蓄熱對(duì)超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響

楊征，陳海生，王亮，盛勇，紀(jì)律

(中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 100190)

蓄熱對(duì)超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響

楊征，陳海生，王亮，盛勇，紀(jì)律

(中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京市 100190)

超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種新型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，蓄熱技術(shù)是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。該文建立了超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程、存儲(chǔ)過程和釋能過程中的熱力學(xué)模型，重點(diǎn)分析了蓄熱對(duì)超臨界系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，在儲(chǔ)能過程中，儲(chǔ)能效率隨著蓄熱水流量的上升而下降；在存儲(chǔ)過程中，存儲(chǔ)效率隨存儲(chǔ)時(shí)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(xiàn)先上升后逐漸下降的趨勢(shì)。系統(tǒng)效率隨著蓄熱水流量的增加先升高后降低，當(dāng)蓄熱水無量綱流量為0.75時(shí)，系統(tǒng)效率最高，為68.3%。

蓄熱；超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；儲(chǔ)能效率；熱力學(xué)模型

0 引 言

隨著世界能源形勢(shì)的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)顯示出了越來越重要的價(jià)值，被稱為“電力行業(yè)的第六產(chǎn)業(yè)鏈”[1]。在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)得到了迅速發(fā)展，且已在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。1978年建成的德國Huntorf電站是第1座投入商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站。該機(jī)組的壓縮機(jī)功率為60 MW，釋能輸出功率為290 MW，儲(chǔ)氣總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，儲(chǔ)氣壓力最高可達(dá)10 MPa，機(jī)組可連續(xù)充氣 8 h，連續(xù)發(fā)電2 h[2]。美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲(chǔ)能電站于1991年投入商業(yè)運(yùn)行，該儲(chǔ)能電站壓縮機(jī)組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW，儲(chǔ)氣總?cè)莘e為5.6×105m3，儲(chǔ)氣壓力為7.5 MPa，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)41 h空氣壓縮和26 h發(fā)電[3]。超臨界空氣儲(chǔ)能技術(shù)是在傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型儲(chǔ)能技術(shù)。與傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相比，其具有能量密度大、儲(chǔ)能效率高、投資占地少、儲(chǔ)能周期靈活、適用范圍廣、對(duì)環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了當(dāng)前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)[4]。

超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理如下[5]：在儲(chǔ)能過程中，空氣被空氣壓縮機(jī)壓縮到超臨界狀態(tài)，并存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐中；在釋能過程中，超臨界空氣首先被預(yù)熱，然后通過膨脹機(jī)對(duì)外做功。在儲(chǔ)能過程中，壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的級(jí)間冷卻熱量，為了提高系統(tǒng)的能源利用效率，需要對(duì)這部分熱量進(jìn)行回收和存儲(chǔ)，并在釋能的過程中，利用存儲(chǔ)的熱量加熱壓縮空氣，以提高系統(tǒng)對(duì)外做功能力。由此可見，蓄熱對(duì)系統(tǒng)的性能具有很大的影響。研究蓄熱對(duì)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。

可見，雖然已經(jīng)有研究注意到了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄熱問題，但是沒有進(jìn)行蓄熱對(duì)系統(tǒng)性能影響的深入分析，特別是對(duì)超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的蓄熱研究還未開展。本文將建立超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程、存儲(chǔ)過程和釋能過程中的熱力學(xué)模型，分析蓄熱對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

1 模型建立

超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程主要可以分為儲(chǔ)能過程、存儲(chǔ)過程和釋能過程，下面分別對(duì)這3個(gè)過程進(jìn)行熱力學(xué)分析。

1.1 儲(chǔ)能過程

系統(tǒng)的儲(chǔ)能部分主要由多級(jí)空氣壓縮機(jī)、換熱器、分水器和混合器組成。在系統(tǒng)的儲(chǔ)能過程中，空氣依次通過各級(jí)壓縮機(jī)及換熱器，氣體得到壓縮并降溫，最后以高壓常溫狀態(tài)流出。系統(tǒng)使用水作為蓄熱工質(zhì)，蓄熱水經(jīng)過分水器的分配，以并聯(lián)形式通過各級(jí)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(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)。為了確保蓄熱水在儲(chǔ)能過程中不發(fā)生相變，需要對(duì)蓄熱水進(jìn)行加壓。

對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能過程進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)空氣以環(huán)境狀態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)組，蓄熱水以環(huán)境溫度進(jìn)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(chǔ)能過程熱力學(xué)分析方法如下。

單級(jí)壓縮機(jī)耗功Pcomp為

(1)

氣體在壓縮機(jī)出口的焓值hcomp,2為

(2)

式中hcomp,1為氣體在壓縮機(jī)進(jìn)口的焓值。

壓縮空氣在單級(jí)壓縮機(jī)出口的其他熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)出口壓力pcomp,2和焓值hcomp,2確定。

由換熱器對(duì)數(shù)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(jìn)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(cè)和空氣側(cè)換熱量相等，可得：

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)，可以得到水側(cè)出口溫度Twater,2、空氣側(cè)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(cè)換熱器進(jìn)口壓力；Δpair為空氣在換熱器內(nèi)的壓力損失。

水側(cè)壓力損失忽略不計(jì)。蓄熱水、壓縮空氣在換熱器出口的其他熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)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(jí)壓縮機(jī)消耗的功率。

