绝热-近等温压缩空气耦合储能过程热压匹配规律

作者：潘文1, 令兰宁2, 李瑞雄2, 王海洋2, 陶瑞2, 金鹏2, 王焕然2

单位：1. 西安近代化学研究所；2. 西安交通大学能源与动力工程学院

引用：潘文, 令兰宁, 李瑞雄, 等. 绝热-近等温压缩空气耦合储能过程热压匹配规律[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(11): 3425-3434.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0374

  本文亮点：1、将近等温压缩与绝热压缩方式进行合理融合提出了复合压缩空气储能；2、建立了不同压缩空气方式的热力计算模型，明确了绝热压缩与近等温压缩耦合作用下的高效储能特征；3、澄清了近等温压缩对储能系统高效运行的驱动机制。

  摘 要 利用液体活塞机构强化储能过程压缩空气与环境的热量传递，可以有效降低压缩热耗散，提升储能过程电能向空气压力势能的转换效率。考虑到绝热压缩与近等温压缩空气储能的优势，本工作将近等温压缩与绝热压缩方式进行合理融合提出了复合压缩空气储能，通过建立不同压缩空气方式的热力计算模型，深入分析了绝热压缩与近等温压缩耦合作用下的高效储能特征，澄清了近等温压缩对储能系统高效运行的驱动机制。研究结果表明：复合压缩空气储能过程的㶲效率高于传统绝热压缩空气储能；同时，近等温压缩空气对复合压缩空气储能性能的影响较为显著，即变压排气液体活塞近等温压缩空气储能的㶲效率比恒压排气高3%，且变排气压工况下能够更好适应储气室内压力的变化，弱化储气室充气过程的温度效应；近等温压缩空气过程增加喷淋能够使㶲效率提升3.3%，且不同时段喷淋对液体活塞近等温压缩空气效能的影响具有较大差异。

  关键词 液体活塞；复合压缩；空气储能；喷淋；恒压与变压排气

  电力储能技术是能源转换与缓冲的核心技术，将电力储能技术应用于可再生能源的积极有序发展中，不仅可以提高可再生能源发电的并网能力，而且能够有效解决可再生能源发电的消纳难题。因此，储能技术的创新突破必将带动全球能源格局的革命性和颠覆性调整，是实现“碳达峰”“碳中和”目标的重要支撑。众多储能技术中，压缩空气储能系统具备输出功率高、运行寿命长等优势，在储能技术领域具有重要应用和发展前景。

  压缩空气储能系统利用空气可压缩特征实现能量的存储与释放，众多学者从系统构型与性能分析、关键设备设计与运行调控等多个角度对压缩空气储能系统开展了大量研究工作。Zhao等通过对系统在设计工况和变工况运行条件下膨胀机入口空气压力势能进行热力学分析优化，使系统㶲效率达到45.61%。Wolf等提出了一种低温绝热压缩空气储能系统，该系统通过回收压缩过程的压缩热从而避免系统对化石燃料的依赖，优化后系统稳态能量效率为60%。梅生伟等在安徽省芜湖市建成了500 kW先进绝热压缩空气储能实验系统，该系统通过回收再利用空气的压缩热使得系统的综合能量效率达到41.03%。陈海生等提出了一种超临界压缩空气储能技术，该技术利用空气在超临界状态下的特殊物性，将空气以液态形式储存，大幅降低了储气库体积，该系统理论效率可达67.14%。尽管众多学者从系统的参数优化、过程分析以及新型系统构建等多个角度对压缩空气储能技术开展了大量研究工作，但是压缩空气储能技术在压缩过程产生的压缩热仍未能充分利用。

