中国储能网讯：在“双碳”背景下,新型电力系统呈现“一低、两高、双峰、双随机”特点,高比例新能源发电并网给电力系统安全稳定运行带来了重大挑战,大容量、长时、安全、稳定、灵活的储能是未来发展的主流趋势。压缩空气储能是一种将电能转化为空气压力能存储,在电网需要时通过空气推动透平和发电机进行发电的储能方式,具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长和安全性高等优点。

国内外学者致力于研究绝热式压缩空气储能系统中各主设备对系统电-电循环效率的影响,旨在提高系统效率。Zhang等研究了压缩机运行特性对系统的影响。韩中合等研究了储气库压力变化对系统效率与性能的影响。Zhao等研究了不同透平模型对系统效率的影响。Yang等研究了换热器效能在0.4~0.9变化时对系统的影响。同时,还有部分学者系统性地研究了不同主设备对系统效率的影响。但是,以上研究主要是对换热器的效能进行评价。由于换热效能与压降的关系固定,有必要更全面地研究换热器对系统的影响,将能效与压降解耦,同时在工程应用中也需要考虑成本因素。

因此,以某100MW绝热式压缩空气储能系统为研究对象,构建完整热力系统,通过改变换热器的各项参数,研究换热器在系统中的影响因素及影响程度,旨在对系统设计选型和成本优化提供参考。

1 系统设计参数

绝热式压缩空气储能系统是一种新颖的储能技术。在储能过程中,采用多级压缩和多级冷却,通过消耗电能收集压缩热;在释能过程中,采用多级加热和多级膨胀,在释放压缩热的同时进行发电。

图1为绝热式压缩空气储能系统流程图。系统采用中温水储热形式。储能过程包括4级压缩,第1—3级压缩机采用定压运行、2段级间冷却,其中第1段冷却器储热,第2段冷却器不储热,第4级压缩机采用变频滑压运行、1段级间冷却。释能过程包括3级膨胀,膨胀过程采用先节流后滑压运行方式。同时,在每级透平前设置1段加热。

主要分析换热器的影响,对系统做如下规定和简化:

(1)空气为干气体,空气的物性参数采用NISTRefprop数据库中的干空气数据,水的物性参数按照IAPWS-IF97公式计算;

(2)不考虑管道的压力损失和系统的保温损失;

(3)在储能和释能过程,储气库温度保持恒定;

(4)不考虑压缩机与空气透平在启动/关停过程的耗功和做功,在变滑压运行过程中,各级压缩机和空气透平采用综合平均效率,并且保持不变;

(5)不考虑辅助系统的效率和电耗。

2 系统热力理论计算

绝热式压缩空气储能系统主要由压缩机、空气透平、储热系统、换热器和储气系统等组成。系统的主要参数见表1。

2.1 压缩机

在储能过程中,过滤后的空气经过4级压缩机和级间冷却,转为高压的压缩空气,该过程为绝热压缩过程。每级压缩机出口的空气比焓为

式中:hi,C,in、hi,C,out为第i级压缩机进、出口空气的比焓；hi,C,s为第i级压缩机在确定压比下空气的等熵比焓；ηC为压缩机的等熵效率。

每级压缩机耗功为

式中:Wi,C为第i级压缩机的耗功;qm,i,C为压缩机进口空气的质量流量;ηe,C为压缩机电动机效率;ηm,C为压缩机机械效率。

2.2 空气透平

在释能过程中,储气库中的压缩空气流经各级加热器进行加热,再通过3级空气透平做功,该过程为绝热膨胀过程。

每级空气透平出口的空气比焓为

式中:hi,T,in、hi,T,out分别为第i级空气透平进、出口空气的比焓;hi,T,s为第i级空气透平在确定压比下空气的等熵比焓;ηT为空气透平的等熵效率。

每级空气透平的发电功率为

式中:Wi,T为第i级空气透平的发电功率;qm,i,T为空气透平进口空气的质量流量;ηe,T为空气透平发电机效率;ηm,T为空气透平机械效率。

2.3 换热器

在储能过程中,压缩机将空气压缩为高温高压气体,随后压缩空气在换热器中进行冷却。在第1—3级压缩机出口,采用2段冷却。第1段冷却过程进行储热,可以较好地控制储热温度;第2段冷却过程不进行储热,通过控制冷却循环水量控制下一级压缩机进口温度。第4级压缩机出口的冷却器不进行储热,控制进入储气库压缩空气的温度适宜。

各级压缩机第1段冷却器的储热量为

式中:Qi,1为第i级压缩机的第1段冷却器从高温空气中吸收的热量;qm,i,1为第i级压缩机储热水的质量流量;cp,i,1为第i级压缩机储热水的平均比定压热容;ti,1,out、ti,1,in分别为第i级压缩机的第1段冷却器出口、进口储热水的温度。

