摘要：本文设计了一种基于三元熔盐蓄热的非补燃式压缩空气储能系统方案，分析了压缩空气储能系统采用三元熔盐作为蓄热介质替代导热油的优势，应用热力系统仿真软件建模，完成了系统整体性能核算研究，合理匹配出60MW等级的非补燃式压缩空气储能系统蓄热设备进出口参数以及三元熔盐用量。本研究可为现有压缩空气储能技术的降本提效提供参考。
引言
在我国提出双碳目标的大背景下，电网运行过程中出现的昼夜峰谷差大、波动性强等因素造成的能源浪费问题越来越受到各界的重视。同时，为了解决电网的调峰问题，多种储能技术得到了迅猛的发展，在行业内有“绿色充电宝”之称的压缩空气储能技术是大规模电力储能最具发展前景的技术之一。近年来多个压缩空气储能电站在我国成功建设并顺利投运，因此优化完善现有压缩空气储能技术，对系统进行技术革新具有重要意义。
1.概况
国外早期的压缩空气储能系统多采用补燃式技术，即在系统中配备内燃室或燃气轮机模块，通过将压缩空气和燃料混合燃烧来提高膨胀机入口气体温度，这样空气压缩过程中产生的压缩热就得不到有效利用，造成了巨大的能量浪费。为了解决这一问题，蓄热式压缩空气储能系统得到了快速发展。
目前新建压缩空气储能项目均内嵌有蓄热子系统，蓄热系统通过储存和释放空气压缩热大大提高了储能效率。在蓄热系统中，中间蓄热介质的选取是关键，目前国内已建和在建的项目蓄热介质多采用高温导热油，导热油的最高工作温度区间仅为350℃~400℃，在高温条件下易挥发，限制了系统运行最高温度，工作仅3年左右就需要更换一次，使用成本高。三元熔盐储最高工作温度区间为450℃~538℃，相比于导热油能够提高系统的运行温度，提高了储热效率，使用寿命能够高达25年左右，在成本控制方面优势明显，目前主要用于光热发电。然而，熔盐蓄热在压缩空气储能系统中的应用还在研发试验阶段。
本文采用模拟仿真的方法开展基于三元熔盐蓄热的非补燃式压缩空气储能系统研究，为新型压缩空气储能技术提供参考。
2.系统设计方案
2.1 系统描述
本文选取60MW等级非补燃式压缩空气储能系统作为研究对象，中间蓄热设备采用水和三元熔盐两种介质，三元熔盐组成成分为7%NaNO3+40%NaNO2+53%KNO3，熔点为142℃，沸点680℃，427℃以下非常稳定。相比于二元熔盐物性，三元熔盐熔点更低、运行温度更低，更适合压缩空气储能系统。
根据熔盐特性和关键设备材料选型，选择的运行温度范围为180℃~345℃，本热器、高低温熔盐储罐、压缩空气储罐等关键设备。压缩系统采用三级布置，膨胀系统两级布置，压缩空气采用储气罐群储存，空气压缩热通过与熔盐换热储存在蓄热罐中，高温熔盐储存的热量通过加热各级膨胀机入口空气被返回系统利用。
表1 系统设计参数
2.2 系统建模及性能分析
本设计方案采用仿真模拟软件对压缩空气储能系统、膨胀释能系统分别搭建热力系统模型。假定压缩机和膨胀机的工作过程稳定，为了提高系统压缩热的利用效率，储能系统采用压缩机、压缩空气/低温熔盐换热器、压缩空气/低温水换热器分级相间布置的方式.释能系统中同样将膨胀机、高温熔盐/空气换热器、高温水/空气换热器分级相间布置。
通过查阅资料合理设置工业压缩机、膨胀机的等效率值，根据表1系统设计参数，通过调整压缩系统和膨胀系统进出口边界参数，合理匹配各部分阻力，模拟获得60MW基于熔盐蓄热的压缩空气储能系统整体性能参数.仿真建模如图1所示。
图1 压缩空气储能系统建模
对图1压缩空气储能系统仿真计算可以获得，储能系统中压缩机出口温度为360℃，空气质量流量为276.3t/h，换热后高温熔盐温度为345℃，一级空气/熔盐换热器所需熔盐质量流量为176t/h，二级空气/熔盐换热器所需熔盐质量流量为176t/h，压缩过程所需三元熔盐总量为2848t，压缩机总的轴功率为49.9MW。
释能系统中膨胀机出口温度为54.5℃，空气质量流量为442.1t/h，一级熔盐/空气换热器所需熔盐质量流量为280t/h，二级空气/熔盐换热器所需熔盐质量流量为272t/h，膨胀过程所需三元熔盐总量为2780t，膨胀机的总轴功率为60.3MW。具体性能参数如下表2、3所示。本设计方案能够合理匹配储能和释能过程所需的高低温熔盐总用量，膨胀机工作过程中能够充分的利用压缩过程的空气压缩热，提高系统整体效率。
表2 压缩系统性能参数
表3 膨胀系统性能参数
3 结语
本文设计了一种基于三元熔盐蓄热的非补燃式压缩空气储能系统，分析了三元熔盐在压缩空气储能系统中替代导热油介质与压缩空气换热的合理和可靠性，采用热力系统仿真软件搭建模型，完成了系统整体性能核算，根据系统设定的进出口边界参数，合理匹配出了60MW等级的非补燃式压缩空气储能系统换热设备进出口参数以及三元熔盐用量。本系统方案的研究可为压缩空气储能技术的改进和更新提供参考。
