耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

＊黃 歡

（四川梅塞爾氣體產(chǎn)品有限公司 四川 611731）

隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)入工業(yè)4.0智能化制造時(shí)代，能源供需形勢(shì)相對(duì)緊張，尤其是居民生活用電、一般工商業(yè)用電、大工業(yè)用電以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電電能的需求量日益增長(zhǎng),電能的供需矛盾逐漸顯現(xiàn)甚至發(fā)生“拉閘限電”現(xiàn)象[1-4]。電能是二次能源，來源有水電、火電、核電、風(fēng)電、太陽能電、海洋能電及生物能電等，目前65%以上的電能來自于化石能源燃燒的火電[5-8]，大量、長(zhǎng)期的使用不可再生性的化石能源將不可避免的面臨耗盡的危機(jī)和造成自然環(huán)境不可估量的破壞，同時(shí)地球自然生態(tài)環(huán)境的影響水電、風(fēng)電、太陽能電等易出現(xiàn)強(qiáng)烈氣候依賴性，導(dǎo)致電能供需的平衡受到破壞。根據(jù)國家能源局《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》，到2030年，非化石能源發(fā)電量占全部比重力爭(zhēng)達(dá)到50%，非化石能源占一次能源消費(fèi)總量比重達(dá)到20%，二氧化碳排放達(dá)到峰值[9]。可以預(yù)見風(fēng)能、太陽能、海洋能等可再生能源將成為能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，開發(fā)利用可再生能源是促進(jìn)能源清潔化發(fā)展、改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源供應(yīng)的重要措施，更是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要技術(shù)途徑[10-12]。

雖然電（磁）能是可以直接儲(chǔ)存的，常見的儲(chǔ)存形式為超導(dǎo)環(huán)流儲(chǔ)能，還有一種就是電容儲(chǔ)能。但電能的存儲(chǔ)有一個(gè)很大的損耗缺點(diǎn)，所以電能很難被大量直接地儲(chǔ)存[13-15]。電子在運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)相互碰撞或與其他原子碰撞而降低動(dòng)能，超導(dǎo)技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，因此電動(dòng)能形式的直接存儲(chǔ)電能較難實(shí)現(xiàn)[16-18]。儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為可再生能源發(fā)電并網(wǎng)的重要技術(shù)，是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是解決可再生能源大規(guī)模利用、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性的迫切需要[19-20]，儲(chǔ)能技術(shù)和可再生能源技術(shù)被麥肯錫全球研究院評(píng)選為2025年將對(duì)人類商業(yè)、工作和生活甚至國家競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生重大影響的12項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一[21]。由于可再生能源的間歇性、不確定性、地理環(huán)境限制及電力用戶需求的波動(dòng)性等特點(diǎn)，電網(wǎng)不能消化全部可再生能源的發(fā)電，造成可再生能源難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中利用及利用效率低下，棄光、棄風(fēng)等現(xiàn)象非常嚴(yán)重[22-23]。因此，迫切需要開發(fā)大規(guī)模及高效的儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)可再生能源的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，以持續(xù)穩(wěn)定的方式輸出電能[24-26]。

我國已經(jīng)成為世界儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國家，也已成為世界儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和示范的主要核心國家之一，2021年我國主要儲(chǔ)能技術(shù)有抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、液化空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和新型儲(chǔ)能技術(shù)等[27-29]。其中，液化空氣儲(chǔ)能（Liquefied Air Energy Storage，LAES）具有技術(shù)相對(duì)成熟、安全環(huán)保、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、能量密度大和低投資成本[30-32]等優(yōu)點(diǎn)，其原理如圖1所示。液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)近年來大力發(fā)展并實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)應(yīng)用，英國高瞻遠(yuǎn)矚（Highview）公司于2011年試制了全球第一套液化空氣儲(chǔ)能裝置樣機(jī)，其后在液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)方面開發(fā)并運(yùn)營(yíng)了一系列項(xiàng)目，現(xiàn)已將液化空氣儲(chǔ)能裝置擴(kuò)展到千兆瓦（GW）級(jí)別，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的撬塊化、模塊化設(shè)計(jì)也取得較大進(jìn)展，目標(biāo)是快速、靈活的運(yùn)用于各種場(chǎng)景[33-35]。

