類換熱器包括第三、四級(jí)換熱器，其利用儲(chǔ)熱罐中的熱量加熱空氣，其效能改變時(shí)，系統(tǒng)性能的變化如圖5和圖6所示。其中，壓縮功不變，膨脹功先增大后減小，?效率和?流密度均存在最大值。

圖5 第二類換熱器效能對(duì)功量的影響

圖6 第二類換熱器效能對(duì)性能指標(biāo)的影響

這是因?yàn)椋S第二類換熱器效能的增加，儲(chǔ)能階段不受影響，所以壓縮功不變。而空氣在第三、四級(jí)換熱器中的吸熱量增加，膨脹機(jī)入口溫度提高，則膨脹功增加。又因?yàn)榭諝饨?jīng)過第三、四級(jí)換熱器的壓力損失增加，儲(chǔ)氣室壓力不變，則膨脹機(jī)組的總膨脹比減小，膨脹功又減少。

因?yàn)橄到y(tǒng)的太陽能輸入?不變，所以，?效率和?流密度均先增大后減小。當(dāng)?shù)诙悡Q熱器效能為0.83時(shí)，?效率最高為50.90%，?流密度最大為8.77×106J/m3。

3.3 第三類換熱器效能的影響

第三類換熱器包括第五、六級(jí)換熱器，將導(dǎo)熱油吸收的太陽輻射熱量傳遞給空氣，其效能對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖7和圖8所示。其中，壓縮功不變，膨脹功先增大后減小，?效率和?流密度均存在最大值。

圖7 第三類換熱器效能對(duì)功量的影響

圖8 第三類換熱器效能對(duì)性能指標(biāo)的影響

這是因?yàn)椋谌悡Q熱器效能的增加不影響儲(chǔ)能階段，所以壓縮功保持不變。但其使得空氣在第五、六級(jí)換熱器中的吸熱量增加，從而提高膨脹機(jī)入口溫度，膨脹功增加。因?yàn)榭諝饨?jīng)過第五、六級(jí)換熱器的壓力損失越來越大，同樣使得膨脹機(jī)組的總膨脹比減小，膨脹功又減少。

由于系統(tǒng)的太陽能輸入?不變，則?效率和?流密度均存在最大值。當(dāng)?shù)谌悡Q熱器效能為0.84時(shí)，?效率最高為50.98%，?流密度最大為8.78×106J/m3。

3.4 多目標(biāo)優(yōu)化

為了使系統(tǒng)獲得最佳熱力性能，采用遺傳算法，以?效率和?流密度為目標(biāo)函數(shù)，三類換熱器效能0.7～0.94為決策變量，種群規(guī)模設(shè)置為50，迭代次數(shù)設(shè)置為200。對(duì)系統(tǒng)開展多目標(biāo)優(yōu)化，計(jì)算過程如圖9所示，所得Pareto最優(yōu)解集如圖10所示。可以看出，?效率和?流密度不能同時(shí)取得最大值。所以，選取離C點(diǎn)最近的D點(diǎn)作為最優(yōu)點(diǎn)。?效率為55.729%，?流密度為9.432×106J/m3，對(duì)應(yīng)的三類換熱器效能分別為0.938、0.855和0.748。

圖9 多目標(biāo)優(yōu)化過程

圖10 Pareto最優(yōu)解集

4 結(jié)束語

儲(chǔ)熱子系統(tǒng)在耦合太陽能輔熱的AA-CAES系統(tǒng)中占有重要地位。為了評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響，本文首先通過敏感性分析掌握了三類換熱器效能對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律，然后使用遺傳算法得到了系統(tǒng)在最佳性能下的三類效能取值。研究表明：開展多目標(biāo)優(yōu)化后，最優(yōu)?效率和?流密度分別為55.729%和 9.432×106J/m3。研究結(jié)果在耦合系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。熱罐和冷罐也是儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的主要部件，其結(jié)構(gòu)和保溫特性等會(huì)影響系統(tǒng)的熱力性能，可以作為后續(xù)的重要研究?jī)?nèi)容。