魏軍英，王 鵬，王吉岱，曹雪平，肖現(xiàn)坤，江 政

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微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作特性研究

魏軍英，王 鵬，王吉岱，曹雪平，肖現(xiàn)坤，江 政

（山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

為了探究微型壓縮空氣儲能的工作特性，本文通過分析微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的工作過程及原理，運用?分析法建立了系統(tǒng)儲能過程、釋能過程理論分析模型，并建立了系統(tǒng)?效率的評價模型；運用Aspen Plus軟件建立系統(tǒng)儲能子系統(tǒng)、釋能子系統(tǒng)的流程仿真模型，分析了膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度、系統(tǒng)流量等因素對膨脹機工作特性、系統(tǒng)效率的影響。仿真結(jié)果表明：增加入口壓力、膨脹初始溫度、系統(tǒng)流量和膨脹比能夠有效地增加系統(tǒng)輸出軸功；膨脹比以及膨脹初始溫度越高，系統(tǒng)效率越高，但增長速度減緩，系統(tǒng)流量對系統(tǒng)效率幾乎沒有影響。本文建立的微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學(xué)分析模型以及仿真結(jié)果能夠正確反映關(guān)鍵輸入?yún)?shù)對膨脹機輸出特性的影響規(guī)律，可為設(shè)計高效微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

微型壓縮空氣儲能；?分析法；Aspen Plus；仿真模型；膨脹機；工作特性；膨脹比；系統(tǒng)效率

近年來，隨著我國太陽能、風(fēng)能等可再生能源開發(fā)力度加大以及分布式供能和微電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，急需一種運行穩(wěn)定、容量大、儲能密度高、安全性能好的儲能技術(shù)，以解決可再生能源在并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)的沖擊和抑制微電網(wǎng)電壓和頻率的波動等問題[1-3]。壓縮空氣儲能是除抽水儲能技術(shù)之外另一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長時間儲放電的儲能技術(shù)，該技術(shù)不僅具有能量密度高、成本低、運行安全等優(yōu)點，而且受地理條件的限制較低，可以把地面上的高壓容器作為儲氣裝置[4-5]。

近年來，隨著對壓縮空氣儲能研究的不斷深入，微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)逐漸受到人們的關(guān)注，諸多國內(nèi)外研究人員對微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運行特性進行了研究。Khami等人[6]搭建了一臺微型壓縮空氣儲能試驗系統(tǒng)，研究了透平入口壓力對透平出口溫度、轉(zhuǎn)速、輸出軸功和系統(tǒng)效率的影響。Martínez等人[7]建立了微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并利用Matlab/Simulink中SimPowerSystems模塊進行了仿真分析。王成山 等[8]建立了微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)原動部分的學(xué)術(shù)模型，研究了壓縮空氣的壓力、溫度等因素對系統(tǒng)效率的影響。褚曉廣等[9]建立了基于渦旋膨脹機的微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過仿真與實驗的方法對渦旋壓縮機效率優(yōu)化控制進行了研究。Lemofouet等人[10]構(gòu)建了一個由微型壓縮空氣儲能與超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)，提出了一種系統(tǒng)最大效率跟蹤的控制方法，并通過實驗驗證了該方法的可行性。

本文通過對微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作過程進行分析，利用?分析法建立了系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究系統(tǒng)以及各系統(tǒng)關(guān)鍵部件的?損及?效率。并利用Aspen Plus軟件建立了儲能和釋能子系統(tǒng)以及整個微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的仿真模型，研究了系統(tǒng)各輸入關(guān)鍵參數(shù)對膨脹機輸出軸功、進出口溫差及對系統(tǒng)熱效率的影響。

1 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由空氣壓縮機（空壓機）、電動機、儲氣裝置、換熱器/加熱器、膨脹機、發(fā)電機以及控制和輔助系統(tǒng)（閥門、管道、壓力/溫度/流量傳感器）等[11]組成（圖1）。微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)是將用電峰谷時富余的低價位電能通過空壓機轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力能，儲存在高壓儲氣罐中；在用電高峰時，將存儲在高壓儲氣罐中的壓力能通過透平/膨脹機轉(zhuǎn)化為高價位的電能，以達到“削峰填谷”、節(jié)約電能和抑制微電網(wǎng)波動的目的[12]。微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)應(yīng)用及運行原理如圖2所示。

微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般把高壓儲氣罐和一些小型管道網(wǎng)作為儲氣裝置，系統(tǒng)加熱裝置一般為換熱器、加熱器等小型加熱裝置，甚至在一些場合不需要加熱裝置[11,13]。微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)一般選擇效率更高，體形較小、速度較低的容積式膨脹機作為動力裝置，如螺桿式膨脹機、活塞式膨脹機、渦旋式膨脹機等。微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)體積較小，便于裝拆與運輸，因此，在抑制微電網(wǎng)波動、負(fù)載側(cè)電能調(diào)配、應(yīng)急電源及壓縮空氣汽車等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用和開發(fā)潛力。