圖1 液化空氣儲(chǔ)能（LAES）原理圖

常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)分為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是在電網(wǎng)電能過剩時(shí)利用電能將環(huán)境空氣加壓、降溫、液化，然后儲(chǔ)存于液化空氣貯罐，能量釋放系統(tǒng)是在電網(wǎng)電能不足時(shí)將液化空氣貯罐中的液化空氣經(jīng)過低溫泵增壓、熱交換器氣化后送入透平發(fā)電機(jī)，進(jìn)行膨脹發(fā)電供給電網(wǎng)[36-37]。但是常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然存在循環(huán)效率（50%～60%）較低、經(jīng)濟(jì)效益差、應(yīng)用場(chǎng)景受限等問題[38-40]，本研究構(gòu)建一種耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，能夠靈活的電力調(diào)峰及生產(chǎn)液化空氣產(chǎn)品，提高了常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量循環(huán)效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程概述

圖2為耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3個(gè)相互聯(lián)系的子系統(tǒng)組成：能量?jī)?chǔ)存子系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)移及釋放子系統(tǒng)和產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)。

圖2 耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

(1)能量?jī)?chǔ)存子系統(tǒng)

該系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為深冷能。環(huán)境空氣經(jīng)空氣壓縮及冷卻裝置壓縮為高壓空氣，高壓空氣進(jìn)入空氣凈化裝置（由分子篩吸附筒、再生氣加熱器等組成）脫除二氧化碳和水分等雜質(zhì)，然后進(jìn)入空氣液化及精餾裝置（由板翅式換熱器、冷凝蒸發(fā)器、精餾塔、循環(huán)壓縮機(jī)、低溫膨脹增壓機(jī)等組成），高壓空氣被降溫由氣態(tài)發(fā)生相變成為液態(tài)，液化狀態(tài)的空氣在精餾塔中進(jìn)行精餾得到液化空氣產(chǎn)品（液氮、液氧、液氬），液化空氣產(chǎn)品送入液化產(chǎn)品貯存裝置儲(chǔ)存。

(2)能量轉(zhuǎn)移及釋放子系統(tǒng)

該系統(tǒng)將深冷能分為兩階段回收利用，第一階段將深冷能轉(zhuǎn)移至原料高壓空氣，第二階段將深冷能轉(zhuǎn)化為電能。液化產(chǎn)品貯存裝置中的液化空氣產(chǎn)品經(jīng)低溫泵增壓后送入空氣液化及精餾裝置，液化產(chǎn)品通過板翅式換熱器與原料高壓空氣換熱氣化，氣化后的高壓氣體進(jìn)入空氣壓縮及冷卻裝置進(jìn)一步升溫，升溫后的高溫高壓氣體送入透平機(jī)（透平機(jī)與發(fā)電機(jī)相連）做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電向電網(wǎng)輸出電能，膨脹做功后的氣體排放至大氣。

(3)產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)將液化空氣產(chǎn)品送至用戶。液化產(chǎn)品貯存裝置中的液化空氣產(chǎn)品由充車泵注入到低溫槽車，然后通過低溫槽車將液化空氣產(chǎn)品運(yùn)送至用戶。

2.結(jié)果與討論

與常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，本研究提出的耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活

