文賢馗，李翔，鄧彤天，鐘晶亮，王鎖斌，劉石

(1. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080)

0 引言

在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的過程中，電力行業(yè)存在用電峰谷差加劇的問題。同時，風(fēng)電、光電等新能源的快速發(fā)展成為能源行業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，替代化石能源的過程正在深入進(jìn)行[1-3]。但是，隨著新能源發(fā)電在電力供應(yīng)中份額不斷增加，其自身間歇性、波動性等特征日益凸顯，新能源電能并網(wǎng)容量不穩(wěn)定影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[4-5]，導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)大量棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。

儲能技術(shù)是一種協(xié)同新能源技術(shù)發(fā)展的有效手段，可以起到削峰填谷作用，對構(gòu)建智能電網(wǎng)具有重要意義[6-8]。其中，壓縮空氣儲能是一種低成本、零排放、大容量、安全系數(shù)高、響應(yīng)速度快的儲能技術(shù)，極具商業(yè)發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用價值，是未來綜合利用清潔能源與常規(guī)能源的重要解決方案[9-10]?？紤]到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)會對環(huán)境造成不利影響，因此目前主要研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，它可以在不產(chǎn)生環(huán)境污染的條件下，通過儲存空氣內(nèi)能實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換[11-13]。但是，當(dāng)前先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率依然較低，系統(tǒng)運行過程中存在熱量損耗問題，系統(tǒng)效率仍有一定提升空間，眾多學(xué)者從不同方面改善現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法，文獻(xiàn)[14]基于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)提出外加輔助電源回收利用蓄熱系統(tǒng)熱量，并向外供熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)供。文獻(xiàn)[15]通過建立微型能源綜合系統(tǒng)，利用余熱回收鍋爐等設(shè)備實現(xiàn)了先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供。文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)朗肯循環(huán)可實現(xiàn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)余熱回收，將來自換熱器的空氣導(dǎo)入蒸發(fā)器回收后排入大氣。文獻(xiàn)[17]通過分析壓縮空氣儲能系統(tǒng)中熱能利用率對系統(tǒng)整體效率的影響，發(fā)現(xiàn)合理分配儲存的熱能以及余熱可以優(yōu)化能量利用，提高系統(tǒng)效率。

上述針對壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱量回收方面的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料方面，并未涉及系統(tǒng)熱量損失問題。在系統(tǒng)運行過程中，參與膨脹做功過程的換熱工質(zhì)在換熱過程結(jié)束后進(jìn)入低溫儲熱罐冷卻，等待參與下一次儲能過程。在此過程中，換熱工質(zhì)自身熱量會損失，而末級透平膨脹機(jī)排氣能量也沒有得到利用。因此，本文提出一種余熱回收和利用方法，增加透平膨脹機(jī)組總輸出功率，提高先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率，并通過Aspen Plus 軟件模擬了四級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行狀況。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)描述

先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器和儲氣室等。儲能階段，常溫常壓的空氣經(jīng)過壓縮機(jī)組壓縮并經(jīng)過換熱系統(tǒng)回收壓縮熱，以低溫高壓的狀態(tài)進(jìn)入儲氣室儲存；釋能階段，高壓空氣經(jīng)由換熱系統(tǒng)儲加熱后進(jìn)入膨脹機(jī)組輸出功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換[18]。先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意Fig. 1 The schematic diagram of Advanced compressed air energy storage system

本文選用四級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)為研究對象[11]，其系統(tǒng)示意如圖2所示。系統(tǒng)的工作原理與其他非補(bǔ)燃式系統(tǒng)有所不同，其他非補(bǔ)燃式系統(tǒng)的換熱過程是在整個壓縮過程和膨脹過程結(jié)束后進(jìn)行的，對壓縮機(jī)性能要求較高，而先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的換熱過程是在每一級壓縮機(jī)和膨脹機(jī)后進(jìn)行的，實現(xiàn)了級間壓縮和級間換熱，能夠降低系統(tǒng)對設(shè)備的要求，同時提高系統(tǒng)效率。

圖2 四級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意Fig. 2 The schematic diagram of Four-stage advanced compressed air energy storage system

針對該系統(tǒng)本文提出一種余熱回收利用方法，如圖3所示。該方法在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用換熱器回收換熱工質(zhì)的余熱用于提高系統(tǒng)排氣溫度，再將排氣通入新增膨脹機(jī)做功，做功結(jié)束后排到大氣環(huán)境中，而換熱工質(zhì)經(jīng)過冷卻器后進(jìn)入低溫儲熱罐儲存，完成熱量回收利用過程。

