李丞宸,賀新,陶飛躍,王煥然

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

近年來,以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源在我國發(fā)展迅速[1]。棄風(fēng)、棄光是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題。儲能技術(shù)可以將棄風(fēng)、棄光儲存起來,并在風(fēng)、光不足時釋能發(fā)電,提高可再生能源的綜合利用率[2]。

大規(guī)模物理儲能主要包括抽水蓄能(pumped storage power system,PSPS)和壓縮空氣儲能(compressed air energy storage system,CAES),二者各有優(yōu)劣。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢是儲能密度大,但是釋能過程中需要消耗燃料,經(jīng)濟性較差[3]。PSPS是目前發(fā)展最為成熟的物理儲能系統(tǒng),國內(nèi)已具備成熟的設(shè)計及建設(shè)經(jīng)驗,但是其對地質(zhì)環(huán)境的選擇較為嚴格[4]。

結(jié)合壓縮空氣儲能與抽水蓄能技術(shù)的特點,王煥然團隊提出了一種新型抽水蓄能技術(shù),即抽水壓縮空氣儲能技術(shù)[5](pumped hydro combined with compressed air energy storage system,PHCA),該技術(shù)的儲能介質(zhì)是空氣,做功介質(zhì)是水,通過水與空氣的高效換熱實現(xiàn)了儲能與釋能過程中的近等溫過程,將空氣的可壓縮性與水泵、水輪機的高效有機結(jié)合。目前,本團隊已完成100 kW抽水壓縮空氣儲能的驗證性實驗。結(jié)果表明,PHCA原理可行可靠,可以實現(xiàn)近等溫壓縮/膨脹過程,儲能與釋能過程中氣體的溫度變化遠小于采用傳統(tǒng)壓縮機的壓縮過程,具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。然而對于PHCA技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,依然有水泵、水輪機的變工況和大型PHCA的儲能空間選取兩方面問題需要考慮。

PHCA系統(tǒng)內(nèi)部在工作過程中壓力變化顯著,為水泵和水輪機的變工況能力提出了苛刻要求,恒壓型PHCA設(shè)計和研究成為了改進和提升的重要方向之一。Yao等[6]提出了一種恒壓型PHCA,通過額外設(shè)置高壓儲氣室對氣體進行儲存,并在水氣共容空間和高壓儲氣室之間設(shè)置增壓機和節(jié)流閥,實現(xiàn)了水氣共容空間內(nèi)部的恒壓運行。李丞宸等[7]提出了一種利用蒸汽恒壓的PHCA系統(tǒng),該系統(tǒng)引入蒸汽在釋能過程中加熱空氣,實現(xiàn)了水氣共容空間內(nèi)部的恒壓運行,進一步提高了系統(tǒng)的發(fā)電量。另外,還有一些研究通過多種技術(shù)耦合[8-10],體現(xiàn)了系統(tǒng)綜合性能的提升。

現(xiàn)有CAES系統(tǒng)普遍采用鹽穴作為儲氣空間[12],適用于CAES的鹽穴廣泛分布于我國江蘇等地,深度一般為400～800 m,運行壓力一般為4～8 MPa。鹽穴并不適合用于PHCA技術(shù),鹽穴內(nèi)壁為水溶開采后的剩余鹽層,充、放水過程中水的沖刷會對鹽穴內(nèi)壁造成損傷,影響鹽穴的安全性和穩(wěn)定性。目前,中國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家,技術(shù)水平與建設(shè)成就均已走在世界前列[13]。隨著新隧道和地下工程的建設(shè),一大批廢棄的地下空間面臨改造難題[14-15]。此類洞穴位于地表或淺層,作為儲氣空間時難以承受較高的壓力[16];隧道及地下工程的巖石結(jié)構(gòu)普遍為硬質(zhì)巖石,在建設(shè)過程中普遍鋪設(shè)有內(nèi)襯,能夠承受水流的反復(fù)沖刷[13]。因此,位于淺層及地表的廢棄隧道和地下工程(人造洞穴等),經(jīng)過改造后可用于PHCA的儲氣空間。

