盤管式蓄冷器在液化空氣儲能系統(tǒng)的應(yīng)用研究

蘇苗印，張 益，李晶晶

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，杭州 310014）

0 引言

可再生能源利用是解決環(huán)境污染和能源短缺的有效方法，相較于傳統(tǒng)的一次能源，可再生能源具有不穩(wěn)定性和間歇性等不足。儲能技術(shù)通過介質(zhì)或設(shè)備把能量暫時(shí)存儲，需要時(shí)釋放，可平抑系統(tǒng)擾動、維持能量輸出動態(tài)平衡和提高系統(tǒng)調(diào)度靈活性，確保可再生能源充分利用和平穩(wěn)運(yùn)行[1]。目前的儲能技術(shù)包括以抽水蓄能、壓縮空氣儲能及飛輪儲能為代表的物理儲能技術(shù)，以電池儲能為代表的化學(xué)儲能技術(shù)和以超導(dǎo)儲能及以超導(dǎo)儲能加超級電容為代表的電磁儲能技術(shù)。由于容量密度或者運(yùn)行費(fèi)用等原因，現(xiàn)已大范圍推廣應(yīng)用的只有空氣儲能技術(shù)和抽水蓄能技術(shù)[2-3]。

液化空氣儲能系統(tǒng)作為一種越來越受重視的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，具有儲能密度高、調(diào)節(jié)靈活和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的壓縮空氣能技術(shù)[4-5]。隨著液化儲能技術(shù)的深入研究和商業(yè)推廣，英國利茲大學(xué)與Highview Power研究人員提出的新型液化空氣儲能系統(tǒng)流程，通過充分利用工質(zhì)狀態(tài)變化過程中能量形式的轉(zhuǎn)化以及冷量回收，采用現(xiàn)成可靠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，被風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用[6-7]。本文基于新型液化空氣儲能系統(tǒng)的典型工藝，提出了一種集換熱和蓄冷功能于一體的盤管式蓄冷器方案，有效地提高系統(tǒng)的循環(huán)效率、降低了設(shè)備投資費(fèi)用、優(yōu)化了場地布置。

1 液化空氣儲能系統(tǒng)工作原理

液化空氣儲能系統(tǒng)在用電低谷時(shí)段儲能，高峰時(shí)段釋能，滿足不同階段能量的周期性輸出，主要通過三個子系統(tǒng)切換操作實(shí)現(xiàn)：空氣壓縮及液化儲存、液化空氣加熱氣化及蓄冷、空氣加熱膨脹及發(fā)電[6-7]。系統(tǒng)工藝流程原理如圖1所示[8]。

圖1 液化空氣儲能系統(tǒng)工藝流程原理圖Fig.1 Process flow diagram LAES system

在用電低谷時(shí)段（儲能階段），外接電源驅(qū)動壓縮機(jī)對原料空氣壓縮做功，高壓空氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹對外做功降溫，然后經(jīng)低溫液化換熱裝置液化成過冷液體，液空輸出到貯槽暫時(shí)儲存。

在用電高峰時(shí)段（釋能階段），液態(tài)空氣從液空貯槽出去，加壓后進(jìn)氣化器加溫氣化，氣化后的高壓空氣沖擊膨脹機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，膨脹機(jī)帶動發(fā)電機(jī)輸出電能。與此同時(shí)，系統(tǒng)蓄能時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動換熱媒介將液空氣化產(chǎn)生的冷量傳遞給蓄冷器暫時(shí)儲存；系統(tǒng)釋能時(shí)，蓄冷器的冷量通過換熱媒介釋放給液化換熱裝置，以實(shí)現(xiàn)液化空氣儲能系統(tǒng)的周期性循環(huán)[9]。

2 改進(jìn)型液化空氣儲能流程

2.1 典型空氣液化儲能蓄冷流程

液化空氣儲能系統(tǒng)的液化、氣化及蓄冷環(huán)節(jié)是液化空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中蓄冷器為該環(huán)節(jié)的核心設(shè)備。

蓄冷器是以填料作為媒介實(shí)現(xiàn)冷熱氣流傳遞熱量的換熱器。當(dāng)冷媒介通過時(shí)，冷量儲存于填料，而冷媒本身被加熱，稱為蓄冷過程；當(dāng)熱媒介通過時(shí)，從填料取走冷量，熱媒介質(zhì)本身被冷卻，稱為釋冷[10]。蓄冷器的蓄冷和釋冷構(gòu)成一個完整的換熱周期，習(xí)慣上一般設(shè)置多個蓄冷器進(jìn)行聯(lián)合工作（串聯(lián)或并聯(lián)），以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)的熱交換。