空分裝置技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、操作簡(jiǎn)單、啟動(dòng)速度快、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中空分裝置生產(chǎn)與液化空氣儲(chǔ)能聯(lián)動(dòng)，可以根據(jù)電網(wǎng)用電的峰谷階段快速調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷，減少設(shè)備頻繁開停機(jī)帶來的故障風(fēng)險(xiǎn)。在電網(wǎng)用電的谷值階段增加空分裝置負(fù)荷，盡量多的生產(chǎn)液化空氣產(chǎn)品儲(chǔ)存于液化產(chǎn)品貯存裝置；在電網(wǎng)用電的峰值階段減小空分裝置負(fù)荷，使用液化產(chǎn)品貯存裝置中的液化空氣產(chǎn)品發(fā)電，向電網(wǎng)輸出電能用于電網(wǎng)調(diào)峰。該系統(tǒng)通過靈活的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式，可以連續(xù)的進(jìn)行液化空氣產(chǎn)品生產(chǎn)儲(chǔ)存能量以及氣化液化空氣產(chǎn)品釋放能量用于發(fā)電靈活的電網(wǎng)調(diào)峰。

(2)能量循環(huán)效率高

在空氣液化及精餾裝置的板翅式換熱器中，經(jīng)低溫泵增壓后的液化空氣產(chǎn)品與原料高壓空氣換熱，用于發(fā)電的液化空氣產(chǎn)品被升溫氣化，同時(shí)原料高壓空氣被降溫由氣態(tài)發(fā)生相變成為液態(tài)。通過板翅式換熱器換熱，液化空氣產(chǎn)品的深冷能轉(zhuǎn)移回收至原料高壓空氣，實(shí)現(xiàn)高品位能的直接轉(zhuǎn)移。在空氣壓縮及冷卻裝置，用于發(fā)電的高壓氣體與壓縮后的高溫原料空氣換熱，用于發(fā)電的高壓氣體被進(jìn)一步升溫提高了其發(fā)電能力。通過上述兩個(gè)換熱過程，系統(tǒng)以內(nèi)循環(huán)的方式充分回收利用了電能、熱能和深冷能，提高了系統(tǒng)能量循環(huán)效率。

(3)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外部熱源依賴高，需要外界提供過剩的能量（低品位廢熱等），同時(shí)常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)多為風(fēng)電場(chǎng)站、光伏電場(chǎng)站等新能源發(fā)電系統(tǒng)配套建設(shè)，選址及應(yīng)用場(chǎng)景具有一定的局限性。耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)空分裝置生產(chǎn)與液化空氣儲(chǔ)能聯(lián)動(dòng)，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，整體性集中，系統(tǒng)以內(nèi)循環(huán)的方式充分回收利用電能、熱能和深冷能，不需要外界提供過剩的能量；該系統(tǒng)空分裝置生產(chǎn)的液化空氣產(chǎn)品可以銷往市場(chǎng)，即使缺少液化空氣儲(chǔ)能的電網(wǎng)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)效益該系統(tǒng)也具備獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的能力，選址不受限于配套風(fēng)電場(chǎng)站、光伏電場(chǎng)站，因此該系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。

(4)經(jīng)濟(jì)效益提升

耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在低電價(jià)時(shí)段（電網(wǎng)谷值階段）可盡量多的生產(chǎn)液化空氣產(chǎn)品儲(chǔ)存，在高電價(jià)時(shí)段（電網(wǎng)峰值階段）盡量多的氣化液化空氣產(chǎn)品用于發(fā)電電網(wǎng)調(diào)峰。該系統(tǒng)不僅通過低電價(jià)時(shí)段生產(chǎn)的液化空氣產(chǎn)品提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力獲得經(jīng)濟(jì)效益，也通過高電價(jià)時(shí)段發(fā)電并網(wǎng)電網(wǎng)調(diào)峰的分時(shí)電價(jià)差獲得經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提升。

3.結(jié)論

與常規(guī)液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，本研究提出的耦合空分裝置生產(chǎn)的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，整體性集中、可靠性強(qiáng)，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活，能量循環(huán)效率高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升與應(yīng)用場(chǎng)景的推廣，實(shí)用價(jià)值有所提高，該研究經(jīng)推展改進(jìn)后可應(yīng)用于高效規(guī)模化的可再生能源儲(chǔ)存、電網(wǎng)調(diào)峰等。