圖1 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)

圖2 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)應(yīng)用及運行原理

2 系統(tǒng)?分析及建模

微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)包括儲能子系統(tǒng)和釋能子系統(tǒng)2部分。其中儲能子系統(tǒng)包括電動機、空壓機、儲氣罐；釋能子系統(tǒng)包括儲氣罐、換熱器、減壓閥、膨脹機、發(fā)電機。本文使用?分析法對微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)各關(guān)鍵部件進行熱力學(xué)建模，分析各關(guān)鍵部件?損，從而確定整個系統(tǒng)的?損失，得出系統(tǒng)效率，對整個系統(tǒng)做出評價。

2.1 儲能階段?效能分析

2.1.1 空壓機?損分析

假設(shè)空氣為理想氣體，空氣經(jīng)過級壓縮，壓縮過程為穩(wěn)流、等熵壓縮過程。第級空壓機出口氣體的?c,以及空壓機?損c,為：

式中：c為第級空壓機的消耗功，c為壓縮空氣的質(zhì)量，c,n,in、c,n,o為第級壓縮機進、出口單位質(zhì)量氣體的焓，c,n,in、c,n,o為空壓機進、出氣口單位質(zhì)量空氣的熵，c,n,in、c,n,o為第級壓縮機氣體進、出口空氣的溫度，0為環(huán)境溫度，γ為第級壓縮機壓比，為空氣絕熱指數(shù)，g為空氣的氣體常數(shù)。

所以級空壓機?損失及壓縮機總?損c為

2.1.2 儲氣罐?損分析

微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲能和釋能階段并不同時進行，且時間間隔足夠長。因此，在釋能階段儲氣罐內(nèi)壓縮氣體的溫度、壓力都已趨于穩(wěn)定。為了簡化計算模型，做如下假設(shè)：1）儲氣罐放氣過程為絕熱過程；2）儲氣罐體積恒定，密閉性好、無漏氣；3）儲氣罐作為控制體，假定儲氣罐進氣的初、終態(tài)為平衡狀態(tài)。

儲氣罐進氣結(jié)束時剩余氣體質(zhì)量及溫度為[14]：

式中，g,1為儲氣罐中的空氣初態(tài)質(zhì)量，g,2為儲氣罐終態(tài)剩余氣體的質(zhì)量，g,1為壓縮空氣的初始壓力，g,2為終態(tài)剩余氣體壓力，g,1為氣體初態(tài)溫度，g,2為氣體終態(tài)溫度。

儲氣罐排氣總質(zhì)量g為

儲氣罐排氣初態(tài)、終態(tài)的?值g,1、g,2為：

式中，g,1、g,2為儲氣罐初、終態(tài)氣體的焓，0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量空氣的焓，0為環(huán)境溫度，g,1、g,2為初、終態(tài)單位質(zhì)量氣體的熵，0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量空氣的熵。

所以，儲氣罐的?損g即為儲氣罐的終態(tài)?，儲氣罐為系統(tǒng)提供的?值g為：

式中，c為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的定壓比熱容。

2.2 釋能階段?效能分析

2.2.1 減壓閥?損分析

式中，v1、v2為氣體減壓閥進、出口焓，v1、v2為氣體減壓閥進、出口熵，流經(jīng)減壓閥時的? 損v為

式中v1、v2為氣體減壓閥進、出口壓力。

2.2.2 換熱器?損分析

假定換熱器為穩(wěn)流系統(tǒng)，換熱器壓降為0，且空氣側(cè)與非空氣側(cè)流體符合[15]

式中，w為非空氣側(cè)流體定壓比熱容，w為非空氣側(cè)流體質(zhì)量。

換熱器空氣側(cè)吸收/提供的?值h為

式中：h1、h2為空氣側(cè)換熱器進、出口氣體的?值，h1、h2為空氣側(cè)換熱器進、出口單位質(zhì)量氣體的?值，h1、h2為空氣側(cè)換熱器進、出口單位質(zhì)量氣體的焓值，h1、h2為空氣側(cè)進、出口單位質(zhì)量氣體的熵值。

