AA-CAES系統建模與儲能階段的熱力特性

賈 祥，崔 凝

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

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AA-CAES系統建模與儲能階段的熱力特性

賈 祥，崔 凝

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

為了研究AA-CAES系統的熱力特性，在500 kW-TICC系統的基礎上設計了20 MW先進絕熱壓縮空氣儲能系統的熱力模型，采用集中參數法建立了系統的動態數學模型，再以理論建模和數字仿真的方法研究了先進絕熱壓縮空氣儲能系統儲能階段動態特性。分析了壓氣機環節、換熱器環節、儲氣罐環節和儲熱罐環節的動態特性，以及壓氣機進口流量變化導致系統各個設備參數變化的特性。仿真結果表明，第一級壓氣機比較穩定，二三級壓氣機波動較大，進氣流量對各級換熱器的出口冷工質和壓氣機的耗功影響較大，儲氣室內氣體的溫度變化比較平緩。

壓縮空氣儲能系統；數學模型；仿真；動態特性

0 引言

電力儲能系統是大規模利用可再生能源迫切需要，可以很好的改善甚至是彌補可再生能源的不穩定和間歇性，是智能電網和分布式能源系統的關鍵技術[1-3]。目前已在商業系統中大規模(如100 MW以上)運行的儲能系統只有抽水電站和壓縮空氣兩種[2-4]。壓縮空氣儲能系統可適用于大型系統、并且工作時間長、儲能周期不受限制、系統成本低、壽命長、安全性和可靠性高等優點。

德國1978年建成了世界上第一個商業性的CAES電廠——Huntorf電站，電站能量轉化效率43%[5]。美國在Alabama州1991年建成了世界上第二個商業性的CAES電廠—McIntosh電站，此電站是在德國Huntorf電站基礎上增加了回熱器用來回收余熱，使系統的熱效率提高了25%[6]。美國Ohio州從2001年起開始建一座 2700 MW 的大型 CAES 商業電站，該電站由9臺300 MW機組組成[7]。日本國內的新能源基金會和電力開發公司等單位從90年代開始，研究建造一座35 MW驗電站，試驗裝置規模是未來商業化設備的1/10[8]。

另外國家電網公司牽頭設立重大科技專項，由清華大學牽頭，中國科學院理化技術研究、中國電力科學研究院所合作開展大規模壓縮空氣儲能發電系統關鍵技術研究，已建成500 kW非補燃式壓縮空氣儲能示范系統[9],文獻[10]對此系統進行了詳細介紹。年越對先進壓縮空氣儲能系統熱力性能進行了模擬研究[11]。韓中合劉士名等對AA-CAES電站進行了熱經濟性分析[12]，很少有人研究AA-CAES系統的動態特性。本文以華北電力大學 STAR-90 仿真支撐系統為平臺，在500 kW先進絕熱壓縮空氣儲能系統的基礎上設計了20 MW先進絕熱壓縮空氣儲能系統，并且對系統儲能階段進行建模與仿真，對其熱力特性和動態特性進行了研究。

1 系統介紹

AA-CAES系統稱為先進絕熱壓縮空氣儲能系統，此系統主要設備有壓氣機、空氣透平、換熱器、儲熱器、泵、儲氣室、閥門；此系統的創新點有：(1)壓縮熱回收使得綜合利用效率高；(2)低碳效益顯著；(3)高能量密度；圖1為系統圖。

圖1 AA-CAES系統

2 系統設計

2.1 壓氣機壓比

(1)

(2)

式中：To,j為壓氣機出口空氣溫度，K；Ti,j為壓氣機入口空氣溫度，K；pi,j為上一級壓氣機入口空氣壓力，Pa；pi,j+1為下一級壓氣機入口空氣壓力，Pa；n為多變指數；Z為壓氣機級數；εt為壓縮級總壓比；ε1為每一級壓氣機壓比。

壓氣機壓縮的實際中不可避免的存在于外界換熱，屬于不可逆過程，因此壓氣機環節按多變過程處理[13]，四級壓氣機實際總耗功：

(3)

假設壓縮過程中管道中沒有壓力損失，則上一級壓氣機出口空氣壓力等于下一級壓氣機入口空氣壓力[14]，即有po,j=pi,j+1，對pi,2求偏導得：

(4)

(5)

結合式(4)與式(5)可得各級壓比：

由等熵關系，各級排氣溫度均為139 ℃。為防止儲氣罐壓力波動引起末級壓縮機壓比突升，使氣缸溫度過高，需要將末級壓比取的較低[15]，根據文獻[16]有：

(6)

2.2 儲氣室參數

儲氣室采用定容儲氣室，以儲氣罐作為儲氣容器，系統輸入功率為20 MW，設定充氣時間為8 h，則理論上存儲的能量為：

E=Pt

(7)

