500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統建模仿真

賈明祥，駱貴兵，舒 進，都勁松，陳 坤，劉麗春

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，各類儲能技術大力發展，壓縮空氣儲能以其儲能容量大、電能轉換效率高、安全可靠等特點被視為一種極具潛力的大規模儲能技術，該技術對可再生能源接入和電網負荷調節以及保障電力系統安全具有重要意義[1]。

傳統的壓縮空氣儲能系統需要補充化石燃料，排放有一定的污染。國外投產運營的儲能電廠需要天然氣的補燃才能達到一定循環效率，該系統有專門的燃燒室，也有溫室氣體排放[2-4]。德國Huntorf電站補燃條件下電站循環效率可達到42%，美國McIntosh 電站在補燃條件下的系統總效率可達到54%，但是非補燃條件下2 個電站系統總效率低于20%。非補燃壓縮空氣儲能系統能夠用在消納可再生能源、削峰填谷、電廠黑啟動、增加電力系統的靈活性、節能減排等方面[3-6]。該系統不僅可以實現分布式系統和智能電網的負荷平衡，提高電網的可靠性與穩定性，還可以提高火電機組實際運行效率，增強電網的輸電能力，也可作為工業節能、應急電源的關鍵支撐技術[7-9]。

目前，我國已經在安徽蕪湖成功開發搭建了500 kW 非補燃壓縮空氣儲能發電示范系統，該系統在試驗階段已實現勵磁發電。對該500 kW 非補燃壓縮空氣儲能發電示范系統建模仿真，分析各環節的能量損耗，有利于對系統進行優化及針對性地提高系統效率。

1 非補燃壓縮空氣儲能系統工作原理

非補燃壓縮空氣儲能電站在儲能時充分利用各階段壓縮所產生的熱量，將其儲存在蓄熱裝置內。在釋能時利用壓縮產生的熱進一步加熱儲氣裝置的空氣，被加熱的高壓空氣再進入透平中膨脹做功[10-12]，圖1 為非補燃壓縮空氣儲能系統原理。

圖2 和圖3 分別為非補燃壓縮空氣儲能系統結構及系統介質控制狀態示意。由圖2 和圖3 可見，非補燃壓縮空氣儲能系統分為充電系統、蓄能系統、放電系統、控制系統等[13-16]。

本文搭建的500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統采用五級間冷活塞式壓縮機，壓縮機級間的排氣溫度為150 ℃，排氣壓力為10 MPa。其中回熱系統由常溫、中溫、高溫水罐、水泵以及換熱器等部件組成，儲熱介質為加壓水。儲氣系統由2 個容量50 m3的鋼結構壓力儲氣罐組成，共可以貯存100 m3的氣體。透平發電系統包括空氣透平、減速器和發電機等。空氣透平采用三級同軸布置，級間有再熱循環，空氣透平的轉速為30 000 r/min，通過減速器將其轉速減至1 500 r/min后帶動發電機對外輸出電能。

2 500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統的建模與仿真

2.1 壓縮過程模擬仿真

500 kW 儲能系統壓縮過程采用5 級壓縮，每級壓縮機后設置了1 臺換熱器，空氣經過壓縮機后將熱量傳給換熱介質，繼續進入下一級壓縮機。換熱介質經過換熱器后升溫，各級壓縮機將壓縮熱收集后經蓄熱環節儲存。工作介質空氣逐級加壓后存入儲氣室，在發電時再對其加熱利用，其壓縮過程模型如圖4 所示。圖4 中工作介質是空氣，換熱介質是水，COMP 表示壓縮機，H 表示換熱器，箭頭表示物流方向。

2.2 膨脹過程模擬仿真

500 kW 儲能系統膨脹過程采用三級膨脹，3 臺膨脹機串聯，中間設置間冷換熱系統，用來吸收壓縮熱量。其膨脹過程模型如圖5 所示。圖5 中物流分為2 種，其中17、18、21、22、25、26 為工質物流，19、20、23、24 為換熱介質物流；另外配有3 臺膨脹機，用Turbine 表示，2 臺換熱器用H5 和H6表示。