  液体活塞是通过将液体泵入密闭压力容器实现空气增压的技术，由于在压缩过程中空气产生的热量可以被压力容器内液体吸收，从而降低了空气在压缩过程的温升效应，因此液体活塞近等温压缩空气可以有效降低压缩空气储能过程产生的压缩热耗散，提升储能系统的电能转化效率。Ven等通过建立非喷淋式液体活塞压缩过程相应的理论模型表明液体活塞压缩过程的能量转换效率与相同尺寸的常规活塞相比提高13%。姜彤等在热力分析的基础上利用主动调控模型确立了非喷淋式液体活塞等温压缩空气储能过程设计工况的运行策略。张立伟等采用宏观能流表示法仿真建模并确立了压缩转换最大效率点的运行工况。Kermani等通过离散-差分方法解析了非喷淋式液体活塞腔体壁面换热过程的时变特征。为进一步实现液体活塞内空气温度的精准调控，喷淋式液体活塞技术近年来受到广泛关注，许未晴等发现在采用液体喷雾技术后，可将非喷淋式液体活塞的压缩效率由61.6%提升到88.7%。Patil等指出当压比为2.5时，喷淋式液体活塞压缩过程空气温度比非喷淋式降低7～20 ℃。Odukomaiya等用数值方法拟合了喷淋式液体活塞装置内的温度变化，研究结果发现系统的整体能量运行效率可达82%。国内外学者从多个角度针对液体活塞压缩空气储能进行了系统性的热力性能探索，表明液体活塞设备能够有效降低压缩空气过程中压缩热的产生。为此，考虑到传统压缩空气储能系统中压缩热的高效利用难题，本工作将绝热压缩空气储能与等温压缩空气储能进行融合，以压缩空气储能过程为研究对象，通过建立详细的热力学模型，分析不同关键参数对储能热力学性能的影响规律。研究结果可为系统的高效运行提供理论依据与技术指导。

  1 系统描述

  图1(a)为传统绝热压缩空气储能过程设备连接示意图，图1(b)为复合压缩空气储能过程示意图。复合压缩空气储能过程中，富余电能驱动绝热压缩机组首先将环境空气压缩为高温高压空气(A1→A2，A3→A4，A5→A6)，高压空气经冷却后(A6→A7)进入液体活塞机构进行近等温压缩增压(A7→A8)。液体活塞压缩空气储能过程中，电能驱动水泵将水抽入液体活塞腔内(W1→W2)，空气压力逐渐升高，待升至设定值后单向阀打开，高压气体被排入储气室内(A8→A9)，完成一次储能。

图1 绝热压缩空气储能与复合压缩空气储能

  2 系统模型

  复合压缩空气储能过程设备主要包括压缩机组、中冷器、液体活塞腔体、水泵、节流阀和储气罐，假设液体活塞压缩过程中空气温度均匀分布、水和壁面温度恒定、空气为理想气体、液滴和空气充分换热、空气物性为常数，且不考虑液体活塞压缩过程中界面波动、气体溶解等不稳定因素的复杂影响。

  2.1 热力学模型

  压缩机的绝热效率ηCOMP可以表示为

  式中，Q为压力容器内空气吸热量，J；UCV为压力容器内空气热力学能，J；mo为流出空气质量，kg；ho为流出空气焓值，J/kg；mi为流入空气质量，kg；hi为流入空气焓值，J/kg；W为空气所作内部功，J。

  其中

  式中，mCV为压力容器内空气质量，kg；uCV为压力容器内空气比热力学能，J；cV为空气的比定容热容，J/(kg·K)；TCV为压力容器内空气温度，K。

  根据式(4)～式(6)可求解得到

  压力容器内压力pCV可以表示为

  式中，Z为压缩因子；Rg为空气气体常数，J/(kg·K)；VCV为压力容器容积，m3。

  压力容器和外界换热量为

  式中，h'A,W为空气与压力容器壁面对流换热系数，W/(m2·K)；AW为与空气接触的罐壁与水面积之和，m2；TW为压力容器壁面温度K；t为换热时间，s。

  将压力容器简化为圆柱，无进排气时采用自然对流换热模型，努塞尔数Nu可以表示为

  式中，Ra*为修正的瑞利数；F为形状系数。

  修正的瑞利数Ra*可以表示为

  式中，ρA为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；αV为空气体积膨胀系数，K-1；H为压力容器内空气高度，m；μA为空气动力黏度，kg/(m·s)；λA为空气热导率，W/(m·K)。

