鄭澳輝 ，曹崢 ，徐玉杰 ，陳海生 ，鄧建強(qiáng)

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190）

淡水不僅是人類生存生活的基本需要，更是各種加工工業(yè)的關(guān)鍵原料。隨著全球人口的增長(zhǎng)和環(huán)境的惡化，淡水資源日趨緊張，水資源短缺成為全球性的挑戰(zhàn)。預(yù)計(jì)到2025年，世界上近2/3的人將生活在用水緊張的國(guó)家[1]。

隨著地下淡水資源的減少，淡水整體水位的下降，地下淡水資源的獲取難度增大。同時(shí)，海水淡化技術(shù)日趨成熟，為獲取淡水提供了一種新的思路。海水淡化主要可以分為兩種：熱法和膜法。熱法主要有多級(jí)閃蒸、普通多效蒸發(fā)和熱力壓縮耦合的多效蒸發(fā)技術(shù)，膜法則以反滲透海水淡化(reverse osmosis，RO)為主。相比于熱法，膜法具有易于操作、經(jīng)濟(jì)性好、不需要化學(xué)添加劑、生產(chǎn)效率高、不需要相變和脫鹽能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，是一種高效的水處理方法。作為更受歡迎和成本效益更好的脫鹽技術(shù)，反滲透海水淡化系統(tǒng)在全球海水淡化市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，占現(xiàn)有海水淡化廠的85%[3]。

目前，反滲透海水淡化系統(tǒng)主要以電能驅(qū)動(dòng)水泵的方式實(shí)現(xiàn)脫鹽。因此，系統(tǒng)對(duì)電力資源的依賴性強(qiáng)，一方面會(huì)受到電能供給的影響，在用電高峰期成本較高。另外一方面，電能的使用會(huì)導(dǎo)致更多溫室氣體的排放，加重環(huán)境負(fù)擔(dān)[4]。而儲(chǔ)能技術(shù)則能較好地解決電力成本波動(dòng)的問(wèn)題，在電價(jià)低廉時(shí)儲(chǔ)能，在電價(jià)昂貴時(shí)釋能，同時(shí)可以充分利用夜晚電廠過(guò)剩的電能，減少白天的電負(fù)荷，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰有重要意義[5]。

目前，電力儲(chǔ)能方法有電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等[6]。其中，壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能是較適用于大容量和長(zhǎng)期蓄能的儲(chǔ)能系統(tǒng)[7]。而相比于抽水蓄能，壓縮空氣儲(chǔ)能具有低設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)成本，更少的地理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮空氣儲(chǔ)能具有廣泛的應(yīng)用前景和更高的應(yīng)用潛力。

傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)存在依賴燃料、效率低等缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得到了多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(adiabatic compressed air energy storage system，ACAES)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、等壓壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等[8]。通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)模型進(jìn)行絕熱理想化，取消燃燒室，增加冷熱儲(chǔ)罐，可以得到絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)能夠在膨脹階段利用壓縮階段回收的熱量，具有不消耗化石燃料、效率高、模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)以電能輸入，以電能輸出；傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)以電能輸入，二者耦合提供了一種新的用能方式。然而，反滲透海水淡化系統(tǒng)的能量輸入和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量輸出特性不一致，目前尚未見(jiàn)二者之間的匹配和集成特性研究，其耦合系統(tǒng)的運(yùn)行性能亟需探索。本文以絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用其釋能階段膨脹機(jī)輸出的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，通過(guò)能量配比分析，提出了耦合系統(tǒng)新構(gòu)型，建立了仿真模型，模擬了系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的性能，并與傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行比較，獲得了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。研究對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在反滲透海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論參考。

1 系統(tǒng)描述

圖1為將壓縮空氣儲(chǔ)能和反滲透海水淡化集成的耦合系統(tǒng)，即壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的膨脹階段不再輸出電能，而是利用膨脹機(jī)直接輸出機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)中的海水泵，對(duì)海水增壓，使海水透過(guò)反滲透膜脫鹽淡化。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of the hybrid system

