壓縮氣體儲能系統熱力性能分析與優化

姚少勇，孫勁飚，李可意，李 智，洪 楊

(1.國家能源集團河北電力有限公司，河北 石家莊 050051；2.江蘇大學 工業設計系，江蘇 鎮江 212013；3.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031；4.河北省電力勘測設計技術創新中心，河北 石家莊 050031；5.華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

為實現碳達峰碳中和，確保能源電力安全、滿足經濟社會發展電力需求，我國大力推動新能源電力系統的發展。新能源電力系統具有靈活高效、智能友好、清潔低碳、開放互動、安全可控等基本特點，然而新能源電力系統的發展也存在著諸多問題，新能源發電并網具有間接性和不穩定性的特點，需要提高電網的靈活性，加重了火電機組調峰任務，不利于火電機組的安全穩定運行。

儲能技術是解決火電機組調峰的一項關鍵措施，其中壓縮氣體儲能技術在其安全穩定性和儲能效率上具有一定優勢，但是由于空氣的密度較低，導致系統效率難以進一步提升，有學者提出使用二氧化碳作為工質可有效提升系統整體效率，國內外諸多學者都參與了研究，并發表了重要成果。

在國內方面，韓中合[1]等提出了在耦合太陽能的先進壓縮空氣儲能與壓縮二氧化碳儲能在不同運行方式下對比二者工質的不同，結果表明使用二氧化碳作為工質在電能輸出時比空氣的儲能效率高；郝佳豪[2]等介紹了典型二氧化碳儲能系統的工作原理和系統性能的評價指標，并表明壓縮二氧化碳儲能技術在未來新型電力市場中有巨大的發展潛力；冉鵬[3]等將超臨界二氧化碳與壓縮空氣儲能耦合，對冷熱電聯供進行分析，結果表明，與傳統壓縮空氣儲能系統相比，所提出的系統經濟性較好，并且循環效率較高；嚴曉生[4]等提出了將壓縮二氧化碳系統與火電機組進行耦合的方案，經過熱力學計算選出了耦合的最佳方案，有效提高了機組的調峰能力；趙攀[5]等采用液壓活塞的方式提出了具備近似等溫等壓的壓縮二氧化碳儲能系統，并對其進行了熱力學分析，通過計算得出了系統的效率，熱效率和能量密度等重要參數，對后續壓縮二氧化碳儲能的研究起到了重要的實驗作用。

在國外方面，Liu[6]等采用了一種考慮到各部件相關聯性的先進?分析方法代替傳統?分析方法來分析一種新型跨臨界壓縮二氧化碳儲能系統，結果表明，傳統?分析方法可能會對設計人員造成誤導，先進?分析方法結果更實用；Zhang[7]等提出了一種低溫液態二氧化碳儲存的方式，提高系統儲存密度，通過計算得出結論，無論泵出口壓力和壓比如何變化，?損失最大的部件主要來自于壓縮機和回熱器；Zhang[8]等提出了一種跨臨界二氧化碳布雷頓循環的壓縮二氧化碳儲能，分析結果表明，跨臨界二氧化碳儲能比先進絕熱壓縮空氣儲能效率略低，但是比液態二氧化碳的系統高4.05%，能量密度是壓縮空氣儲能的2.8倍，是具有很大潛力的儲能技術；He[9]等提出了一種與熱電聯產機組耦合的壓縮二氧化碳儲能系統，通過熱力學計算得出與未耦合的原有熱電聯產機組相比，改進后的系統性能更優。

本文將壓縮空氣儲能系統進行優化分析，將工質替換為二氧化碳，并且通過熱力學分析，計算出系統在改動前后的循環效率、能量密度以及換熱效率等參數來評價兩種工質的性能。

1 系統描述

本文將壓縮氣體儲能系統中的不同工質進行對比，氣體工質為空氣與二氧化碳，采用四級壓縮機，四級膨脹機，使用循環水吸收工質壓縮產生熱量并儲存起來，膨脹時為工質做功提供所需熱量，為確保工質進入壓縮機膨脹機的壓力穩定，采用節流閥控制。為了便于對比，當系統以空氣作為介質時，壓縮機入口處空氣壓力選取和二氧化碳相同的壓力值為0.6 MPa。

如圖1所示，壓縮空氣儲能系統在儲能過程中，環境中的空氣通過加壓到0.6 MPa后進入壓縮機組進行逐級壓縮(1-2，3-4，5-6，7-8)過程以及多級間冷卻(2-3，4-5，6-7)過程，其中換熱器從左到右編號依次為A1、A2、A3，經過壓縮后的空氣儲存到高壓儲氣室中；系統在釋能過程中，空氣從高壓儲氣庫流經節流閥(10-11)后，進入膨脹機組主機膨脹(11-12，13-14，15-16，17-18)過程以及多級間加熱(12-13，14-15，16-17)過程，其中換熱器從左到右編號依次為B1、B2、B3，經過膨脹后的空氣排出到環境中。

圖1 壓縮空氣儲能系統圖

圖2為壓縮二氧化碳儲能系統，其中M表示電動機、G表示發電機、C1-C4表示4個壓縮機、T1-T4表示4個膨脹機、HS表示高壓儲氣罐、LS表示低壓儲氣罐、HT表示儲熱罐、CT表示儲冷罐。與壓縮空氣不同點在于需要新增一個低壓儲氣罐，由于二氧化碳屬于溫室氣體，如果排放到大氣當中不符合碳中和碳達峰的目標[10]。