圖3 余熱回收利用方法示意Fig. 3 Schematic diagram of waste heat recovery and utilization method

1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)質(zhì)能守恒定律、理想氣體狀態(tài)方程以及熱力學(xué)定律，建立先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型，其中各級壓縮機(jī)和各級膨脹機(jī)均采用絕熱工作方式。

1.3 仿真模型

建立四級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型，對處于穩(wěn)態(tài)運行條件下的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，計算和分析系統(tǒng)效率和膨脹機(jī)組輸出功率，同時對比回?zé)岵糠謱ο到y(tǒng)的影響。

本文系統(tǒng)內(nèi)換熱工質(zhì)為液態(tài)水，空氣在壓縮和膨脹過程中的物性方法均采用PENG-ROB方法[19]。系統(tǒng)運行過程中，換熱工質(zhì)按照設(shè)定比例分配給各級換熱器，忽略通過換熱器時的壓降，假設(shè)為理想過程。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)內(nèi)部均假設(shè)為絕熱過程，為使壓縮機(jī)組耗功最少，系統(tǒng)的各級壓縮比[20]依次設(shè)定為4.2、3.0、3.0和3.0，各級膨脹比取等膨脹比。在余熱回收系統(tǒng)里將換熱器設(shè)置為逆流換熱器，忽略空氣壓降，換熱后空氣升溫進(jìn)入新增膨脹機(jī)內(nèi)做功，換熱工質(zhì)經(jīng)過冷卻器進(jìn)入低溫儲熱罐儲存。

2 模擬仿真分析

2.1 初始參數(shù)設(shè)置

首先對系統(tǒng)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體參數(shù)見表1。

表1 先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The parameters of the advanced compressed air energy storage system

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 余熱回收部分對系統(tǒng)特性的影響

模擬過程選取穩(wěn)壓閥出口壓力為8.4～10 MPa，每組壓力差為 0.4 MPa，對應(yīng)膨脹機(jī)末級排氣壓力為 0.12～0.2 MPa，每組壓力差 0.02 MPa，共5組工況。本文中各種工況下膨脹機(jī)組消耗功率保持不變，用輸出功率和消耗功率的比值表示系統(tǒng)效率。圖4為無回?zé)岷蛶Щ責(zé)?種條件下排氣壓力對輸出功率的影響。從圖4 a)和圖4 b)中可以看出，帶有余熱回收部分時膨脹機(jī)組輸出功率會有不同程度的增加，系統(tǒng)效率提高，且排氣壓力越高，效率增加值越大。從計算結(jié)果可以得到，排氣壓力為0.16 MPa，穩(wěn)壓閥出口壓力為10 MPa時，膨脹機(jī)組輸出功率達(dá)到最高值35.6 MW，系統(tǒng)效率達(dá)到最高55.15%。

圖4 余熱回收環(huán)節(jié)對系統(tǒng)特性的影響Fig. 4 Effect of waste heat recovery link on characteristics of the system

從圖4 c) 中可以看出，當(dāng)排氣壓力確定時，穩(wěn)壓閥出口壓力的變化會對系統(tǒng)效率增量有所影響，但變化趨勢并不明顯；而當(dāng)穩(wěn)壓閥出口壓力確定時，不同排氣壓力對輸出功率的影響顯著，隨著排氣壓力的升高，系統(tǒng)效率明顯增加。如穩(wěn)壓閥出口壓力為8.8 MPa時，排氣壓力從0.12 MPa變化為0.2 MPa過程中，系統(tǒng)效率增量從2.04%增加到7.32%。

2.2.2 換熱工質(zhì)溫度對系統(tǒng)特性的影響

當(dāng)系統(tǒng)中換熱設(shè)備參數(shù)確定時，換熱工質(zhì)溫度直接決定新增膨脹機(jī)的排氣溫度，進(jìn)而影響余熱回收部分的輸出功率。換熱工質(zhì)溫度隨不同排氣壓力的變化趨勢如圖5所示。

圖5 排氣壓力對換熱工質(zhì)溫度的影響Fig. 5 Effect of exhaust pressure on the temperature of heat transfer working medium