在壓縮空氣儲(chǔ)能模塊，壓縮機(jī)組共分為4級(jí)壓縮機(jī)，定壓運(yùn)行，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，背壓設(shè)定為儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣的充能結(jié)束壓力，每一級(jí)壓縮機(jī)后都有一級(jí)換熱器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。膨脹機(jī)組共分為5級(jí)膨脹機(jī)，定壓運(yùn)行，進(jìn)氣壓力設(shè)定為儲(chǔ)罐的釋能結(jié)束壓力，每一級(jí)膨脹機(jī)前都有一級(jí)換熱器對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。被壓縮后的高壓空氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐中，氣體儲(chǔ)罐前后各有一個(gè)節(jié)流閥。儲(chǔ)能階段，壓縮后的空氣經(jīng)罐前節(jié)流閥降壓后進(jìn)入儲(chǔ)罐，釋能階段，儲(chǔ)罐中氣體經(jīng)罐后節(jié)流閥降壓后進(jìn)入膨脹機(jī)組。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)用作換熱介質(zhì)的水分別存儲(chǔ)在熱罐和冷罐中。

在反滲透海水淡化系統(tǒng)中，高壓泵所消耗的能量約占總體能耗的80%[10]?？紤]到在膨脹階段，各級(jí)膨脹機(jī)膨脹比相同，輸出功率也基本相同。因此，讓前4級(jí)膨脹機(jī)分別與4個(gè)高壓泵(highpressure pump，HP)同軸相連，第5級(jí)膨脹機(jī)與提升泵(booster pump，BP)同軸相連，以滿足兩個(gè)系統(tǒng)間的能量輸入輸出配比關(guān)系。

反滲透海水淡化系統(tǒng)主要包含高壓泵、提升泵、能量回收裝置(energy recovery device，ERD)和反滲透膜組件。能量回收裝置用于回收鹵水中的壓力能，將一部分海水進(jìn)行增壓。提升泵用于將這部分海水進(jìn)一步增壓，達(dá)到反滲透膜的工作壓力。而高壓泵用于將另一部分海水直接加壓至工作壓力。兩部分高壓海水混合后進(jìn)入反滲透膜組件內(nèi)，被分離為淡水和鹵水。

系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)工作循環(huán)分為三個(gè)階段：壓縮充能階段、靜置階段、膨脹釋能階段。充能階段在夜晚運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組運(yùn)行，將廉價(jià)且富足的電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)罐中空氣的壓力能；靜置階段，只有儲(chǔ)罐存在和外界環(huán)境的換熱，系統(tǒng)無(wú)其他能量輸入輸出；釋能階段在白天運(yùn)行，儲(chǔ)罐中的高壓空氣驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)組運(yùn)行，膨脹機(jī)將機(jī)械能傳遞給海水泵，驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化模塊運(yùn)行，生產(chǎn)淡水。整個(gè)工作循環(huán)在一天內(nèi)完成，充能階段和釋能階段時(shí)間均由模擬過(guò)程計(jì)算得出，靜置階段在充能階段之后，時(shí)間取決于充能階段的時(shí)長(zhǎng)，兩個(gè)階段總時(shí)長(zhǎng)為定值12 h。

2 系統(tǒng)建模

2.1 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)組中的各級(jí)壓縮機(jī)壓比相同，由機(jī)組背壓計(jì)算得出。每一級(jí)壓縮機(jī)消耗的功率Wc及等熵效率ηc分別表示為

式中，m?c為壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量；hout,c和hin,c分別為壓縮機(jī)的出口比焓和入口比焓；hout,s,c為以等熵過(guò)程壓縮到相同背壓時(shí)的出口比焓。

由于壓縮機(jī)在工作時(shí)，并非只工作在額定工況，因此需要考慮變工況條件下的壓縮機(jī)工作模型。文獻(xiàn)[11]提出了一系列通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)估算離心式和軸流式壓縮機(jī)變工況性能的公式。

實(shí)際工況下的壓縮比和額定壓比之間的關(guān)系可以表示為

壓縮機(jī)的實(shí)際工況等熵效率和額定等熵效率之間的關(guān)系可以表示為

參數(shù)c1、c2、c3可以分別表示為

在這里，m'c和n'c分別為壓縮機(jī)實(shí)際工況點(diǎn)下的氣體質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速，分別表示為

在上述表達(dá)式中的p和q為涉及壓縮機(jī)性能曲線的參數(shù)，p=1.8，q=1.8。

2.2 膨脹機(jī)模型

膨脹機(jī)組中的各級(jí)膨脹機(jī)膨脹比相同，由機(jī)組進(jìn)氣壓力計(jì)算得出。膨脹機(jī)輸出的功率We及等熵效率ηe分別表示為

式中，m?t為膨脹機(jī)的空氣質(zhì)量流量；hout,t和hin,t分別為膨脹機(jī)的出口比焓和入口比焓；hout,s,c為以等熵過(guò)程膨脹到相同出口壓力時(shí)的出口比焓。

