采用不同工質的壓縮氣體儲能系統熱力性能對比分析

李陽海， 梅 欣， 徐萬兵， 王淵靜， 楊 濤， 張燕平

(1．國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430077；2．華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074)

壓縮氣體儲能(CGES)技術由于具有大規模儲能的能力，并可以以相對較低的成本無縫連接到現有的燃氣發電系統[1-3]而受到越來越多的關注。對于壓縮氣體儲能技術所使用的介質，除空氣外，許多研究人員也使用CO2作為介質開展研究。2種介質的性質對比見表 1[4]所示。在相同狀態下,CO2密度更大,具有更高的儲能潛力,更容易達到臨界狀態。

表1 空氣和CO2性質對比

對于采用空氣和CO2的CGES系統的相關研究，大多集中于對其系統內所使用的參數范圍[5]、換熱介質[6]和系統結構[7]等進行變化，而在CGES系統中直接對比2種介質的性質研究較少，且大多僅對系統循環效率進行對比[8]。

基于文獻[7]中的典型高、中、低溫CGES系統，筆者針對空氣和CO2介質開展更為全面的系統性能計算和指標分析。

1 系統描述

文獻[7]所使用的系統為絕熱壓縮氣體儲能(A-CGES)系統，由于該系統在儲能過程中將壓縮熱進行存儲，在釋能過程中將該熱量用于加熱進入膨脹機的氣體，使得系統循環效率高于72%。根據儲熱溫度，將A-CGES系統分為高溫系統(TS>400 ℃，TS為儲熱介質最高溫度)、中溫系統(200 ℃≤TS≤400 ℃)和低溫系統(TS<200 ℃)[9-10]。各個系統結構如圖1～圖3所示，其中C1～C5為1號～5號壓縮機，T1～T5為1號～5號膨脹機，M為電動機，G為發電機。輸入的邊界條件如表2[7]所示。

圖1 高溫絕熱壓縮氣體儲能系統

圖2 中溫絕熱壓縮氣體儲能系統

圖3 低溫絕熱壓縮氣體儲能系統

高溫CGES系統如圖1所示。在表2所示的輸入邊界條件下，當壓縮機出口壓力相同時，使用空氣介質的末級壓縮機出口溫度更高，可達590 ℃，其原因在于空氣具有較高的比熱容，在壓縮空氣儲能(CAES)系統中使用熔融鹽和導熱油作為換熱工質，對空氣介質進行2次冷卻，使其達到所設定的高壓儲氣室溫度(如圖中實線所示)。而在壓縮CO2儲能(CCES)系統中，使用CO2介質的末級壓縮機出口溫度較低，僅為375 ℃，因此只需使用導熱油作為換熱工質進行一次冷卻(如圖中虛線所示)。

表2 系統輸入的邊界條件

中溫CGES系統如圖2所示，使用空氣和CO2介質的壓縮機出口溫度均低于390 ℃，因此采用導熱油將第二級和第三級壓縮機出口工質降溫至60 ℃后，排入高壓儲氣室內。

低溫CGES系統如圖3所示。該系統使用多級換熱結構，用于收集儲能過程的各級壓縮熱，在釋能過程將工質加熱至設定溫度。

2 性能評價指標計算模型

2.1 系統循環效率

系統循環效率ηRTE定義為輸出電能與輸入電能之比，可由下式[5]計算：

(1)

式中：Wout為系統輸出電功率，kW；ter為釋能時長，h；WC為壓縮機的輸入功，kW；tes為儲能時長，h；Win為外部輸入功，kW。

本文所使用的系統無外部輸入功，因此式(1)可簡化為：

(2)

2.2 儲能密度

儲能密度ρen定義為儲能系統單位體積內可以利用的能量存儲[5]：

(3)

式中：Vs為儲氣室體積，m3。

2.3 系統分析

對于所使用的空氣和CO2介質而言，由于其運行溫度有一定的差別，因此引入系統效率計算方法，進行更為客觀的對比和分析。

2.3.1平衡方程

E=EPH+ECH+EKIN+EPOT

(4)

式中：E為系統總值，J；EPH、ECH、EKIN和EPOT分別為物理、化學、動力學和潛在，J。

E=EPH=qme=qm[h-h0-T0(s-s0)]

(5)

式中：qm為工質質量流量，kg/s；e為工質，J/kg；h和h0分別為工質進、出口焓，J/kg；T0為工質入口溫度，K；s和s0分別為工質進、出口熵，J/(K·kg)。