  形状系数F可以表示为

  式中，D为压力容器内径，m。

  空气与壁面的对流换热系数可以表示为

  压力容器有进排气时采用混合对流换热模型，努塞尔数可以表示为

  式中，Red为压力容器入口空气雷诺数；Ra为瑞利数。

  雷诺数可以表示为

  式中，vA为压力容器入口空气流速，m/s；d为压力容器入口直径，m。

  式中，cp为空气的比定压热容，J/(kg·K)。

  液体活塞机构在压缩空气过程中腔内液体体积逐渐增加，空气侧温度随之升高，导致液体活塞机构的近等温压缩效果弱化。腔内喷淋液体是目前应用广泛的一种控温方式，本工作针对喷淋和非喷淋两种状态下的复合储能过程分别进行深入分析。以下是液体活塞机构腔内喷淋液体的热力学模型。

  2.2 㶲模型

  3 结果与分析

  绝热压缩空气储能过程与复合压缩空气储能过程具有较大差异，表1为两种储能过程各设备典型工况参数，表2中为绝热压缩与非喷淋复合压缩空气储能过程各设备输入㶲和输出㶲对比。可以发现，在总压缩比和储气流量恒定的情况下，绝热压缩空气储能过程的㶲效率比复合储能过程的㶲效率低3%，其主要原因是液体活塞机构在近等温压缩空气过程中电能主要转变为压力势能，此过程产生的热能损失较少。

表1 典型工况参数选取

表2 绝热压缩与混合压缩对比

  值得注意的是，复合压缩空气储能过程的运行模式可以分为两种：变压排气运行和恒压排气运行。变压排气运行主要是指液体活塞压缩空气过程中排气压力随储气库压力的增加而逐渐增加，而恒压排气运行是指液体活塞机构的排气压力保持恒定。所以，变压排气复合压缩空气储能过程中机组的总压缩比随储气库压力的增加逐渐升高，而恒压排气过程的总压缩比保持恒定。

  3.1 无喷淋复合压缩空气储能恒压排气与变压排气对比

  复合压缩空气储能过程中液体活塞压缩空气装置对储能过程性能会产生较大影响，带有喷淋和无喷淋液体活塞机构压缩空气储能过程的热力性能表现出巨大差异，因此本工作针对这两种不同复合储能(绝热压缩+带有喷淋的近等温压缩、绝热压缩+无喷淋近等温压缩)方式分别进行分析。

  表3中为无喷淋条件下液体活塞排气压力恒定与变排气压力下的㶲分析结果对比。相同储能条件下，变排气压力压缩空气储能过程的㶲效率比恒压排气压缩空气储能高3%，同时储能密度保持在较高的数值。

表3 无喷淋条件下液体活塞恒压排气与变压排气㶲分析结果对比

  图2为无喷淋液体活塞不同排气压力下腔内气体温度的变化。可以发现，恒定排气压力下液体活塞LP1和LP2的腔内空气温度变化趋势保持一致。然而，变排气压力下液体活塞腔内的最高压力随时间的增加逐渐递增，压缩过程腔内气体的最高温度同样呈现逐渐增加的趋势。首次压缩空气过程中，变排气压力液体活塞腔内空气的最大温度为318 K，而恒定排气压力的液体活塞腔内的温度为327 K，这种温度差随着时间的增加逐渐减小，所以变排气压力液体活塞在一定程度上能够有效降低腔体内空气温度的增加，而随着时间的增加这种效果逐渐减弱。