同時(shí)考慮到膨脹機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)存在非額定工況點(diǎn)，這里采用了文獻(xiàn)[12]給出的變工況計(jì)算方程式。

經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)氣體的質(zhì)量流量和額定工況下的氣體質(zhì)量流量之比可以表示為

膨脹機(jī)實(shí)際工況下的運(yùn)行效率和額定效率之比可以表示為

在這里，實(shí)際工況的氣體質(zhì)量流量和額定效率可以由下式計(jì)算

2.3 換熱器模型

根據(jù)能量守恒，換熱量表示為

式中，若Q>0，表示熱量由空氣傳遞給水，換熱器為壓縮階段的冷卻器。反之，為膨脹階段的預(yù)熱器。在本文中，換熱器均視為逆流，采用ε-NTU模型。

其中，ε為換熱器的效率；KAhx為換熱器換熱系數(shù)和換熱面積的乘積，取值為329320。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，氣體通過(guò)換熱器壓降設(shè)定為0.02 MPa。

2.4 氣體儲(chǔ)罐模型

根據(jù)質(zhì)量守恒與能量守恒，可以得到儲(chǔ)罐內(nèi)氣體質(zhì)量和壓力變化的動(dòng)態(tài)模型

式中，m?為空氣質(zhì)量流量，壓縮階段為正值，膨脹階段為負(fù)值；u為單位質(zhì)量空氣的內(nèi)能；M為儲(chǔ)罐內(nèi)的空氣質(zhì)量；M0為儲(chǔ)罐內(nèi)空氣初始質(zhì)量；hair,f為進(jìn)入或離開(kāi)儲(chǔ)罐的空氣比焓；ktank為儲(chǔ)罐內(nèi)空氣與環(huán)境的總傳熱系數(shù)，50 W/(m2·K)；Atank為儲(chǔ)罐與外界環(huán)境的換熱面積，即為儲(chǔ)罐的表面積；t為時(shí)間。

2.5 節(jié)流閥模型

節(jié)流閥前后氣體的焓相等

2.6 反滲透海水淡化模型

對(duì)于膜反滲透工藝，泵的功率可以表示為

其中P和Q分別為海水的壓力和體積流量；ηpump為泵的效率。

SEC(specific energy consumption)表示產(chǎn)生單位體積淡水消耗的能量，即淡水生產(chǎn)比能耗。整個(gè)反滲透海水淡化模塊的SEC也即所有泵的總能耗。對(duì)于其中某個(gè)泵，SEC定義為

對(duì)于高壓泵和提升泵，SEC分別表示為[14]

其中，η為效率，對(duì)應(yīng)下標(biāo)E、BP、HP分別代表能量回收裝置、提升泵和高壓泵；β為能量回收裝置的混合率，取0.01；Rt為脫鹽率，Rt=1-cp/cb，cp為淡水的含鹽量，cb為海水的含鹽量；Y為RO中膜組件的淡水回收率，即通過(guò)膜組件后得到的淡水流量與進(jìn)入膜組件的海水流量之比；π0為海水的滲透壓。

因此，對(duì)于RO模塊，淡水生產(chǎn)比能耗為提升泵和4個(gè)高壓泵的能耗總和

2.7 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能用系統(tǒng)淡水生產(chǎn)比能耗和系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量來(lái)評(píng)估。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，淡水生產(chǎn)比能耗SECsys可以表示為

其中，Wc為壓縮階段壓縮機(jī)組的總輸入功率；We為膨脹階段膨脹機(jī)組的總輸出功率。

一個(gè)工作循環(huán)的淡水產(chǎn)量表示為

2.8 經(jīng)濟(jì)性分析模型

整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)淡水的成本包含設(shè)備投資的固定成本和系統(tǒng)工作的運(yùn)行成本。

設(shè)備投資的總成本TIC(total investment cost)表示為

式中，IC指每個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的投資成本(investment cost)，具體計(jì)算式見(jiàn)表1[15-16]。