液化空氣儲能系統(tǒng)中，通過閥門的開閉動作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完整的換熱過程如圖2所示，當(dāng)液化單元工作時(shí)（釋冷過程），關(guān)閉閥門1、閥門3和閥門4，打開閥門2、閥門5和閥門6，蓄冷器儲存的冷量傳遞給液化換熱器；如圖3所示，當(dāng)氣化單元工作時(shí)（蓄冷過程），關(guān)閉閥門2、閥門5和閥門6，打開閥門1、閥門3和閥門4，將氣化換熱產(chǎn)生的冷量傳遞給蓄冷器。

圖2 液化單元工作原理圖Fig.2 Liquefied Process Diagram

圖3 氣化單元工作原理圖Fig.3 Evaporation Process Diagram

原理圖顯示，為了滿足蓄冷器在不同時(shí)段的冷量儲存和釋放，需通過操作閥門關(guān)閉實(shí)現(xiàn)功能切換。所以，典型液化空氣儲能系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置液化換熱器和蓄冷器，雖然每個單體設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對簡單，但是單元之間的聯(lián)動操作非常復(fù)雜，且循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動的冷媒介質(zhì)經(jīng)過多次換熱后冷量損失較大，設(shè)備總投資成本和總占地面積也相對較高。

2.2 改進(jìn)型液化儲能蓄冷流程

我國第二代空分設(shè)備即管式石頭蓄冷器凍結(jié)全低壓流程，采用卵石作為蓄冷器填料，蓄冷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)嵌入紫銅盤管[10]。此類蓄冷器多通道工作，產(chǎn)品氮?dú)夂脱鯕馐冀K在盤管內(nèi)部換熱，保證了氧氮產(chǎn)品不受污染，使產(chǎn)品純度大幅度提高。為了清除凍結(jié)在石頭上的二氧化碳和水分，二代空分除了采用交替切換方法外，還采用中間抽氣法，蓄冷器段的配管及操作復(fù)雜[11]。區(qū)別于二代空分的蓄冷器工作方式，分子篩系統(tǒng)從上世紀(jì)80年代開始廣泛應(yīng)用在空分系統(tǒng)，液化換熱前清除了空氣中水分和二氧化碳及碳?xì)浠衔铮估湎鋬?nèi)的板式換熱器僅起換熱作用[12]。

如果將蓄冷器和分子篩系統(tǒng)結(jié)合使用，蓄冷器的多通道管束也能和板式換熱器一樣成為穩(wěn)定的換熱載體，無需頻繁切換操作。另外，將蓄能容量更大的填料和多通道管束組合于單體設(shè)備，則此設(shè)備兼具換熱和蓄冷功能，稱為盤管式蓄冷器。

改進(jìn)后液化空氣儲能系統(tǒng)的液化、氣化及蓄冷流程應(yīng)用了盤管式換熱器，流程簡圖如圖4所示，當(dāng)氣化單元工作時(shí)（蓄冷階段），打開閥門，循環(huán)風(fēng)機(jī)帶動冷媒介質(zhì)輸送氣化冷量給盤管式蓄冷器；當(dāng)液化單元工作時(shí)（釋冷階段），關(guān)閉閥門或停止風(fēng)機(jī)，儲存在盤管式蓄冷器填料的冷量直接釋放給被冷卻介質(zhì)，無需通過冷媒介質(zhì)傳遞冷量。水分和二氧化碳，氣體再次增壓冷卻后進(jìn)入盤管式蓄冷器換熱獲取冷量，降溫后的氣體進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹液化后存儲在液空貯槽。待發(fā)電工作時(shí)，液化空氣蒸發(fā)氣化的冷量傳遞至盤管式蓄冷器進(jìn)行儲存，空氣通過盤管式蓄冷器既能實(shí)現(xiàn)換熱，又能實(shí)現(xiàn)蓄冷，完全取代了典型系統(tǒng)的板式換熱器和蓄冷器。

圖4 改進(jìn)型液化、氣化及蓄冷流程簡圖Fig.4 Improved LAES process diagram

2.3 方案比較分析

液化空氣儲能系統(tǒng)循環(huán)效率ηtot為釋能階段的凈輸出功率Pout與蓄冷階段的凈輸入功率Pin的比值[9]如式（1）：

圖5為改進(jìn)型液化空氣儲能系統(tǒng)的整體工藝流程，原料空氣經(jīng)過壓縮后進(jìn)入分子篩吸附系統(tǒng)脫除

如果不考慮外界系統(tǒng)的能量輸入及其他系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)轉(zhuǎn)化和回收，則系統(tǒng)循環(huán)效率為式（2）：