同時,經(jīng)濟性也是制約PHCA技術(shù)發(fā)展的重要因素。PHCA的研究目前主要為理論研究及實驗室研究階段,小型系統(tǒng)可以采用壓力容器作為儲氣空間,但是大規(guī)模系統(tǒng)采用壓力容器會導(dǎo)致投資成本巨大,系統(tǒng)經(jīng)濟性差:MW級的PHCA系統(tǒng)若采用壓力容器作為儲氣空間,主要設(shè)備的初始超過6 000元/kW,而其中壓力容器的成本超過一半[11]。在大型PHCA系統(tǒng)中采用廢棄的淺層空間作為儲氣空間,可大大降低系統(tǒng)的初始投資,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

綜上所述,結(jié)合PHCA、CAES各自的特點,本文提出了一種耦合PHCA、CAES的新型儲能系統(tǒng),并對其進行了深入的熱力學(xué)分析。該系統(tǒng)結(jié)合了PHCA、CAES各自的優(yōu)勢,改善了兩個系統(tǒng)的運行工況,具有較高的電-電轉(zhuǎn)化效率,同時也為淺層廢棄隧道及洞穴利用提供了新途徑。

1 系統(tǒng)介紹

本文提出的新型儲能系統(tǒng)基本工作方案如圖1所示。該系統(tǒng)包括高壓、低壓兩個儲氣空間,高壓儲氣空間采用鹽穴,低壓儲氣空間采用封堵、改造后的淺層廢棄洞穴,同時需要利用環(huán)境中的水源。根據(jù)高、低壓儲氣空間的安全壓力等級不同[12,16],設(shè)計了PHCA、CAES兩部分。

圖1 復(fù)合恒壓儲能系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of the coupled energy storage system

PHCA部分在儲能階段,水泵將水從環(huán)境輸送至低壓儲氣空間,將電能轉(zhuǎn)化成水面的壓力勢能;在釋能階段,水從低壓儲氣空間中流出經(jīng)過水輪機做功,釋放能量進行發(fā)電。低壓儲氣空間充(放)水的同時放(充)氣,其內(nèi)部始終保持恒壓狀態(tài),水泵和水輪機保持穩(wěn)定工況工作。

CAES部分在儲能階段,低壓儲氣空間排出的空氣經(jīng)過一系列壓縮及冷卻過程進入高壓儲氣空間,同時每段壓縮機出口排出的空氣先經(jīng)過蓄熱器對壓縮熱進行回收,富余的熱量通過冷卻器帶走,保證其后的壓縮機/高壓儲氣空間入口溫度穩(wěn)定;在釋能階段,壓縮空氣從高壓儲氣空間排出,經(jīng)過蓄熱器進行再熱后利用太陽能對氣體進行進加熱,之后并進入空氣透平做功,最終排入低壓儲氣空間。

本文所研究的具體系統(tǒng)組成及運行方式如圖2所示,并做如下說明:PHCA部分中,不考慮氣體的溫度變化,且認為低壓儲氣空間內(nèi)部壓力保持恒定;CAES部分中,采用兩段壓縮和兩段膨脹;壓縮機和透平入口溫度保持恒定。

圖2 復(fù)合恒壓儲能系統(tǒng)流程圖Fig.2 Schematic representation of the coupled energy storage system

2 熱力學(xué)模型

2.1 壓縮機

本文假設(shè)氣體的壓縮過程為多變過程,每段壓縮機的出口壓力和溫度由以下公式得到[17]

Pc,out=πcPc,in

(1)

(2)

(3)

式中:πc為每段壓縮機的壓縮比;n為多變指數(shù);γ為氣體的比熱容;ηc,pol為多變效率,根據(jù)Korakiianitis等[17]提出的公式計算得到

(4)

每一段壓縮機的輸入功為

(5)