表1 設(shè)備投資成本Table 1 Investment cost(IC)calculation of components

其中，ma為壓縮機(jī)的額定氣體質(zhì)量流量，10 kg/s；We為膨脹機(jī)的額定功率；Ahx為換熱器的換熱面積，66 m2；Vst為儲(chǔ)罐的體積，氣體儲(chǔ)罐為5000 m3，儲(chǔ)熱罐和儲(chǔ)冷罐的體積隨設(shè)計(jì)工況點(diǎn)變化，由模擬過(guò)程計(jì)算得出；Qin為RO模塊的海水進(jìn)水流量。

系統(tǒng)工作的運(yùn)行成本主要為輸入的電能，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的用電成本表示為

其中，cvalley為夜晚的低谷電價(jià)，取值為17.5 USD/GJ[13]。

考慮系統(tǒng)10年的運(yùn)行壽命，折算系統(tǒng)設(shè)備投資的固定成本，可以得到淡水生產(chǎn)的成本UP(unit price)為

3 模擬結(jié)果與討論

在本文的分析中，忽略了管道中的損失，基于直接相連設(shè)備間的質(zhì)量和能量傳遞關(guān)系，建立了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模型的時(shí)間步長(zhǎng)為20 s，采用經(jīng)典龍格庫(kù)塔算法進(jìn)行求解。儲(chǔ)能時(shí)間與釋能時(shí)間根據(jù)儲(chǔ)罐壓力范圍的不同，由仿真模擬過(guò)程計(jì)算得出。

耦合系統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能和反滲透海水淡化由兩部分組成，其中壓縮空氣儲(chǔ)能模塊氣體儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)體積為5000 m3，最大設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣壓力為12 MPa。反滲透海水淡化模塊的最大設(shè)計(jì)淡水產(chǎn)量為單日20000 m3。系統(tǒng)內(nèi)其余各部件的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。此外，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)與儲(chǔ)罐的充能釋能結(jié)束壓力有關(guān)，如壓縮機(jī)的壓比與膨脹機(jī)的膨脹比，根據(jù)儲(chǔ)罐的充能釋能結(jié)束壓力計(jì)算得出。

表2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 System design parameters

3.1 耦合系統(tǒng)的構(gòu)型分析及設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)式(23)、(24)及(25)，可知RO模塊中高壓泵與提升泵的能耗是反滲透膜組件淡水回收率Y的函數(shù)，由此計(jì)算得到其能耗的變化趨勢(shì)。淡水回收率越高，經(jīng)過(guò)反滲透膜組件產(chǎn)生的淡水越多，鹵水越少，因此經(jīng)過(guò)提升泵的海水流量占比越小，提升泵的能耗占比越小，高壓泵的能耗占比越大，反之亦然。由此可知，隨著淡水回收率的增加，提升泵的能耗占所有海水泵的總能耗比例逐漸下降，如圖2中提升泵能耗占比曲線所示。當(dāng)?shù)厥章试?.2～0.3范圍內(nèi)時(shí)，RO模塊的海水泵總能耗存在最低值。而在本壓縮空氣儲(chǔ)能模塊中，膨脹機(jī)組為等膨脹比運(yùn)行，每一級(jí)的膨脹機(jī)輸出功基本相同，約占?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能總輸出功的20%，絕對(duì)值約為600 kW。文獻(xiàn)[17]中提到，海水泵的流量可達(dá)430 m3/h，功率為兆瓦級(jí)，因此，考慮第五級(jí)膨脹機(jī)的輸出能量直接供給一臺(tái)提升泵，其余各級(jí)膨脹機(jī)的輸出能量各供給一臺(tái)并聯(lián)的高壓泵。在這種能量分配模型下，當(dāng)提升泵的能耗占比與第五級(jí)膨脹機(jī)的輸出功率占比相同時(shí)，恰好滿足第五級(jí)膨脹機(jī)的輸出能量全部供給提升泵，其余四級(jí)膨脹機(jī)的輸出能量全部供給高壓泵，即兩個(gè)系統(tǒng)模塊耦合的能量匹配點(diǎn)，如圖2中提升泵能耗曲線和第五級(jí)膨脹機(jī)輸出占比曲線的交點(diǎn)。由此可以得到膜組件的淡水回收率Y，確定反滲透模塊的工況點(diǎn)。

圖2 淡水回收率對(duì)海水泵能耗及能耗占比的影響Fig.2 The effect of Y on SEC and power percentage

壓縮空氣儲(chǔ)能模塊中機(jī)組的額定壓比和額定功率隨壓縮機(jī)組背壓的不同而改變。壓縮機(jī)組工作時(shí)，采用定壓模式運(yùn)行，背壓即為儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力。根據(jù)背壓的不同，壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)如表3所示。