图2 无喷淋液体活塞恒压与变压排气储能过程腔内温度变化

  图3为液体活塞和储气室腔内的压力随时间的变化。图中变排气压力压缩空气过程储气室内部的空气压力与液体活塞的出口压力吻合较好，而在恒定排气压力下液体活塞出口压力与储气室内部的压力差随着时间的增加逐渐减小，这证实了液体活塞在变排气压力工况下能够更好适应储气室内压力的变化，有效降低高压空气进入储气室所造成的局部压力降损失。对比恒压和变压排气工况下储气室内压力的变化，在初次充气中变压力储气过程储气室内压力增加较为缓慢，而随着循环次数的增加，充气过程储气室内压力的提升速度增快，这与变压排气持续时间密切相关。结合图2中的温度曲线，液体活塞装置变压排气进入储气室的温度较低，同时这种变压排气在一定程度上能够有效减弱储气室充气过程的温度效应。

图3 无喷淋液体活塞恒压与变压排气储能过程腔内压力变化

  液体活塞入口压力(即绝热压缩与液体活塞近等温压缩的中间压力)对压缩空气储能过程热能与压力势能的匹配具有重大影响，图4(a)为变排气压工况下中间压力对储能过程能量存储密度与㶲效率的影响曲线。存储能量密度随着中间压力的增加逐渐增加，而㶲效率出现先增加后减小的趋势。当中间压力为1.2 MPa时，储能过程可用能利用率达到最佳。图4(b)中为压缩空气储能过程各设备输入㶲与㶲损失的变化，结合图4(a)可以发现，液体活塞腔和驱动水泵的可用能损失是造成储能过程㶲效率降低的主要因素。

图4 液体活塞进气压力的影响规律分析

  3.2 带喷淋复合压缩空气储能恒压排气与变压排气

  表4为液体活塞机构喷淋压力为1 MPa、恒压排气时，复合压缩空气储能过程各设备㶲分析结果。相比于非喷淋复合压缩空气储能，㶲效率提升3.3%。所以，液体活塞机构加装喷淋可以进一步提升复合压缩空气储能过程的㶲效率。

表4 喷淋压力为1 MPa时复合储能设备㶲分析结果

  图5为变压排气下带有喷淋与无喷淋液体活塞压缩空气储能过程气相温度的变化，可以发现带有喷淋液体活塞排气最大压缩温差仅为18 K，远低于非喷淋液体活塞腔内温度的变化。值得注意的是，在每次循环中液体活塞排气过程的最低温度出现了较大差异，这与每次循环中的喷淋吸热差异密切相关。喷淋耗功与水泵耗功是液体活塞压缩空气储能过程的主要耗功元件，图6中为不同喷淋压力下液体活塞压缩空气过程的耗功变化。随着喷淋压力的增加，喷淋耗功随之增加，而水泵耗功出现急剧下降并逐渐趋于稳定；这主要是由于增加喷淋量可以提升近等温压缩空气效能，从而有效降低水泵耗功。这两类功耗的变化对压缩空气过程中㶲效率的影响较大，图7中显示出了随着喷淋压力的增加，压缩㶲效率出现先增加后降低的趋势，这与喷淋耗功、水泵耗功的综合表现密切相关，即当液体活塞结构尺寸与压缩参数确定后存在最佳的喷淋压力可以使压缩㶲效率达到最佳。

图5 1 MPa喷淋与无喷淋工况下液体活塞腔内空气温度变化

图6 无喷淋压缩空气过程水泵和喷淋耗功

图7 不同喷淋压力下喷淋质量与㶲效率变化

  图8为不同喷淋压力下液体活塞腔体内气相最高温度的变化。当腔内无喷淋时，气相侧的温度在压缩过程中变化剧烈，且该工况下气相侧温度远高于喷淋环境下的压缩温度。此外，随着喷淋压力的增加，气相侧最高温度首先出现急剧下降，并逐渐趋于平缓；这说明当喷淋压力高于0.6 MPa后，喷淋压力对液体活塞的近等温压缩效能的影响不再显著。