1.2 存儲(chǔ)過程

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

對(duì)該過程進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)儲(chǔ)罐內(nèi)蓄熱水的溫度處處相等；

(2)環(huán)境溫度保持不變；

(3)蓄熱水與環(huán)境之間換熱系數(shù)和蓄熱水的比熱容為常量。

根據(jù)能量守恒定律和傅里葉導(dǎo)熱定律，可以得到存儲(chǔ)過程的微分方程式為

mwatercp,waterdTsto=kstoA(Tsto-T0)dt

(9)

式中：mwater為儲(chǔ)罐內(nèi)蓄熱水質(zhì)量；Tsto為儲(chǔ)罐內(nèi)蓄熱水溫度；ksto為傳熱系數(shù)；A為儲(chǔ)罐表面積；t為時(shí)間；T0為環(huán)境溫度。

對(duì)上式進(jìn)行求解，可以得到：

(10)

式中：T1為蓄熱水初始溫度；Δt為存儲(chǔ)時(shí)間。

求得蓄熱水的溫度T后，即可得到該過程相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)。

(11)

1.3 釋能過程

系統(tǒng)的釋能部分主要由多級(jí)膨脹機(jī)、換熱器、分水器和混合器組成。在系統(tǒng)的釋能過程中，高壓空氣依次通過換熱器及各級(jí)膨脹機(jī)，氣體被加熱到超臨界狀態(tài)，并通過各級(jí)膨脹機(jī)對(duì)外做功。高溫的蓄熱水經(jīng)過分水器的分配，以并聯(lián)形式通過各級(jí)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(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)。為了確保在釋能過程中蓄熱水不發(fā)生相變，需對(duì)蓄熱水進(jìn)行加壓。

對(duì)系統(tǒng)釋能過程進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)壓縮空氣在存儲(chǔ)過程沒有損失，進(jìn)入釋能部分的狀態(tài)為離開儲(chǔ)能部分的狀態(tài)；

(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(xué)分析方法如下。

單級(jí)膨脹機(jī)作功Pexp為

(12)

式中:Texp,1為氣體在膨脹機(jī)進(jìn)口的溫度；τ2為單級(jí)膨脹比。

氣體在膨脹機(jī)出口的焓值hexp,2為

(13)

式中hexp,1為氣體進(jìn)口焓值。

氣體在單級(jí)膨脹機(jī)出口的其他熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)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(jì)算方法與儲(chǔ)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(jí)膨脹機(jī)對(duì)外輸出功率。

1.4 整體性能

系統(tǒng)的整體性能用系統(tǒng)效率ηsys來表示。ηsys定義為釋能過程中系統(tǒng)輸出功與儲(chǔ)能過程中系統(tǒng)輸入功的比值：

ηsys=∑Pi,exp/∑Pi,comp

(17)

2 性能分析

2.1 儲(chǔ)能過程

儲(chǔ)能過程主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

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

(2)換熱器對(duì)數(shù)換熱溫差為3 K，氣體流經(jīng)換熱器的過程中，壓降為17 kPa[14]；

(3)環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力為101.325 kPa。

圖1 儲(chǔ)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(chǔ)過程

圖2 存儲(chǔ)效率隨存儲(chǔ)時(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)：

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

(2)換熱器為逆流形式，對(duì)數(shù)平均溫差為3 K，氣體流經(jīng)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(tǒng)對(duì)外作功量隨蓄熱水流量的增加而略有增長(zhǎng)，但增加幅度很小；因而釋能效率隨無量綱流量的增長(zhǎng)而逐漸下降。

2.4 整體性能

圖4給出了系統(tǒng)效率隨蓄熱水流量的變化關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著蓄熱水流量的增加，系統(tǒng)效率先升高后降低。當(dāng)無量綱流量為0.75時(shí)，系統(tǒng)效率最高，為68.3%。當(dāng)蓄熱水流量較低時(shí)(無量綱流量小于0.75)，系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程中耗能較多，這是由于蓄熱水流量不能充分冷卻級(jí)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(tǒng)效率隨蓄熱水流量的下降而下降。而當(dāng)蓄熱水流量較高時(shí)(無量綱流量大于0.75)，系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程中消耗的能量基本不隨蓄熱水流量發(fā)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(tǒng)效率隨蓄熱水流量的上升而下降。

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

3 結(jié) 論

本文研究了蓄熱對(duì)超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響，建立了超臨界空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能過程、存儲(chǔ)過程和釋能過程中的熱力學(xué)模型，分析了蓄熱對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

在儲(chǔ)能過程中，隨著蓄熱水流量的增大，儲(chǔ)能效率不斷下降。在存儲(chǔ)過程中，存儲(chǔ)效率隨存儲(chǔ)時(shí)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(tǒng)效率隨著蓄熱水流量的增加先升高后降低。當(dāng)無量綱流量為0.75時(shí)，系統(tǒng)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃) (2015CB251302)；國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)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(xué)博士，助理研究員，主要從事壓縮空氣儲(chǔ)能和亞臨界水蓄熱方面的研究工作；

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

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

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

紀(jì)律(1986)，男，工學(xué)碩士，助理研究員，主要從事壓縮空氣儲(chǔ)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)