穆爾通過動物寓言故事反映人類生活，盡管它們是寓言性的，反映的是現(xiàn)實生活。穆爾在動物世界里找到了自己的生活，展示了一個豐富的自我。從文化批評的角度看，她筆下的動物大多為雌性動物或與女性有關(guān)，體現(xiàn)了詩人對女性的關(guān)懷。穆爾以嚴(yán)肅的創(chuàng)作態(tài)度描寫動物、了解動物、尊重動物。她筆下的人與動物是互補的關(guān)系。穆爾通過動物詩歌提醒我們，自然界的生靈時刻受到人類的侵?jǐn)_和控制，人類總是試圖成為大自然的主宰。穆爾明確提出，動物有著它們自己的權(quán)利，值得被尊重；人類應(yīng)該學(xué)習(xí)和模仿自然，而不是控制和征服自然。

同理，非空氣側(cè)吸收/提供的?w為

式中，w1、w2為非空氣側(cè)單位質(zhì)量流體的焓，w1、w2為非空氣側(cè)單位質(zhì)量流體的熵。

故換熱器的?損為

2.2.3 膨脹機?損分析

考慮到高壓氣體在膨脹機內(nèi)膨脹時的泄漏問題，為了簡化計算定義膨脹過程為等熵絕熱過程，引入泄漏指數(shù)，膨脹比[14]。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可求得膨脹機的輸出軸功

式中e,in、e,o為膨脹機進、出氣口氣體溫度。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律以及熵增公式，膨脹機壓縮空氣進口狀態(tài)?ein和出口?eo為：

式中，e,in、e,o為膨脹機入、出口壓力，0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓力。

膨脹機的?損失e為

2.3 系統(tǒng)?效能分析

經(jīng)分析系統(tǒng)所提供的總?為空壓機壓縮空氣提供的?c以及熱源提供的?w之和：

系統(tǒng)總?損為壓縮機?損c、儲氣罐?損g、減壓閥?損v、換熱器?損hex及膨脹機?損e之和：

系統(tǒng)利用的最終有效?即為膨脹機輸出的軸功，系統(tǒng)的?效率ex為

經(jīng)化簡得：

2.4 系統(tǒng)Aspen plus軟件建模與仿真分析

采用Apsen Plus流程模擬軟件分別對微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能子系統(tǒng)和釋能子系統(tǒng)的工作流程進行建模，結(jié)果如圖3所示。微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 Parameters of the micro compressed air energy storage system

3 膨脹機工作特性影響因素分析

膨脹機作為微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)最核心的部件，其工作特性直接影響整個系統(tǒng)效率。為了探尋影響膨脹機工作特性的關(guān)鍵因素，研究了不同膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度、系統(tǒng)流量、膨脹比對膨脹機工作特性的影響。

1）膨脹機入口壓力 選取膨脹機入口壓力e,in為0.4、0.8、1.2 MPa，在此條件下研究膨脹機初始溫度對膨脹機工作特性的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4a)與圖4b)可以看出，膨脹機進出口溫差與膨脹機輸出功都隨著膨脹機入口壓力的升高而增加，但其增加趨勢逐漸減緩，且兩者的變化趨勢幾乎一致。其原因可根據(jù)式(19)進行解釋，當(dāng)膨脹機的泄漏指數(shù)一定時，膨脹機的輸出功與進出口溫差呈線性關(guān)系，故膨脹機的輸出軸功與進出口溫差隨入口壓力升高的變化趨勢一致。

從圖4c)可以看出：當(dāng)膨脹初始溫度為20 ℃時，系統(tǒng)效率隨入口壓力的升高而降低；而當(dāng)膨脹初始溫度為100 ℃和200 ℃時，卻呈現(xiàn)了先增加后減小的趨勢。其原因為當(dāng)膨脹初始溫度為20 ℃時，膨脹機的輸出功的增加速率緩慢，小于系統(tǒng)所消耗功的增加速度，故系統(tǒng)效率逐漸減小；當(dāng)膨脹初始溫度為100 ℃和200 ℃，在入口壓力較小時，膨脹機輸出軸功增加速度大于系統(tǒng)消耗功的增加速度，隨著入口壓力的升高，輸出軸功的增速減緩，逐漸小于系統(tǒng)消耗功的增速，故出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

2）膨脹初始溫度 選取膨脹初始溫度為20、100、200 ℃情況下研究膨脹機入口壓力對膨脹機工作特性的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5a)和5b)可以看出，隨著膨脹初始溫度的不斷升高，膨脹機進出口溫差、膨脹機輸出軸功呈線性增加的趨勢，且兩者的增加趨勢幾乎一致，即如果盡量提升膨脹初始溫度，將能夠有效提高膨脹機的做功能力。從圖5c)中可以看出：當(dāng)入口壓力為0.4 MPa時，系統(tǒng)效率隨著膨脹初始溫度的升高而降低；當(dāng)入口壓力為0.8 MPa和1.2 MPa時，系統(tǒng)效率出現(xiàn)逐漸增加的趨勢。其原因為在入口壓力較低時，膨脹機的進出口溫差較小，壓縮氣體從熱源吸收的熱量未被充分利用；而當(dāng)入口壓力較高時，膨脹機進出口溫差較大，對熱量的利用更加充分。