表3 不同機(jī)組背壓時(shí)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of compressor in different back pressure

膨脹機(jī)組工作時(shí)，同樣采用定壓模式運(yùn)行，進(jìn)氣壓力即為儲(chǔ)罐的釋能結(jié)束壓力。根據(jù)進(jìn)氣壓力的不同，膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)額定膨脹比和額定功率如表4所示。

表4 不同進(jìn)氣壓力時(shí)膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of expander in different intake pressure

3.2 儲(chǔ)罐充能釋能結(jié)束壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

儲(chǔ)罐充能釋能結(jié)束壓力分別代表儲(chǔ)罐儲(chǔ)能壓力范圍的上限與下限。充能結(jié)束壓力(end pressure of charge，EPC)也即儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣的最高壓力表示儲(chǔ)罐能夠儲(chǔ)存空氣的壓力能多少，釋能結(jié)束壓力(end pressure of discharge，EPD)也即儲(chǔ)氣的最低壓力代表系統(tǒng)釋能的完全程度。充能結(jié)束壓力越高，儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的壓力能越多；釋能結(jié)束壓力越低，釋能越完全。兩者的差值(EPC-EPD)即為儲(chǔ)罐的實(shí)際儲(chǔ)氣壓力范圍，代表系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量的多少。在研究?jī)?chǔ)罐充能釋能結(jié)束壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響時(shí)，環(huán)境氣體溫度設(shè)定為25℃，海水溫度設(shè)定為18℃。

對(duì)于每一個(gè)工況點(diǎn)，充能結(jié)束壓力和釋能結(jié)束壓力都在變化，根據(jù)每一個(gè)工況點(diǎn)的充能結(jié)束壓力和釋能結(jié)束壓力，依據(jù)等壓比或等膨脹比計(jì)算壓縮機(jī)組的額定壓比和膨脹機(jī)組的額定膨脹比，得到整個(gè)系統(tǒng)的額定工作參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充能-靜置-釋能這三個(gè)階段的動(dòng)態(tài)模擬，得到釋能階段的輸出特性。在3.1節(jié)中耦合系統(tǒng)能量配比分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)ACAES第五級(jí)膨脹機(jī)的能量輸出占比，確定RO系統(tǒng)的淡水回收率，最后計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)比能耗和系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)的淡水產(chǎn)量。在充能釋能結(jié)束壓力變化時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)算流程框圖如圖3所示。

圖3 不同充釋能結(jié)束壓力的計(jì)算流程框圖Fig.3 Schematic of solution procedure with different EPC and EPD

如圖4所示，在不同的充能結(jié)束壓力下，隨著儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值的升高，系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力升高時(shí)，儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氣壓力范圍(EPC-EPD)變窄，系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)能夠儲(chǔ)存的能量減少，能夠生產(chǎn)的淡水也隨之減少。但是，當(dāng)EPC≥9 MPa時(shí)，相比于儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力為4 MPa，釋能結(jié)束壓力為3 MPa時(shí)的淡水產(chǎn)量不升反降，出現(xiàn)與總體趨勢(shì)相悖的情況。這同樣是因?yàn)榕蛎洐C(jī)組的額定進(jìn)氣壓力減小，使得儲(chǔ)罐高壓氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓至額定進(jìn)氣壓力的損失過(guò)大，反而導(dǎo)致儲(chǔ)能增多時(shí)，淡水產(chǎn)量減少的現(xiàn)象。

圖4 儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力對(duì)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量的影響Fig.4 The effect of end pressure of discharge on Vcycle

如圖5所示，在不同的儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力值下，隨著儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值的升高，系統(tǒng)生產(chǎn)淡水的比能耗呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。并且，在所有模擬的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)中，當(dāng)釋能結(jié)束壓力為5 MPa時(shí)，淡水生產(chǎn)比能耗出現(xiàn)最低值，約為3.6 kW·h/m3。一方面，在儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力一定時(shí)，隨著儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力的增加，儲(chǔ)罐的充能釋能結(jié)束壓力之差(EPC-EPD)也即儲(chǔ)氣壓力范圍變小，系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)能夠儲(chǔ)存的能量減少，但系統(tǒng)靜置階段儲(chǔ)罐與環(huán)境之間換熱導(dǎo)致儲(chǔ)罐溫度壓力降低所引起的能量損失幾乎不變。這部分損失對(duì)系統(tǒng)的不利影響更加顯著。另外一方面，隨著儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力的減小，膨脹機(jī)組的額定進(jìn)氣壓力相應(yīng)減小，使得儲(chǔ)罐高壓氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓至額定進(jìn)氣壓力的損失增加。這兩種因素共同作用使系統(tǒng)存在最優(yōu)的儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值，淡水生產(chǎn)的比能耗最小。