2.3 模擬結果和試驗運行數據對比

模擬時壓縮過程和膨脹過程基礎數據分別見表1 和表2。

表1 壓縮過程基礎參數Tab.1 Basic parameters in compression stage

表2 膨脹過程基礎參數Tab.2 Foundation parameters in expansion stage

系統壓縮過程和膨脹過程軸功率的模擬值和實際值對比分別如圖6 和圖7 所示。按照示范工程的介質進行模擬，各級壓氣機進口溫度嚴格按照實際運行數據進行初始化。

由表1、表2 及圖6、圖7 可見，各級排氣溫度均存在偏差，原因在于模擬過程把空氣當做理想氣體，導致理想密度與實際密度有一定的誤差。但是對于軸功率的影響較小，對比2 個軸功率，兩者的相對誤差在2%以內，在工程誤差允許范圍之內。

由圖7 可見，一、二、三級膨脹過程軸功率模擬值分別比實際值多0.67 kW、低2.13 kW、低5.32 kW，所有模擬值與實際值的相對誤差小于3%，符合工程要求。二級和三級膨脹過程軸功率模擬值與實際值的差距大于一級，主要原因是模擬過程中的氣體采用的是理想氣體，并且假設空氣密度恒定不變，但是實際運行過程中有氣體干濕度及密度變化的影響。

試驗中充電時間為5.3 h，放電時間為1 h，電換電效率為32.87%，非補燃情況下能量轉換效率超過了Huntorf 電站和McIntosh 電站的效率。

3 500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統系統?分析

?分析法可以兼顧能量的量和質，全方面分析能量的數量與品質，從而找到影響系統熱力學性能的重要因素[17-21]。采用?分析法對500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統進行熱力學分析，通過計算得出系統各組成部分的?損，找到影響系統效率的主要部件，為系統的最優運行方式提供理論基礎。各部件?損計算方法如下。

壓縮機?損為

式中：Es,c為整個壓縮機的?損，kW；Ec,1為壓縮機入口空氣的?，kW；Ec,2為壓縮機出口空氣?，kW；Wc為壓縮機耗功，kW。

換熱器?損為

式中：Es,j為整個換熱器的?損，kW；Ej,1為換熱器進口氣體的?，kW；Ej,2為換熱器出口氣體?，kW；Ej,3為換熱器進口液體?，kW；Ej,4為換熱器出口液體?，kW。

膨脹機?損為

式中：Es,t為透平膨脹機的?損，kW；Et,1為進入透平時氣體的?，kW；Et,2為排出透平時氣體的?，kW；Wt為透平對外做功，kW。

物流?的計算公式為

式中：H為物流的焓，kW；H0為物流在環境條件下的焓，kW；T0為環境溫度，K；S為物流的熵，kW/K；S0為物流在環境條件下的熵，kW/K。

500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統各部件?損見表3。

表3 500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統部件?損Tab.3 The component exergy loss of the 500 kW non afterburning compressed air energy storage system

五級壓縮機總?損為65.71 kW，五級換熱器總?損為49.37 kW，膨脹機總?損為97.04 kW。在五級壓縮過程中隨著壓縮級數的增加，壓縮機?損、換熱器?損逐漸降低。在三級膨脹中隨著膨脹級數的增加，?損逐漸增加。膨脹機的?損最大，換熱器?損最小。膨脹機的?損最大，主要是由機械損失、熱損失以及膨脹做功過程中產生的不可逆損失導致的。根據不同部件的?損比較，優化時可以首選膨脹過程進行，優先選用絕熱效率高的膨脹機來減少?損。

4 結 論

1）通過專業軟件對500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統壓縮過程和膨脹過程進行模擬仿真，結果與試驗工程運行數據基本一致，軸功率誤差均在2%以內，模擬仿真方法正確可靠，可以在此基礎上進行系統優化和改進。

2）500 kW 非補燃壓縮空氣儲能系統隨著壓縮級數增加，單級消耗軸功率逐漸減小；三級膨脹中從第一級到第三級，軸功率逐漸增加。

3）通過對系統部件的?分析，得出膨脹機的?損最大，三級膨脹機的?損達到97.04 kW；壓縮過程?損低于膨脹過程，達到65.71 kW；換熱過程?損最小，為49.37 kW。對系統優化時應首先考慮膨脹過程，系統運行時最大限度減小其他過程不可逆損失的同時再使用效率高的膨脹機能夠有效增加系統綜合效率。同理，增加壓縮機效率、增強換熱器換熱效果都可以增加系統效率。

4）非補燃壓縮空氣儲能系統電換電效率可達到33%左右，可以用于消納新能源，實現調峰調頻功能。若將該系統與其他新能源系統進行耦合，利用棄風棄光電驅動壓縮機，可以進一步增加系統綜合效率，達到節能環保的目標。