保持穩(wěn)壓閥出口壓力一定，隨著排氣壓力的增加，換熱工質(zhì)溫度呈現(xiàn)升高的趨勢，且當(dāng)穩(wěn)壓閥出口壓力為8.8 MPa 時，不同排氣壓力下?lián)Q熱工質(zhì)的溫度均為最高值。當(dāng)排氣壓力為0.12 MPa時，換熱工質(zhì)溫度為64.11℃；當(dāng)排氣壓力為0.2 MPa時，換熱工質(zhì)溫度為70.44℃。

同時，從圖5中可以看出，在模擬工況中，系統(tǒng)換熱工質(zhì)溫度為60～72℃，研究不同排氣壓力下，換熱工質(zhì)溫度對余熱回收環(huán)節(jié)輸出功率的影響，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，余熱回收部分的輸出功率隨換熱工質(zhì)溫度的升高而增加，由于輸出功率增加趨勢較為平緩，選取排氣壓力為0.12 MPa和0.2 MPa時的輸出功率進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖6 換熱工質(zhì)溫度對輸出功率的影響Fig. 6 Effect of the temperature of heat transfer working medium on output power

圖7 2種工況下?lián)Q熱工質(zhì)溫度對輸出功率的影響Fig. 7 Effect of the temperature of heat transfer working medium on output power

從圖7中可以看出，保持排氣壓力一定時，余熱回收部分的輸出功率隨換熱工質(zhì)溫度的變化接近線性趨勢。同時，提高排氣壓力會使輸出功率增加幅度變大。當(dāng)設(shè)置排氣壓力為0.12 MPa和0.2 MPa時，隨著換熱工質(zhì)溫度的增加，余熱回收環(huán)節(jié)輸出功率分別增加 3.91 kW/℃ 和 13.88 kW/℃。因此，在穩(wěn)壓閥出口壓力確定時，提高排氣壓力可以提升換熱工質(zhì)溫度，進(jìn)而增加余熱回收部分的輸出功率。

2.2.3 排氣壓力對系統(tǒng)特性的影響

為了分析研究膨脹機(jī)排氣壓力對系統(tǒng)輸出功率和效率的影響，在不同穩(wěn)壓閥出口壓力下，選取帶回?zé)峁r條件對所建系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 膨脹機(jī)排氣壓力對系統(tǒng)特性的影響Fig. 8 Effect of the expander exhaust pressure on on characteristics of the system

從圖8中可以看出，當(dāng)穩(wěn)壓閥出口壓力確定時，系統(tǒng)效率和輸出功率會隨排氣壓力的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。原因是，穩(wěn)壓閥出口氣壓力確定時，隨著排氣壓力的增加，四級膨脹機(jī)的膨脹比會減小，導(dǎo)致輸出功率降低，而通過余熱回收部分可以利用這部分能量增加輸出功率。當(dāng)排氣壓力越高時，新增輸出功率越多。因此，添加余熱回收部分可以明顯提高總輸出功率和系統(tǒng)效率的峰值。另外，從圖8中可以得到，在相同穩(wěn)壓閥出口壓力條件下，排氣壓力為0.16 MPa時系統(tǒng)輸出功率和效率達(dá)到峰值，分別為35.6 MW和55.51%。

3 結(jié)論

（1）在相同參數(shù)條件下，添加余熱回收環(huán)節(jié)可提高膨脹機(jī)組輸出功率和系統(tǒng)效率，且末級膨脹機(jī)排氣壓力越高，增加幅度越大。

（2）保持穩(wěn)壓閥出口壓力一定，發(fā)現(xiàn)換熱工質(zhì)溫度隨排氣壓力的增加而升高，呈正相關(guān)性。當(dāng)排氣壓力分別為0.12 MPa和0.2 MPa時，系統(tǒng)輸出功率變化幅度分別接近4 kW/℃和14 kW/℃。

（3）設(shè)定工況下，膨脹機(jī)組輸出功率和系統(tǒng)效率隨末級膨脹機(jī)排氣壓力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在穩(wěn)壓閥出口壓力為10 MPa，排氣壓力為0.16 MPa時取得峰值，輸出功率為35.6 MW，系統(tǒng)效率為55.51%。

（4）設(shè)定工況下，添加余熱回收環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)輸出功率的最大增值為4.7 MW，對應(yīng)系統(tǒng)效率增值為7.34%。因此，本文提出的余熱回收利用方法可有效提高先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率。