儲氣罐容積為：

(8)

式中：E為儲氣罐內存儲的能量，kJ；P0為大氣壓力，Pa。

3 模塊數學模型

3.1 壓氣機

質量平衡方程：

(9)

能量平衡方程

(10)

壓氣機流量方程：

(11)

壓氣機耗功功率方程：

(12)

式中：m1、m2為進出口壓氣機的流量，kg/s；在仿真計算中，認為進出口壓氣機的流量相等時為m，kg/s；Δp為某工況壓強降，MPa；Δpr為設計工況壓強降，MPa；mo為壓氣機額定流量，kg/s；ρ為壓氣機內空氣密度，kg/m3；h1，h2分別為壓氣機進出口空氣比焓，kJ/kg；Q為壓氣機內空氣對外放熱，kJ，η為壓氣機絕熱效率。

3.2 換熱器

空氣側能量平衡方程：

(13)

金屬蓄熱方程：

(14)

冷卻工質出口溫度：

(15)

式中：Ms為換熱器內的工質質量，kg；ms為換熱器內工質流量，kg/s；Cpw為換熱器內水定壓比熱，kJ/(kg·K)；Mw為換熱器內水的質量，kg；Dw為換熱器內水的流量，kg/s；Hs1，Hs2為工質入口、出口焓值，kJ；Q1為熱流體釋放的熱量，kJ；Q2為冷流體吸收的熱量，kJ；Mm為金屬管子的質量，kg；Cm為金屬管子的比熱，kJ/(kg·K)；Tm為金屬管子溫度，K；Ts1，Ts2為冷流體入口、出口溫度，K；Tw1，Tw2為冷流體入口、出口溫度，K。

傳熱方程：

(16)

(17)

式中：α1，α2為熱冷流體換熱系數。

采用隱式歐拉公式：

(18)

(19)

(20)

(21)

3.3 流體網絡數學模型

流體的流動是一個連續的過程，各個設備的參數是相互聯系的。各個設備或者系統壓力，流量關系可以概括為一個流體網絡模型。

根據質量守恒方程：

(22)

式中：M為壓力節點P0內的流體質量，kg；G1，G2，G4為流入壓力節點的流量，kg/s；G3為流出壓力節點的流量，kg/s。

在圖2所示的流體網絡模型中，假設壓力節點P1，P2，P3已知，假設P1，P2>P0，P3

(23)

式中：B1，B2，B3為線性導納。

圖2 流體網絡節點

采用隱式歐拉公式轉化為差分方程整理得：

(24)

3.4 聯箱數學模型

聯箱在NF-CAES系統中，起到合流和分流的作用。在儲能階段，冷水罐內的冷水通過聯箱分流，進入換熱器降低壓氣機入口空氣溫度。在釋能階段，熱水罐內的熱水通過聯箱分流，進入換熱器提高透平機入口空氣溫度。

進入聯箱的總流量滿足:

(25)

聯箱內流體溫總計算：

(26)

聯箱內流體焓總計算：

(27)

聯箱流體出口溫度計算：

(28)

聯箱流體出口焓值計算：

(29)

式中：G1in，G2in，G3in，G4in為聯箱各個入口流體流量，kg/s；h1in，h2in，h3in，h4in，hout為聯箱各路入口流體焓值及出口焓值，kJ/kg；T1in，T2in，T3in，T4in，Tout為聯箱各路入口流體溫度及出口溫度，℃；Q為聯箱與外界的熱交換量，kJ；M為聯箱內積存的流體質量，kg。

4 系統儲能階段仿真

以華北電力大學 STAR-90 仿真支撐系統為平臺，對系統儲能階段進行仿真，對其熱力特性和動態特性進行了研究。每個圖橫坐標都是時間為6 h，縱坐標代表對應的變量，有的圖中標有1、2、3、4分別代表第一、二、三、四級。通過仿真值和設計值相比較誤差范圍滿足精度要求。

從圖3可以看出，流量以很快的速度增大到壓氣機最大設計流量113 400 kg/h，流量達到平衡所需要的時間相對于整個系統的仿真時間很短，流量穩定時間為30 min。

圖3 流量變化

由圖4和圖5可以看出，各級壓氣機壓比以很快的速度增加到額定壓比，第一級的增加速度最大，下來依次是二到四級，然后趨于穩定。由于各級壓氣機的壓比逐漸增加到額定值，導致各級壓氣機的出口壓力也隨著壓氣機壓比的變化上升到最大值，由圖中可以看到三條線，那是因為第二級和第三級壓氣機的額定壓比相等，兩條趨勢線重合，各級壓氣機出口壓力的變化速度和壓比相對應。