圖5 儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力對(duì)淡水生產(chǎn)比能耗的影響Fig.5 The effect of end pressure of discharge on SECsys

3.3 季節(jié)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在研究季節(jié)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響時(shí)，儲(chǔ)罐的釋能結(jié)束壓力值設(shè)定為5 MPa。季節(jié)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在環(huán)境溫度（包含氣體溫度與海水溫度）變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響上。環(huán)境氣體作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作介質(zhì)，溫度變化影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。海水作為海水淡化的原料，溫度變化影響反滲透膜對(duì)海水的透過(guò)性。考慮某地區(qū)的冬季氣溫為0℃，海水溫度為2℃，夏季氣溫為40℃，海水溫度為27℃。對(duì)于某一時(shí)間的氣溫Tair，利用線性差值法確定海水溫度Tsea。即

當(dāng)季節(jié)氣候發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)工況點(diǎn)的環(huán)境溫度均不同。根據(jù)環(huán)境氣體的實(shí)際溫度，確定ACAES模塊的非額定工況點(diǎn)。在充能結(jié)束壓力不同時(shí)，依據(jù)3.2節(jié)中的計(jì)算流程進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充能——靜置——釋能這三個(gè)階段的動(dòng)態(tài)模擬，得到釋能階段的輸出特性。在3.1節(jié)中耦合系統(tǒng)能量配比分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)ACAES第五級(jí)膨脹機(jī)的能量輸出占比，確定RO系統(tǒng)的淡水回收率。此時(shí)考慮海水溫度變化對(duì)RO系統(tǒng)性能的影響，計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)比能耗和系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)的淡水產(chǎn)量。在環(huán)境溫度變化時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)算流程框圖如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境溫度的計(jì)算流程框圖Fig.6 Schematic of solution procedure with different ambient temperature

由圖7可以看出，隨著環(huán)境氣體溫度的升高，系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量逐漸增加。在儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力一定時(shí)，相比于冬季低溫環(huán)境(環(huán)境氣溫0℃)，夏季高溫環(huán)境(環(huán)境氣溫40℃)下系統(tǒng)一個(gè)循環(huán)的淡水產(chǎn)量能夠提高約30%。這是因?yàn)楹Ｋ疁囟壬邥r(shí)，水分子的黏度降低，在相同工況條件下，更容易透過(guò)反滲透膜產(chǎn)生淡水，系統(tǒng)消耗的能量也越少。

圖7 環(huán)境溫度對(duì)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量的影響Fig.7 The effect of ambient temperature on Vcycle

如圖8所示，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)生產(chǎn)淡水的比能耗逐漸降低。相比于冬季低溫環(huán)境(環(huán)境氣溫0℃)，夏季高溫環(huán)境(環(huán)境氣溫40℃)下淡水生產(chǎn)的比能耗降低約30%，由此可以看出，季節(jié)(環(huán)境溫度)對(duì)系統(tǒng)性能有較為顯著的影響。環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的積極作用，主要體現(xiàn)在反滲透海水淡化模塊。這同樣是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)反滲透膜的透過(guò)性變好，反滲透海水淡化模塊的能耗減少。

圖8 環(huán)境溫度對(duì)淡水生產(chǎn)比能耗的影響Fig.8 The effect of ambient temperature on SEC

此外，綜合圖7和圖8，還能得到儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力值對(duì)系統(tǒng)性能的影響。從圖8中還可以看出環(huán)境溫度一定，當(dāng)儲(chǔ)罐的充能結(jié)束壓力在8～12 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，單位體積水的成本相差很小(在2%以內(nèi))。同時(shí)從圖7中可以看出在環(huán)境溫度一定時(shí)，儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力值提高帶來(lái)的淡水產(chǎn)量提升幾乎為線性變化。