  上述分析中可以看出，腔内喷淋能够有效提升液体活塞压缩空气过程的热力效能，然而结合图2和图5可以发现液体活塞压缩过程空气温度呈现非线性变化，即在压缩初期和后期气相侧温度上升较快，而在压缩中期气相侧的温度变化较为平稳。图9和图10为不同时段喷淋时喷淋压力对功耗和㶲效率的影响。不同时段喷淋对液体活塞整体的耗功趋势与图6基本相似，然而当喷淋出现在液体活塞后期压缩过程时，水泵和喷淋耗功远低于后期喷淋的耗功，而压缩㶲效率较高，且随着喷淋压力的增加这种差异更为显著。另外，前期喷淋的压缩㶲效率在喷淋压力为0.2 MPa时达到最大，而后期喷淋时的最大压缩㶲效率出现在喷淋压力为0.6 MPa。

  图11为喷淋压力为0.2 MPa时，不同喷淋时段液体活塞内气相侧温度的变化。图中前期喷淋对液体活塞腔内的降温效果并不显著，且在压缩后期气相侧温度急剧升高，无法达到近等温压缩的效果；而在后期喷淋过程中可以显著观察到气相侧的升温现象受到严重抑制。

  不同时段喷淋对液体活塞近等温压缩空气效能的影响具有较大差异，图12为压缩前期与后期不同喷淋量压力的液体活塞耗功、㶲效率、喷淋量对比。当喷淋前期压力恒定，水泵耗功随后期喷淋压力的增加逐渐减小，而喷嘴喷淋耗功逐渐增加。前期喷淋压力为0.2 MPa时，水泵耗功最大，此时喷淋耗功最低，压缩㶲效率达到最大[图12(b)]；当前期喷淋压力为0.8 MPa时，水泵耗功最低，喷淋耗功最大，压缩过程可用能利用率最低。此外，当前期喷淋压力为0.2 MPa时，压缩过程最大㶲效率接近72%，此时的喷淋总量达到1.59 kg。

图12 液体活塞喷淋策略对压缩空气过程性能影响分析

  4 结论

  液体活塞压缩空气装置通过加强压缩空气与环境的热交换，将气体压缩时温度的变化控制在一个较小的范围，减少过程功耗，实现高效近等温压缩空气储能。利用液体活塞机构代替传统绝热压缩机，可以有效降低压缩热耗散，提升压缩空气储能过程电能向空气压力势能的转换效率。本工作将绝热压缩与液体活塞近等温压缩过程进行合理融合，建立了该复合压缩空气储能过程的热力学模型，研究了无喷淋与有喷淋策略对整体压缩过程热力学性能的影响规律，获得了复合压缩空气储能过程的高效运行策略。主要结论如下。

  （1）复合储能过程的㶲效率比绝热压缩空气储能过程的㶲效率高3%；相同储能条件下，液体活塞变排气压力压缩空气储能过程的㶲效率比恒压排气压缩空气储能高3%，同时储能密度保持在较高的数值。

  （2）变压排气液体活塞在一定程度上能够有效降低腔内空气温度的增加，然而随着循环次数的增加，这种效果逐渐减弱。液体活塞在变压排气工况下能够更好地适应储气室内压力的变化，有效降低高压空气进入储气室所造成的局部压力降损失，此时进入储气室的空气温度较低，同时这种变压排气在一定程度上能够有效减弱储气室充气过程的温度效应。

  （3）相比于非喷淋复合压缩空气储能，喷淋能够使㶲效率提升3.3%；带有喷淋液体活塞排气最大压缩温差仅为18 K，远低于非喷淋液体活塞腔内温度的变化。腔内喷淋能够有效提升液体活塞压缩空气过程的热力效能，且不同时段喷淋对液体活塞近等温压缩空气效能的影响具有较大差异。