式中：Pexp為發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；Ppum為液體泵消耗功率，kW；Pcom為壓縮機(jī)消耗功率，kW。

圖5 改進(jìn)型液化空氣儲能系統(tǒng)圖Fig.5 Improved LAES System Diagram

以國內(nèi)首套500 kW液化空氣儲能示范項(xiàng)目為例，此項(xiàng)目采用了回收空氣壓縮熱的冷熱聯(lián)動耦合方案，系統(tǒng)流程如圖6所示。儲能時(shí)，電能將原料空氣壓縮、分子篩吸附凈化、空氣循環(huán)增壓、膨脹機(jī)制冷、液化冷箱利用冷能換熱，使得空氣冷卻并液化，同時(shí)蓄熱器存儲該過程中釋放的熱能，用于釋能時(shí)加熱空氣；釋能時(shí)，液態(tài)空氣經(jīng)液空泵加壓、氣化器加熱氣化，推動膨脹機(jī)發(fā)電，同時(shí)蓄冷器存儲該過程的冷能，用于儲能時(shí)冷卻空氣。

圖6 500 kW冷熱聯(lián)動液化空氣儲能系統(tǒng)圖Fig.6 500 kW cold-heat linkage LAES system diagram

圖7為項(xiàng)目典型方案的設(shè)備布置圖，配電室與控制室兩側(cè)分別布置了液化裝置和氣化裝置，圖中東北方位處的板式換熱器和東南方位處的蓄冷器獨(dú)立布置。改進(jìn)型的盤管式蓄冷器方案將板式換熱器集成進(jìn)蓄冷器內(nèi)，與典型方案相比，可以省略板式換熱器的場地布置。

圖7 500 kW冷熱聯(lián)動液化空氣儲能設(shè)備布置圖Fig.7 500 kW cold-heat linkage LAES equipment layout

蓄冷器和液化冷箱現(xiàn)場實(shí)物如圖8所示，3個蓄冷器協(xié)同作業(yè)，由工藝管道連接后聯(lián)動工作；板式換熱器布置在液化冷箱內(nèi)部，膨脹機(jī)貼鄰冷箱放置在高位平臺上方。

圖8 蓄冷器和液化冷箱現(xiàn)場實(shí)物圖Fig.8 Photos of Regenerator and Cold box in Site

表1為兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比結(jié)果，由于盤管式蓄冷器工藝流程簡單，經(jīng)過換熱設(shè)備和管道的路徑較短，冷量損失顯著少于典型液化儲能方案，從而使得系統(tǒng)循環(huán)效率有所提高。另外，盤管式蓄冷器替代了典型方案的板式換熱器和蓄冷器，使總體設(shè)備平面布局更緊湊，設(shè)備總占地面積和總投資費(fèi)用也相應(yīng)減少。

表1 兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Tab.1 Comparison result of technical and economic index

3 盤管式蓄冷器結(jié)構(gòu)簡述

3.1 充裝填料

蓄冷器的蓄冷性能由充裝的填料決定，對填料的性能一般要求：（1）足夠的比熱容；（2）較大的機(jī)械強(qiáng)度；（3）價(jià)格低廉。目前市面上運(yùn)用在深冷低溫領(lǐng)域較常見的蓄冷器填料有鋁帶、石頭和瓷球填料，三者性能分析如表2所示[13-14]。除此之外，鉛蓄冷和磁性蓄冷材料等近年來在低溫制冷機(jī)中也陸續(xù)被使用[15]，考慮技術(shù)成熟度和性價(jià)比原因，本文暫不討論。

表2 三種填料性能分析Tab.2 Performance of 3 kinds packing

瓷球填料比熱、硬度和卵石填料較為接近，但是人造燒結(jié)的瓷球價(jià)格高于天然石頭，且天然石頭來源廣泛，無需另外加工。鋁帶填料具有較高傳熱系數(shù)和比表面積，處理同樣數(shù)量空氣的石頭蓄冷器比鋁帶蓄冷器約大4倍，石頭蓄冷器或瓷球蓄冷器的優(yōu)點(diǎn)是能嵌入盤管，鋁帶蓄冷器無法實(shí)現(xiàn)。所以，目前在無其他新材料發(fā)現(xiàn)或研制成功的條件下，石頭填料仍然最適宜作為盤管式蓄冷器填料，石頭原料可采用天然鵝卵石、玄武巖碎石或花崗巖碎石，石頭規(guī)格為7～13 mm，形狀盡可能趨于團(tuán)狀（如球狀、橢圓狀或圓滑多棱狀）。

