不同環境參數對300 MW 壓縮空氣儲能系統運行的影響

黃 焰，王新超，徐志強

（1.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，南京 211102；2.中能建數字科技集團有限公司，北京 100124）

風電和光伏發電等新能源電力系統裝機容量的快速增長給電網的穩定性和安全性帶來了挑戰[1]。壓縮空氣儲能（CAES）技術具有成本低、容量大、效率高的特點，具有良好的發展前景[2]。

多位學者針對CAES 系統進行研究，以得到提高CAES 系統性能的方法。李揚等[2]提出采用閥門與減壓容器相結合的方法控制膨脹機入口壓力，并驗證此方法可以平滑調控膨脹機入口壓力。郭歡等[3]建立了10 MW的CAES 熱力學模型，對其變工況特性進行了分析，發現采用滑壓運行時系統效率比定壓運行高2.08%。羅予澤等[4]建立了70 MW 的CAES 系統，提出了基于模糊控制的CAES 系統調頻方法，有效降低了系統波動時的頻率偏移量，改善了系統的動態性能。楊緒青等[5]提出了一種集成CAES 系統與吸收式熱泵系統的熱電聯產系統，新的集成系統可以額外輸出5.8 MW 的供熱功率，效率和循環效率分別提高了1.87%和29.96%。虞啟輝等[6]基于風能不確定條件建立了CAES系統容量配置優化模型，并通過多場景案例進行了驗證，表明該方法可以有效減少棄風量、節約購電成本。

本文基于MSP 平臺建立了300 MW 的CAES 系統仿真模型，分析環境溫度和濕度對CAES 系統運行性能的影響，為CAES 系統的運行提供指導。

1 系統簡介

CAES 系統流程如圖1 所示。儲能過程中，空氣依次經過壓縮機和間冷器后，儲存在儲氣室中，同時，來自冷罐的水吸收壓縮熱后進入熱罐，此過程中，電能被轉化為壓力能和熱能。釋能過程中，儲氣室中的高壓空氣依次經過再熱器和膨脹機做功，同時，熱罐中的水在再熱器中放出熱量后進入冷罐，此過程中，壓力能和熱能被轉化為電能。

圖1 壓縮空氣儲能系統

CAES 系統的設計參數見表1。

表1 300 MW 壓縮空氣儲能系統設計參數

2 系統模型

2.1 熱力學模型

利用多學科仿真平臺（MSP）建立了CAES 系統熱力學模型。

2.1.1 壓縮機

壓縮機耗功為

式中：Wc為壓縮機耗功，kW；Gc，out為壓縮機出口質量流量，kg/s；hc，in和hc，out分別為壓縮機進出口比焓，kJ/kg。

2.1.2 膨脹機

膨脹機做功為

式中：Wt為膨脹機耗功，kW；Gt，out為膨脹機出口質量流量，kg/s；ht，in和ht，out分別為膨脹機進出口比焓，kJ/kg。

2.1.3 換熱器

基于能量守恒建立換熱器模型為

式中：G為質量流量，kg/s；h為比焓，kJ/kg；下標hot 和cold 分別表示熱側和冷側；下標in 和out 分別表示進口和出口。

2.1.4 儲氣室

儲氣室質量平衡為

式中：ρ 為儲氣室空氣密度，kg/m3；V為儲氣室體積，m3；Gin和Gout分別為進氣和出氣流量，kg/s。

2.1.5 閥門

閥門的流通能力計算公式為

式中：ΔP為閥門進出口壓差，kPa；ρin為閥門入口工質密度，kg/m3。

2.2 模型驗證

當地的環境平均溫度為16 ℃，濕度為79%，對比了此環境參數下儲能階段的儲氣室壓力的仿真值和設計值，結果如圖2 所示。儲能過程中，儲氣室壓力的仿真值與設計值的相對誤差始終保持在1%以內，表明本文所建立的模型具有較高精度，能夠滿足工程計算需求。

圖2 模型驗證結果

3 環境參數對系統的影響

環境參數的變化會對CAES 系統的運行造成較大影響，本文對不同環境參數下的CAES 系統壓縮過程的性能展開研究。選取空氣溫度的變化范圍為5~35 ℃，空氣濕度的范圍為45%~90%。

CAES 系統的壓縮過程采用滑壓運行模式，前3 級壓縮機為定頻運行，第4 級壓縮機為變頻運行，通過改變壓縮機頻率，使整個壓縮過程的壓縮機入口流量保持不變。

3.1 壓縮機入口空氣溫度

為分析空氣溫度對CAES 系統運行的影響，保持空氣相對濕度為75%，分別在空氣溫度為5、15、25 和35 ℃的情況下，模擬CAES 系統壓縮過程。各級壓縮機入口質量流量見表2，壓縮過程中系統的壓縮機總功率和各級壓縮機功率的變化分別如圖3 和圖4 所示。