圖4 壓氣機壓比

圖5 壓氣機出口壓力

由圖6中可以觀察到第一級壓氣機的入口溫度保持環境溫度25 ℃不變，其它三級的入口空氣溫度逐漸增大到設計入口溫度45 ℃，并且溫度增大速度最快為第二級，第四級的增加速率剛開始大于第三級，后來被第三級趕上。

圖6 壓氣機入口空氣溫度

由圖7看出第一級壓氣機出口空氣的溫度不變，第二三四級的出口空氣溫度剛開始有一段時間也處于不變狀態，隨后處于上升狀態再趨于平衡，最后第二三級出口空氣溫度基本一致，焓值是溫度的函數，因此各級壓氣機出口空氣焓值變化趨勢和溫度的一致。

圖7 壓氣機出口空氣溫度

由圖8看出四級壓氣機總耗功剛開始以相對快的速度增加，后來增加速度減慢最終達到平衡，總耗功達到平衡的時間為90 min。

圖8 壓氣機總耗功功率

由圖9可以看出剛開始各級換熱器出口空氣有一小段時間保持不變且相等，后來第四級保持不變的時間比較短，出口空氣溫度以最快的速度上升，經過一段時間后第三級出口空氣溫度以一定的速度上升，最終達到平衡，其中第二級和第三級的增加速度不穩定，剛開始第二級大于第三級，后來小于第三級。

圖9 換熱器出口空氣溫度

由圖10可以看出各級壓氣機的出口空氣溫度有一小段時間保持不變，后來處于上升狀態最后趨于平衡狀態，其中第四級保持不變的時間段最短，并且溫度上升的速率都大于一二三級的出口工質溫度，下來依次是第一級、第三級的增加速度剛開始大于第四級，后來小于第四級。

圖10 換熱器冷工質出口溫度

仿真過程中設定熱罐環境壓力為0.4 MPa，這樣是為了使熱罐的水溫可以升的更高，由圖11可以看出熱罐水溫剛開始變化緩慢，后來變化速度增大，最后以緩慢的速度達到平衡。

圖11 熱罐水溫變化趨勢

儲氣室壓力(圖12)逐漸由大氣壓力增加到儲氣室的額定壓力，增加的速度接近線性函數。圖13可以看出儲氣室氣體溫度由一開始到仿真結束都一直以緩慢的速度上升，這是由于往儲氣室內充氣相當于壓縮過程，會產生壓縮熱，因此會導致氣體溫度升高，溫度變化速率越來越慢，最后階段幾乎接近不變。

圖12 儲氣室氣體壓力

圖13 儲氣室氣體溫度

5 結論

(1)儲能階段第四級壓氣機壓力增加速度最快；各級壓氣機的壓比和出口壓力受流量變化影響較大。

(2)儲能階段第一級壓氣機入口溫度穩定性比后幾級好，第二級的壓氣機入口溫度變化最大；壓氣機出口空氣溫度第二三級變化速度最快。

(3)第三級換熱器冷工質出口溫度最大，并且隨著各壓氣機出口溫度增大而增大，入口空氣流量對換熱器出口水溫也有很大的影響，綜合起來影響各級換熱器出口水溫的因素有進口空氣流量、壓氣機壓比、各級換熱器進氣溫度。

(4)壓氣機進氣溫度和流量同時影響系統耗功，當流量達到平衡以后，壓氣機耗功的變化相對平緩，流量變化對壓氣機耗功的影響大于壓氣機進口空氣溫度造成的影響。

(5)儲氣罐的壓力變化接近線性變化，儲氣罐內氣體溫度變化平緩，儲氣罐氣體焓值在高壓狀態下主要受氣體壓力的影響。

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JIA Xiang, CUI Ning(College of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

AA-CAES System Modeling and Thermal Properties of Energy Storage Phase

In order to study the thermal characteristics of the advanced adiabatic compressed air energy storage system, an advanced model of 20 MW for the adiabatic compressed air energy storage system based on the 500 kW filling system of compressed air energy storage is designed. Using the lumped-parameter method to establish the dynamic mathematical model of the system, theoretical modelling and numerical simulation method to study the phase dynamic characteristics of the advanced adiabatic energy storage for the compressed air energy storage system, this paper analyzess the dynamic characteristics of the different links, such as the compressor, heat exchanger, storage tanks and heat storage tank, and the characteristics of the device parameters changing with the compressor inlet flow are also studied . The simulation results show that the first stage compressor is stable, while the compressors in second and third stages become volatile. The inlet flow rate for the export of all levels of the heat exchanger and cold working medium have a greater influence on the compressor power consumption; on the other hand, the indoor gas temperature changes more gently.

compressed air energy storage system; mathematical model; the simulation; the dynamic characteristics

2016-07-05。

賈祥(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為先進絕熱壓縮空氣儲能系統熱力特性研究，E-mail：934137684@qq.com。

TM73

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.012