3.2 本體結(jié)構(gòu)

盤管式蓄冷器為一個圓柱形容器，內(nèi)外筒是真空粉末絕熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)外筒間填裝珠光砂作為絕熱材料。內(nèi)筒選用能耐低溫的不銹鋼材料，外筒選用普通容器用鋼，筒體上裝有空氣和冷媒出入連接管，外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

盤管式蓄冷器圓筒內(nèi)采用同軸雙螺栓或多螺旋的形式布置了兩根或以上相互纏繞的管子，在螺旋圈內(nèi)布置一段直管，空氣和冷媒分通道在盤管管束內(nèi)通過，完成與填料的釋冷或蓄冷。蓄冷器盤管材料為紫銅或不銹鋼，每個管束外充滿了卵石填料，為了加強(qiáng)筒體內(nèi)部的換熱效果，有文獻(xiàn)指出管翅式結(jié)構(gòu)能增加管束與填料換熱面積[16]。

圖9 盤管式蓄冷器外形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Coil Regenerator General Structure Drawing

3.3 簡單熱力工況

盤管式蓄冷器傳熱過程不穩(wěn)定，蓄冷和釋冷各截面的溫度不僅沿高度變化而且隨時(shí)間變化。石頭填料作為中間載體，冷媒傳遞給填料的冷量和空氣傳遞給填料的熱量相等，用QP表示，計(jì)算如式（3）。

式中：GA為通過蓄冷器冷媒的流量，kg/s；GB為通過蓄冷器空氣的流量，kg/s；CAP為冷媒的平均比熱，kg/s；CBP為空氣的平均比熱，kg/s；ΔtA為通過蓄冷器冷媒被加熱始末溫差，℃；ΔtB為通過蓄冷器空氣被冷卻始末溫差，℃；TA為冷媒通過蓄冷器的蓄冷周期，s；TB為空氣通過蓄冷器的液化周期，s。

如果忽略蓄冷器填料和冷熱氣體傳熱損失、銅管導(dǎo)熱熱阻和徑向溫度分布差異，結(jié)合多孔傳熱傳質(zhì)理論[17]，建立動量方程和能量方程，如式（4）和式（5）：

式中：H為任意時(shí)刻焓值，H=h+ΔH，kJ/kg；ρ為密度，kg/m3；S為源項(xiàng)，kg·m/s；v為流體速度，m/s；T為溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

以上公式描述了盤管流體的傳熱過程，圖10繪制了溫度為-170℃的空氣通過盤管式蓄冷器時(shí)，填料逐漸冷卻的多條曲線（蓄冷過程）。

圖10 冷媒進(jìn)入盤管式蓄冷器冷卻曲線Fig.10 Performance curve of packing cooling

在冷端，進(jìn)入盤管式蓄冷器的冷媒介質(zhì)保持不變，但是填料的溫度是變化的，冷媒連續(xù)通過時(shí)，填料溫度曲線隨著時(shí)間向右移動，逐漸地向橫軸接近，經(jīng)過6 h冷卻，蓄冷器幾乎完全冷了。當(dāng)切換成液化模式后（釋冷過程），空氣連續(xù)通過時(shí)，填料被連續(xù)加熱，填料溫度曲線與蓄冷階段總體變化規(guī)律是逆向一致的，曲線為隨時(shí)間向左移動。

5 結(jié)論

本文在液化空氣儲能典型工藝流程的基礎(chǔ)上，提出盤管式蓄冷器方案，簡要討論了盤管式蓄冷器結(jié)構(gòu)及熱力工況，得出結(jié)論：

（1）盤管式蓄冷器結(jié)構(gòu)在第二代空分產(chǎn)品中已有成熟應(yīng)用，將空分用蓄冷器改造后即可在液化空氣儲能系統(tǒng)中使用；

（2）液化空氣儲能系統(tǒng)涉及一系列熱力過程，各參數(shù)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，改進(jìn)型的盤管式蓄冷器方案可以有效提高整體循環(huán)效率；

（3）典型液化空氣儲能工藝?yán)瞄y門動作解決切換的問題，操作復(fù)雜且對控制要求高，改進(jìn)型方案流程簡單、緊湊性好，可助力液化儲能系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。