3.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行成本分析和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)，系統(tǒng)工作淡水產(chǎn)量應(yīng)當(dāng)考慮到全年氣候溫度的變化，某地區(qū)一年的逐月平均氣溫的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 某地區(qū)一年逐月平均氣溫Fig.9 Monthly average temperature of a year in an area

根據(jù)每個(gè)月的平均氣溫，利用圖4得到系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量隨環(huán)境氣體溫度變化的規(guī)律曲線，對(duì)每個(gè)月的氣溫進(jìn)行插值，計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量，再對(duì)全年數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，從而得到系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)淡水產(chǎn)量的年平均值。

在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算得出整個(gè)系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)成本如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力對(duì)單位體積淡水成本的影響Fig.10 The effect of end pressure of discharge on UP

由圖10可以看出在儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力逐漸增加時(shí)，單位體積淡水的生產(chǎn)成本先降低后增加。一方面，儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力較小時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的膨脹機(jī)組入口壓力較小，由于節(jié)流閥降壓造成的損失較大，使壓縮空氣儲(chǔ)能模塊的效率降低，最終生產(chǎn)淡水的成本較高。另一方面，當(dāng)儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力較高時(shí)，儲(chǔ)罐的壓力變化范圍較小，一個(gè)工作循環(huán)能夠儲(chǔ)存的能量變少，但是設(shè)備投資的固定成本不變，導(dǎo)致淡水成本的增加。因此，儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值存在最優(yōu)值，使得單位體積淡水成本最低。在本文模擬的工況點(diǎn)中，當(dāng)儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力值為12 MPa時(shí)，儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值的最優(yōu)值為5 MPa，此時(shí)系統(tǒng)的單位體積淡水成本最低，為1.72 USD/m3。

圖10中虛線表示傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)淡水的成本，為1.80 USD/m3，與之相比，耦合系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下，生產(chǎn)淡水的成本能夠降低4.4%，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力范圍變窄時(shí)，會(huì)出現(xiàn)耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)相當(dāng)甚至更差的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，這主要是因?yàn)樵趦?chǔ)罐儲(chǔ)氣壓力范圍變窄時(shí)，系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)能夠儲(chǔ)存的壓力能變少，生產(chǎn)淡水的總量減少，在系統(tǒng)設(shè)備投資成本基本不變時(shí)，生產(chǎn)淡水的成本變高。

4 結(jié) 論

本文以絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了新型耦合系統(tǒng)，利用其釋能階段膨脹機(jī)輸出的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，建立了仿真模型，模擬了系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的性能，并與傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行比較，獲得了耦合系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性，主要結(jié)論如下。

（1）通過(guò)對(duì)RO系統(tǒng)中海水泵的能耗及占比分析，結(jié)合絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中膨脹機(jī)的能量輸出特點(diǎn)，提出了耦合系統(tǒng)新構(gòu)型，利用膨脹機(jī)直接輸出機(jī)械能，第五級(jí)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)提升泵，前四級(jí)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵，對(duì)海水增壓，生產(chǎn)淡水。

（2）對(duì)于本文提出一個(gè)具有5000 m3儲(chǔ)罐和最大日產(chǎn)20000 m3淡水反滲透海水淡化的耦合系統(tǒng)，儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力在3～7 MPa內(nèi)變化時(shí)，無(wú)論儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力在8～12 MPa內(nèi)取何值，釋能結(jié)束壓力均在4～6 MPa內(nèi)存在最優(yōu)值，使系統(tǒng)淡水生產(chǎn)比能耗最低，在模擬的工況點(diǎn)中，存在的儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力值的最優(yōu)值為5 MPa。

（3）環(huán)境溫度的變化對(duì)生產(chǎn)單位體積水的成本有顯著影響，相比于冬季低溫環(huán)境，夏季高溫環(huán)境的淡水生產(chǎn)比能耗減少約30%。此外，在儲(chǔ)罐釋能結(jié)束壓力為5 MPa時(shí)，儲(chǔ)罐充能結(jié)束壓力的提升帶來(lái)產(chǎn)水量的增加近似為線性關(guān)系。

（4）在所有模擬的工況點(diǎn)中，當(dāng)充能結(jié)束壓力為12 MPa、釋能結(jié)束壓力為5 MPa時(shí)，系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)成本最低，為1.72 USD/m3。與傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)相比，耦合系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下，生產(chǎn)淡水的成本能夠降低4.4%，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。