表2 不同空氣溫度下各級壓縮機入口質量流量

圖3 不同空氣溫度下壓縮過程壓縮機總功率

圖4 不同空氣溫度下壓縮過程各級壓縮機功率

空氣溫度分別為5、15、25 和35 ℃時，壓縮過程時間分別為28 653、28 760、28 949 和29 303 s?？諝庀鄬穸缺３植蛔儠r，空氣溫度增大會導致壓縮過程時間增大，原因是空氣溫度增大使空氣飽和絕對濕度增大，在相對空氣濕度保持不變的情況下，空氣溫度越高，空氣絕對濕度越大，即空氣中水蒸氣含量越大，由于壓縮機入口空氣質量流量始終為231 kg/s，水蒸氣含量大會導致進入儲氣室的空氣質量流量減小，壓縮過程時間增大。空氣溫度的變化會影響壓縮過程中壓縮機總功率和各級壓縮機功率：空氣溫度增大，壓縮機1 功率增大，壓縮機2 功率減小，壓縮機3 功率減小，壓縮機4功率增大，壓縮機總功率增大。原因是壓縮機1 入口質量流量相等，隨空氣溫度增大，壓縮機1 壓比減小，壓縮機1 功率增大；隨空氣溫度增大，壓縮機2 入口質量流量減小，壓縮機2 入口溫度增大，壓縮機2 壓比減小，壓縮機2 功率減??；隨空氣溫度增大，壓縮機3 入口質量流量減小，壓縮機3 入口溫度基本不變，壓縮機3 壓比減小，壓縮機3 功率減小；壓縮機4 入口質量流量減小，壓縮機4 入口溫度減小，壓縮機4 壓比增大，壓縮機4 功率增大。

3.2 壓縮機入口空氣濕度

為分析空氣濕度對CAES 系統運行的影響，保持空氣溫度為15 ℃，分別在空氣濕度為45%、60%、75%和90%的情況下，模擬CAES 系統壓縮過程。各級壓縮機入口質量流量見表3，壓縮過程中系統的壓縮機總功率和各級壓縮機功率的變化分別如圖5 和圖6所示。

表3 不同空氣濕度下各級壓縮機入口質量流量

圖5 不同空氣濕度下壓縮過程壓縮機總功率

圖6 不同空氣濕度下壓縮過程各級壓縮機功率

空氣濕度分別為45%、60%、75%和90%時，壓縮過程時間分別為28 667、28 717、28 760 和28 788 s。空氣溫度保持不變時，空氣濕度增大會導致壓縮過程時間增加，但影響較小，可忽略不計，原因是濕度增大使水蒸氣占空氣質量的比例增大，但水蒸氣占空氣質量的比例極小，濕度變化對空氣質量流量的影響極小，壓縮過程中空氣的質量流量維持在231 kg/s，不同空氣濕度下壓縮過程時間可視為保持不變。空氣濕度的變化會影響壓縮過程中壓縮機總功率和各級壓縮機功率：隨空氣濕度增大，壓縮機1 功率增大，壓縮機2 功率增大，壓縮機3 功率減小，壓縮機4 功率不變。其中，空氣濕度變化對壓縮機2 功率的影響最大，導致壓縮機總功率隨濕度增大而增大。原因是在其他條件不變的情況下，隨空氣濕度增大，空氣的氣體常數和比容增大，壓縮機1 耗功增大，同時，濕度增大使空氣的比熱容減小，導致間冷器1 的空氣出口溫度增大，導致壓縮機2功率顯著增大。間冷器2 中，由于空氣通過汽水分離器排出了部分水，空氣質量流量減小，且空氣濕度越大空氣質量流量減小量越大，因此不同空氣濕度下壓縮機3 入口溫度接近，壓縮機3 的功率變化量較小。

4 結論

本文基于MSP 平臺建立300 MW 的CAES 系統模型，針對環境因素變化對系統性能的影響展開了研究，得出結論如下。

1）空氣相對濕度保持不變，隨空氣溫度增大，壓縮機總功率增大，壓縮過程時間增大。

2）空氣溫度保持不變，隨空氣濕度增大，壓縮機總功率增大，壓縮過程時間增大且變化幅度極小。

本文的研究結論對了解環境因素對CAES 系統性能的影響和開展進一步的優化研究具有一定的參考意義。