儲能階段系統(tǒng)總的輸入功為

(6)

式中ma為氣體質(zhì)量。

2.2 透平

與壓縮過程類似,每段透平的出口溫度和壓力由下式計算得到[18]

Pc,out=Pc,in/πt

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:πt為每段透平的膨脹比;n為膨脹過程的多變指數(shù)。

每段透平的輸出功為

(11)

系統(tǒng)的總輸出功為

(12)

2.3 填充床蓄熱器

填充床蓄熱器采用一維非穩(wěn)態(tài)模型,能量平衡方程采用雙方程模式[19],具體如下。

對于壓縮空氣

(13)

對于蓄熱球

(14)

壓縮空氣經(jīng)過蓄熱器的壓力損失可以通過Ergun方程得到

(15)

(16)

式中:ua為氣體的平均速度;ρa為氣體的密度;Dp為蓄熱球的直徑;f為蓄熱器的孔隙率;μa為氣體的動力黏度系數(shù);B=110.4;μ0=1.789 5×10-5N·s/m2。

在儲能與釋能過程中蓄熱器的熱量損失不予考慮。在能量儲存階段本文中假設(shè)每臺蓄熱器在能量儲存階段的溫度下降為20 K[20]。

對于每臺蓄熱器,在運行過程中儲存或釋放的總熱量為

QTES=mscp,sΔTs

(17)

式中:ΔTs為過程前后蓄熱介質(zhì)的溫度變化;ms為蓄熱介質(zhì)的質(zhì)量;cp,s為蓄熱介質(zhì)的比熱容。

2.4 冷卻器和再熱器[9]

假設(shè)冷卻器的冷卻介質(zhì)采用水,冷卻水的入口溫度為環(huán)境溫度,則換熱器的出口溫度為

(18)

dQIC,a=cp,aΔma(Tin,a-Tout,a)dt

(19)

儲能過程中冷卻器交換的總熱量為

(20)

與儲能階段類似,通過再熱器輸入壓縮空氣的熱量為

dQRH,a=cp,aΔma(Tout,a-Tin,a)dt

(21)

認為輸入壓縮空氣的熱量即為系統(tǒng)輸入的太陽能熱量。系統(tǒng)通過再熱器輸入的總熱量為

(22)

換熱過程中的流動損失為

(23)

式中:ΔPIC&RH,a為冷卻器或再熱器的壓力損失;Pin,a為換熱器的入口壓力。

2.5 低壓儲氣空間與高壓儲氣空間

高壓儲氣空間與低壓儲氣空間中的溫度等于環(huán)境溫度且保持恒定[21],儲氣空間的體積由氣體狀態(tài)方程得到。文中假設(shè)高壓儲氣空間體積不變。

2.6 水泵和水輪機

在熱力學(xué)分析中,與儲能和釋能過程中氣體的溫度變化相比,第一段壓縮機進口溫度和第三段透平出口溫度的差別并不明顯(約為30 K),且水的比熱容遠大于壓縮空氣,水輪機的入口和水泵的出口均與環(huán)境相連,本文做如下假設(shè):低壓儲氣空間中的水溫視作不變(等于環(huán)境溫度),同樣忽略在工作過程中水的密度變化;水泵和水輪機的效率視作常數(shù);參與發(fā)電的水的總體積與第二段膨脹機的出口氣體總體積相同。

水泵和水輪機做的功可由下式得到[6]

WWP=Vw(Pw,LPSV-P0)/ηWP

(24)

WHT=Vw(Pw,LPSV-P0)ηHT

(25)

式中:ηWP為水泵效率;ηHT為水輪機效率。

2.7 系統(tǒng)性能評價指標

電-電轉(zhuǎn)化效率定義為

(26)

能量利用效率定義為

(27)

由于本系統(tǒng)沒有對冷卻器所帶出的壓縮熱進行回收利用,故這一部分能量不算做系統(tǒng)輸出的能量。

系統(tǒng)容量定義為

Cel=Wc+WWP

(28)