對于熱力系統內任一部件k，其損失為:

ED,k=EF,k-EP,k

(6)

式中：ED,k為系統中部件k的損失，kW；EF,k為輸入部件k的量，kW；EP,k為部件k產生的，kW。

2.3.2 系統各部分損失

ED,C=WC-qm,s,C(ein,C-eout,C)

(7)

式中：qm,s,C為進入壓縮機的工質質量流量，kg/s；ein,C和eout,C分別為進入和離開壓縮機的工質，kJ/kg。

ED,T=qm,s,T(ein,T-eout,T)-WT

(8)

式中：qm,s,T為進入膨脹機的工質質量流量，kg/s；ein,T和eout,T分別為進入和離開膨脹機的工質，kJ/kg；WT為膨脹機輸出功，kW。

ED,HEX=qm,s,G(ein,G-eout,G)-qm,s,w(ein,w-eout,w)

(9)

式中：qm,s,G為進入換熱器的做功工質質量流量，kg/s；ein,G和eout,G分別為進入和離開換熱器的做功工質，kJ/kg；qm,s,w為進入換熱器的換熱工質質量流量，kg/s；ein,w和eout,w分別為進入和離開換熱器的換熱工質，kJ/kg。

ED,tot=EF,tot-EP,tot=∑WC-∑WT

(10)

式中：ED,tot為熱力系統中所有部件的損失，kW；EF,tot為熱力系統中所有輸入部件的量，kW；EP,tot為熱力系統中所有部件產生的，kW。

2.3.3 系統效率

(11)

3 模型驗證

使用Ebsilon軟件搭建系統模型進行仿真，該軟件可廣泛地用于電站設計、評估和優化及其他熱力循環過程。

為驗證所搭建的模型的準確性，使用文獻[6]中提供的參考值進行驗證，其驗證結果如表3所示。從表3可以看出，本文的模擬結果與參考值基本一致，誤差均在5%以內。

表3 模型驗證

4 結果與分析

4.1 系統循環效率與儲能密度

對使用空氣和CO2工質的3個系統的循環效率和儲能密度進行模擬，結果如表4所示。

表4 循環效率與儲能密度計算結果

對于高溫系統而言，盡管使用空氣作為工質的系統循環效率高約1.31個百分點，但其儲能密度較CO2工質低13.09%。此外，高溫CAES系統和CCES系統中的儲熱子系統工作溫度范圍分別為50～580 ℃和50～370 ℃，其原因在于CO2具有較低的比熱容，導致相同壓縮比下CCES系統壓縮機出口的溫度較低。相比而言，使用CO2工質的高溫系統可以使儲熱子系統的控制更加容易，在壓縮機和儲熱子系統的制造和維護方面更有利。此外，在相同存儲溫度下，高溫CCES系統可以具有更高的存儲壓力，綜合來看，CO2工質更適用于高溫CGES系統。

中溫系統與高溫系統的計算結果相仿，使用空氣作為工質的系統循環效率略高，但其儲能密度較CO2工質低54.49%，其原因在于2種工質在此工況下達到了超臨界狀態，相較而言，CO2工質在超臨界狀態下的密度更大。此外，中溫CAES系統和CCES系統中的儲熱子系統工作溫度范圍分別為50～380 ℃和50～270 ℃，使用CO2工質的換熱端差更小。

低溫系統中，使用CO2工質的系統循環效率和儲能密度更高。其中，低溫CAES系統和CCES系統中的儲熱子系統工作溫度范圍分別為30～130 ℃和30～120 ℃。

綜合循環效率和儲能密度來看，CO2工質更適用于CGES系統中，由于其儲能密度較大，壓縮機出口工質溫度較低，可以使其所使用的儲熱子系統更容易設計和操作。

4.2 系統分析

表5 分析計算結果

Tab.5 Calculation results of exergy analyses

表5 分析計算結果

項目輸入/(kW·kg-1)輸出/(kW·kg-1)效率/%高溫系統空氣974.01515.2452.90CO2500.78242.8848.50中溫系統空氣1 055.62570.6954.06CO2647.57323.0449.89低溫系統空氣776.02438.8556.55CO2482.83251.3552.06

圖4 各系統部件損失和損率的對比

5 結 論

(1) 高溫系統和中溫系統中，使用空氣工質的系統循環效率更高，低溫系統反之。

(2) 由于CO2工質在超臨界狀態下的密度更大，使用該種工質的系統儲能密度更高。