3）系統(tǒng)流量 圖6為在一定的溫度、壓力條件下，流量對系統(tǒng)工作特性影響曲線。由圖6可以看出：流量與膨脹機輸出軸功幾乎呈線性關(guān)系，增大系統(tǒng)流量可有效增加系統(tǒng)輸出功；而對于進出口溫差的影響微乎其微。

由式(19)分析可知，在系統(tǒng)流量確定的情況下，膨脹機的進出口溫差直接決定了系統(tǒng)的輸出軸功，系統(tǒng)效率與膨脹機的進出口溫差有直接關(guān)系，因此解釋了圖6c)系統(tǒng)效率不隨系統(tǒng)流量的變化而改變的情況，即在入口壓力、溫度一定情況下，可認(rèn)為系統(tǒng)流量對系統(tǒng)效率不產(chǎn)生影響。

4）膨脹比 圖7為膨脹比對膨脹機輸出特性的影響。從圖7可以看出，在膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度和流量不變的情況下，膨脹機輸出軸功以及系統(tǒng)效率都隨膨脹比的增加而增加，其增加趨勢趨于平緩。這是由于在膨脹比較小時，壓縮空氣沒有得到充分膨脹，屬于欠膨脹狀態(tài)。因此在膨脹比較小時，隨著膨脹比的增大，輸出軸功及系統(tǒng)效率增加較快；隨著該比值的增大，壓縮空氣膨脹不充分度越來越小，則輸出功及系統(tǒng)效率的增長也越來越緩慢；膨脹比繼續(xù)增大，膨脹機出口狀態(tài)由欠膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)檫^膨脹，且過膨脹度逐漸增加，由過膨脹造成的膨脹機倒吸現(xiàn)象也越來越突出，造成膨脹機的輸出軸功增長異常緩慢。

圖7 膨脹比對膨脹機輸出特性的影響

4 結(jié) 論

1）膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度對膨脹機進出口溫差的影響較大，而系統(tǒng)流量對進出口溫差幾乎無影響。

2）膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度、系統(tǒng)流量、膨脹比等對膨脹機輸出軸功均有很大影響。其中，膨脹初始溫度、系統(tǒng)流量對輸出軸功的影響幾乎呈線性。

3）膨脹機入口壓力、膨脹初始溫度和膨脹比對系統(tǒng)效率的影響較大，在不同條件下呈現(xiàn)出不同的影響規(guī)律。而系統(tǒng)流量對系統(tǒng)效率幾乎無影響。

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Working characteristics of micro compressed air energy storage system

WEI Junying, WANG Peng, WANG Jidai, CAO Xueping, XIAO Xiankun, JIANG Zheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

By analyzing working process and principle of the miniature compressed air energy storage system, exergy analysis method was applied to establish a theoretical analysis model for energy storage process and energy release process. Moreover, an evaluation model of the exergy efficiency of the system was build up. The process simulation model of energy storage subsystem and energy release subsystem was established by using the Aspen Plus software, and the effects of inlet pressure, initial expansion temperature, system flow rate and other factors on performance of the expander and the system efficiency were analyzed. The simulation results show that, increasing the inlet pressure, initial expansion temperature, system flow rate and expansion ratio can effectively increase the output shaft work of the system. The higher the expansion ratio and the initial expansion temperature, the higher the efficiency of the system, but the slower the growth rate. The system flow rate has little effect on the system efficiency. The above thermodynamic analysis model of micro compressed air energy storage system and simulation results can correctly reflect the influence law of key input parameters on the output characteristics of the expander, which can provide a theoretical basis for design of efficient micro compressed air energy storage systems.

micro compressed air energy storage, exergy analysis method, Aspen Plus, simulation model, expander, working characteristics, expansion ratio, system efficiency

Science and Technology Research Program for Colleges and Universities in Shandong Province (J18KA049)

TK02

A

10.19666/j.rlfd.201807151

魏軍英, 王鵬, 王吉岱, 等. 微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作特性研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 28-34. WEI Junying, WANG Peng, WANG Jidai, et al. Study on the working characteristics of micro-compressed air energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 28-34.

2018-07-23

山東省高?？蒲杏媱濏椖?J18KA049)

魏軍英(1973—)，女，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向為壓縮空氣儲能技術(shù)，jdwjy0726@163.com。

（責(zé)任編輯 劉永強）