儲能密度定義為

(29)

2.8 分析

在儲能與釋能過程中,低壓儲氣空間中的水溫認為保持恒定,對于整個系統(tǒng)來說,CAES部分的流遠比PHCA部分過程復(fù)雜。因此,本文僅對CAES部分進行了分析。本文的氣體參數(shù)采用實際氣體物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫REFPROP(Reference Fluid PROPerties)進行計算。

e=h-h0-T0(s-s0)

(30)

式中:e為每個狀態(tài)點的;h、s為每個狀態(tài)點的焓和熵;h0、s0分別為環(huán)境狀態(tài)下的焓和熵。

3 系統(tǒng)性能及分析

3.1 系統(tǒng)計算參數(shù)設(shè)計

參考相關(guān)研究文獻[3,6,20],系統(tǒng)分析所采用的相關(guān)主要參數(shù)如表1所示,填充床蓄熱器參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 熱力學(xué)分析主要參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter settings on thermodynamic analysis

表2 填充床主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter settings on PBTES

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 系統(tǒng)整體性能

對系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析,系統(tǒng)各狀態(tài)點參數(shù)如表3所示,系統(tǒng)性能如表4所示。

表3 系統(tǒng)各狀態(tài)點計算結(jié)果Table 3 Calculating result on the system

表4 儲能系統(tǒng)性能分析結(jié)果Table 4 Performance of the system

整體來看,系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率為53.82%,能量利用效率為41.06%,系統(tǒng)的能量密度為3 760.13 kJ·m-3,系統(tǒng)容量為5 222.40 kW·h。CAES部分的電-電轉(zhuǎn)化效率為53.19%,而能量利用效率為40.37%;PHCA部分由于不考慮系統(tǒng)水的溫度變化,也沒有熱量的輸入和輸出,因此其電-電轉(zhuǎn)化效率即為能量轉(zhuǎn)化效率,均為83.80%。

圖3為CAES部分中的各狀態(tài)點的T-s圖。在每一段膨脹機的入口,其溫度均略小于對應(yīng)的壓縮機出口溫度;而每一段膨脹機的出口,溫度略高于對應(yīng)的壓縮機入口溫度。本文所設(shè)計的系統(tǒng)排氣溫度和環(huán)境溫度相差約20 K。提高再熱器的再熱溫度,可以提高膨脹機的做功量,但同時會提高排氣中所帶走能量的比例,造成能量的不充分利用,降低系統(tǒng)的能量利用效率。

圖3 壓縮空氣儲能部分T-s圖Fig.3 T-s diagram of system

圖4 壓縮空氣儲能循環(huán)輸入能量統(tǒng)計圖Fig.4 Input energy of CAES part

圖5 壓縮空氣儲能部分損失統(tǒng)計圖Fig.5 Exergy destruction of CAES part

表5 壓縮空氣儲能系統(tǒng)分析Table 5 Exergy analysis on CAES part 單位:kJ/kg

表5 壓縮空氣儲能系統(tǒng)分析Table 5 Exergy analysis on CAES part 單位:kJ/kg

系統(tǒng)組成輸入能量變損失壓力熱量剩余輸出能量壓縮機1177.44+147.6529.79壓縮機2186.84+158.1228.72蓄熱器1-24.641.32儲能階段蓄熱器2-32.800.12冷卻器1-14.256.6757.59冷卻器2-17.266.6466.40儲氣洞穴38.03透平1-112.0410.7699.49透平2-105.9310.0294.27蓄熱器2+11.860.1220.100.00釋能階段蓄熱器1+9.701.4620.1028.41再熱器175.57+16.856.77再熱器240.08+5.016.69尾氣1.81