圖2 壓縮二氧化碳儲能系統圖

圖3 系統換熱器做功參數

2 壓縮氣體儲能熱力學模型

為研究壓縮氣體儲能系統的熱力學模型需要對系統主要部件進行建模，為簡化分析將列出如下假設：

1)工作條件為穩態；

2)忽略各部件的熱損和摩擦損失；

3)未考慮管道中工質的壓降和能耗[11]；

4)假定閥門出口壓力恒定溫度恒定；

5)未考慮發電機和電動機的能量轉換效率。

根據上述假設對系統中每個部件進行建模，詳細模型如下。

2.1 壓縮機模型

壓縮機的等熵效率

式中：η表示等熵效率；h為焓值；下標c表示壓縮機；下標o和i分別表示出口和入口；下標s表示等熵過程。

本文中提到的系統有四級壓縮機，驅動所需的電力來自于電網多余的電量，各級壓縮機的功率為：

2.2 換熱器模型

本系統中包含3個中間冷卻器和3個加熱器。換熱器的熱平衡方程為：

2.3 膨脹機模型

膨脹機的等熵效率：

式中：下標t表示膨脹機。

膨脹機的功率為：

2.4 儲罐模型

與壓縮空氣不同，二氧化碳作為工質有兩個儲罐。儲罐為絕熱，工質等壓儲存。因此儲罐進出口工質流體的基本參數相同。二氧化碳作為工質是與外界環境無質量交換，故在系統充放電過程中質量守恒，質量平衡方程為：

2.5 評價指標

本文將采用以下幾種參數作為衡量系統性能的評價指標，對系統進行熱力學分析。

1)系統循環效率

系統循環效率是指系統釋能過程中輸出功比系統儲能過程中輸入功：

式中：ηret為循環效率。

2)系統換熱效率[12]

系統中換熱效率用來衡量系統熱量的利用率，其定義為系統在釋能過程中循環水通過換熱器對氣體輸出的熱量與儲能過程中循環水通過換熱器吸收氣體熱量的比值：

3)系統儲能密度[13]

系統的能量儲存密度可以定義為系統單位儲存容量所產生的能量：

式中：ρ為儲能密度；Vs為氣體儲存體積，可看作儲罐體積。

3 系統熱力學建模與分析

3.1 初始參數

本文將分別對工質為空氣與二氧化碳進行熱力學分析，表1為空氣與二氧化碳的初始參數，根據參數對兩種系統進行熱力學分析。

表1 壓縮二氧化碳/空氣系統初始參數

3.2 熱力學分析

本文使用thermoflow軟件對系統進行仿真，通過給出的工質初始狀態參數模擬得出系統的熱力學參數，根據得出的熱力學參數計算出各壓縮機耗功和各膨脹機做功數值。如表2，表3所列，可以看出壓縮二氧化碳儲能系統壓縮機耗功總和要低于壓縮空氣儲能系統，壓縮二氧化碳儲能系統膨脹機做功總和高于壓縮空氣儲能系統。由此可以看出，當以二氧化碳作為工質時，系統壓縮機總耗功減少，系統膨脹做功總量增加。

表2 壓縮二氧化碳儲能系統各壓縮機耗功和膨脹機功率

表3 壓縮空氣儲能系統各壓縮機耗功和膨脹機功率

圖3為壓縮空氣和壓縮二氧化碳的儲能側與釋能側換熱器做功對比圖，可以看出以二氧化碳作為工質時，壓縮側各換熱器所做的功均高于以空氣作為工質時壓縮側換熱器所做的功。膨脹側各換熱器做的功依然是壓縮二氧化碳儲能系統高于壓縮空氣儲能系統。所以當以二氧化碳作為工質時，循環水吸收壓縮機壓縮二氧化碳所產生的壓縮熱更多，循環水提供給膨脹側二氧化碳的熱量更多。

根據表4可以看出壓縮二氧化碳儲能系統的各項評價指標：循環效率為66.01%，換熱效率為80.66%，儲能密度為12.49 kWh/m3。根據表5可以看出壓縮空氣儲能系統的各項評價指標：循環效率為65.46%，換熱效率為53.32%，儲能密度為11.58 kWh/m3。由此可以得出當系統以二氧化碳作為工質時，以電換電效率略高于空氣，壓縮機產生的壓縮熱能夠更多的被膨脹側二氧化碳利用，儲能密度也略高于空氣。

表4 壓縮二氧化碳儲能系統性能指標

表5 壓縮空氣儲能系統性能指標

通過對兩種不同工質的對比可以看出，當系統以二氧化碳作為工質時各項指標都優于空氣，故壓縮二氧化碳儲能技術有很大的發展前景。

4 結論

本文基于壓縮空氣儲能系統，在系統運行中提出了兩種不同工質的方案，并且分別對兩種方案分析和討論了熱力性能，根據評價指標對二者進行了定論，得出的結果如下：

1)兩種工質初始條件相同的情況下，壓縮二氧化碳儲能系統的循環效率略高于壓縮空氣儲能系統。

2)壓縮二氧化碳儲能系統的換熱效率遠高于壓縮空氣儲能系統。

3)壓縮二氧化碳儲能系統的儲能密度略高于壓縮空氣儲能系統。