4 敏感性分析

4.1 低壓儲氣空間壓力的影響

(a)電-電轉(zhuǎn)化效率

本文對高、低壓儲氣空間壓力設(shè)置對系統(tǒng)性能的影響進行了敏感性分析,圖6為改變低壓儲氣空間壓力對系統(tǒng)性能的影響。從圖6可以看到,隨著低壓儲氣空間壓力的增加,系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率和能量利用效率均減小;隨著低壓儲氣空間內(nèi)部的壓力升高,系統(tǒng)的能量密度減小,總?cè)萘恳矞p小。低壓儲氣空間的壓力增加會導(dǎo)致PHCA部分的水頭和發(fā)電量增加,但結(jié)合表4,PHCA部分的容量顯著小于CAES部分,因此系統(tǒng)的總發(fā)電量減小,導(dǎo)致系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率、能量密度和容量降低。低壓儲氣空間壓力的升高還會導(dǎo)致兩儲氣空間的壓力差減小,壓縮過程縮短使蓄熱器能夠儲存的熱量減小,系統(tǒng)通過再熱器輸入的熱量逐漸增加,所以系統(tǒng)的能量利用效率降低。

4.2 高壓儲氣空間壓力的影響

圖7為改變高壓儲氣空間壓力對系統(tǒng)性能的影響。從圖7可以看到,隨著高壓儲氣空間壓力升高,系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率升高,而能量利用效率也逐漸升高。本系統(tǒng)CAES部分的容量和能量密度均大于PHCA部分,在低壓儲氣空間壓力不變的情況下增加高壓儲氣空間壓力,使得CAES部分的發(fā)電量和能量密度增加,導(dǎo)致系統(tǒng)的各個指標有所增加。雖然高壓儲氣空間壓力的升高會導(dǎo)致系統(tǒng)輸入熱量增加,系統(tǒng)的能量利用效率和電-電轉(zhuǎn)化效率增加,但是二者的提升速度逐漸變慢,高壓儲氣空間壓力增加對系統(tǒng)性能提升的空間有限。

綜合圖6、圖7中系統(tǒng)性能的變化可以看出,在兩儲氣空間安全壓力范圍內(nèi)盡量增加二者的壓力差,可以提升復(fù)合儲能系統(tǒng)的整體性能。

(a)電-電轉(zhuǎn)化效率

4.3 再熱溫度的影響

在前文的計算中,再熱器僅用作維持每段透平的入口溫度穩(wěn)定,補充由于蓄熱器內(nèi)部熱量減少引起的氣體溫度降低。另外,設(shè)置再熱器一方面可以對透平入口溫度進行更寬泛的調(diào)節(jié);另一方面,在地?zé)醄23-25]、工業(yè)廢熱[26]等資源豐富的環(huán)境,或?qū)⒃撓到y(tǒng)與其他動力循環(huán)耦合[27]使用時,亦可充分提高再熱溫度來增加透平的輸出,從而提高系統(tǒng)的整體性能。圖8、圖9給出了再熱溫度從420 K增加至680 K時,系統(tǒng)各性能的變化趨勢。

圖8 再熱溫度對系統(tǒng)效率的影響Fig.8 Influence of reheat temperature on efficiency

圖9 再熱溫度對系統(tǒng)容量和能量密度的影響Fig.9 Influence of reheat temperature on energy density and capacity

圖8中,隨著再熱溫度的增加,系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率從48.67%增加至77.69%,系統(tǒng)的能量利用效率從39.14%增加至48.08%。一方面,由于透平入口壓力不變時,入口溫度(即再熱溫度)越高其輸出功越高,且根據(jù)前文,CAES部分的發(fā)電量高于PHCA部分,因此系統(tǒng)的發(fā)電量提升明顯;另一方面,再熱溫度的增加不會引起儲能系統(tǒng)的耗電量增加,因此電-電轉(zhuǎn)化效率和能量轉(zhuǎn)化效率隨再熱溫度的增加而增加。再熱溫度的增加使得系統(tǒng)在釋能階段輸入的熱量增加,而增加的熱量并不能完全轉(zhuǎn)化為透平輸出的電能,系統(tǒng)發(fā)電量的增加小于輸入熱量的增加量。因此,雖然再熱溫度的增加使得系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率有所增加,但是其增加幅度小于電-電轉(zhuǎn)化效率。

再熱溫度對系統(tǒng)的影響同樣體現(xiàn)在系統(tǒng)容量和能量密度方面。隨著再熱溫度的增加,系統(tǒng)的發(fā)電量顯著增加,導(dǎo)致系統(tǒng)的容量從4 721.80 kW·h增加至7 538.64 kW·h,系統(tǒng)的能量密度也從3 399.69 kJ/m-3增加至5 427.82 kJ/m-3。從圖9可以看出,系統(tǒng)的容量和能量密度的增加幾乎隨再熱溫度線性增加,可以認為釋能過程中的再熱環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的性能影響顯著。

對于本儲能系統(tǒng)而言,通過PHCA儲能部分的設(shè)置顯著縮短了CAES部分的壓縮比,避免了氣體壓縮和膨脹環(huán)節(jié)變工況范圍過大引起的系統(tǒng)性能差。雖然本系統(tǒng)中CAES部分的壓縮、膨脹比顯著減小,但是CAES采用壓縮機也不可避免地會將一部分輸入能量轉(zhuǎn)化成熱量。一方面,通過多級壓縮、級間冷卻的方式減少壓縮熱的產(chǎn)生,進而減小儲能系統(tǒng)的耗功;另一方面,產(chǎn)生的壓縮熱越多,通過蓄熱器回收的熱量越多,在釋能階段可利用的熱能也就越多,整個系統(tǒng)的容量及效率也會提高。因此,多級壓縮與蓄熱過程存在一定程度的矛盾。

從圖8、圖9可以看出,當(dāng)再熱溫度從420 K增加至680 K時,系統(tǒng)的性能指標普遍明顯提升。若使整個系統(tǒng)性能得到充分提升,在設(shè)置蓄熱器回收壓縮熱的同時,可以在每段蓄熱器后設(shè)置再熱器進一步提高氣體溫度,可以使系統(tǒng)的性能顯著提升。

5 結(jié) 論

抽水壓縮空氣儲能技術(shù)結(jié)合了抽水蓄能與壓縮空氣儲能的優(yōu)勢,通過水與空氣的高效換熱實現(xiàn)了儲能與釋能過程中的近等溫工作,將空氣的可壓縮性與水泵、水輪機的高效性有機結(jié)合,具有廣闊的應(yīng)用前景。為了解決抽水壓縮空氣儲能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的儲氣空間選取問題,充分考慮了深層鹽穴及淺層洞穴的特點,并結(jié)合現(xiàn)有壓縮空氣儲能的技術(shù)特點,本文提出了一種耦合PHCA與CAES的新型儲能系統(tǒng),并對其進行了熱力學(xué)分析,研究結(jié)果如下。

(1)該系統(tǒng)的電-電轉(zhuǎn)化效率為53.82%,能量轉(zhuǎn)化效率為41.06%,抽水空氣儲能部分具有較高的效率,壓縮空氣儲能部分具有較高的容量和儲能密度。壓縮空氣儲能部分的主要輸入能量來自于壓縮機,而最大損失發(fā)生在高壓儲氣空間的節(jié)流過程和蓄熱器、冷卻器的傳熱過程。

(2)系統(tǒng)各性能指標隨低壓儲氣空間儲氣壓力的升高而降低,隨高壓儲氣空間儲氣壓力的升高而增加。在兩儲氣空間安全壓力范圍內(nèi)盡量增加二者的壓力差,可以提升該儲能系統(tǒng)的整體性能。

(3)提升再熱溫度可對電-電轉(zhuǎn)化效率提升較大,最大效率可達77%;能量利用效率隨再熱溫度的增加不明顯,普遍低于50%。系統(tǒng)容量和儲能密度隨再熱溫度的增加呈線性增加趨勢。