各级压缩机第2段冷却器的冷却量为

式中:Qi,2为第i级压缩机的第2段冷却器的冷却量;qm,i,2为第i级压缩机冷却水的质量流量;cp,i,2为第i级压缩机冷却水的平均比定压热容;ti,2,out、ti,2,in分别为第i级压缩机的第2段冷却器出口、进口冷却水的温度。

在释能过程,从储气库引出的压缩空气在进入每级空气透平前,需要经过加热器,吸收储能过程中存储的压缩热,以提高空气透平的效率。

膨胀侧加热器的释热量为

式中:Qi,3为第i级膨胀侧加热器的释热量;qm,i,3为第i级膨胀侧加热器储热水的质量流量;cp,i,3为第i级膨胀侧加热器储热水的平均比定压热容;Ti,3,out、Ti,3,in为第i级膨胀侧加热器出口、进口储热水的温度。

换热器均采用逆流管壳式换热器,可以直接采用热侧与冷侧换热介质进出口的上端差、下端差,以及空气侧的压降计算系统效率。

上端差的计算公式为

式中:ΔTi,j为换热器上端差;Ti,j,in为换热器热侧介质的进口温度;ti,j,out为换热器冷侧介质的出口温度;j取1、2、3分别表示压缩侧第1段冷却过程、压缩侧第2段冷却过程和膨胀侧加热过程;当j为2时,i取1、2、3、4,其余i取1、2、3。

下端差的计算公式为

式中:Δti,j为换热器下端差;Ti,j,out为换热器热侧介质的出口温度;ti,j,in为换热器冷侧介质的进口温度。

空气侧压降的计算公式为

式中:Δpi,j为换热器空气侧的压降;pi,j,in为换热器空气侧进口压力;pi,j,out为换热器空气侧出口压力。

2.4 储气库

压缩空气储能系统中储气库的种类众多,例如盐穴、人工硐室和压力容器等,不同类型的储气库具有不同的储气特性[15]。为简化计算,假设储气库在储能和释能过程的温度保持恒定。

储气库容积的计算公式为

式中:Vat为储气库容积;ma,T为整个发电时长内空气透平膨胀发电所需要压缩空气的总质量;ρa,e为储气库储气终止压力下空气的密度;ρa,s为储气库初始压力下空气的密度。

2.5 储热系统

储热系统采用冷热分储方式。在储能过程中,储热水从冷罐流出,经过压缩侧第1段冷却器吸收压缩热,温度升高后流进热罐;在释能过程中,储热水从热罐流出,经过膨胀侧加热器释放压缩热,温度降低后流回冷罐。由此形成一个循环。

储热系统冷罐、热罐在储能和释能的循环内保持储热水的质量平衡。在工程应用中,储能过程与释能过程通常有时间间隔,冷罐、热罐的温度会发生改变,为简化计算,假设热罐和冷罐的温度保持不变。

储热系统储热量的计算公式为

式中:Qw,t为储热系统储热量;mw,t为整个发电时长内空气透平膨胀发电所需要储热水的总质量;cp,w,t为冷热罐储热水的平均比定压热容;Tw,t,hot为热罐储热水的温度;Tw,t,cold为冷罐储热水的温度。

2.6 系统效率

压缩空气储能系统的效率应考虑储能和释能的全过程。

系统效率的计算公式为

式中:ηe-e为压缩空气储能系统的电-电效率;tT为释能过程的发电时间;tC为储能过程时间;Pi,T为释能过程需要稳定输出的发电功率,通常为固定值,简化为PT,在系统采用节流或滑压运行的过程中,通过调节空气流量保持发电功率稳定;Pi,C为压缩机耗电率,在整个储能过程中,Pi,C随着储气库压力的增加而增加。

3 研究结果与分析

在整个压缩空气储能热力系统搭建完成后,通过改变各换热器的端差和空气侧压降,分析换热器对系统的影响。

3.1 端差对系统的影响

分析固定压降下,端差变化对系统的影响。在该100MW等级压缩空气储能系统中,选取压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的空气侧压降为30kPa,压缩侧第2段冷却器的空气侧压降为10kPa,调节换热器的端差进行模拟计算。

在模拟计算中,当调节压缩侧第2段冷却器的上、下端差时,系统效率保持不变。原因是压缩侧的第2段冷却过程没有进行储热,其上、下端差影响循环冷却水的回水温度和水量,但是不会直接影响系统效率。当压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的上端差保持不变时,调节其下端差,系统效率保持不变,但是储能和释能过程中的储热水量发生变化。在冷罐冷水温度不变的情况下,增加压缩侧第1段冷却器的下端差,压缩机出口空气温度在经过第1段冷却后升高,储能过程的储热量和储热水量减少,但是由于有第2段冷却过程,空气进入下一级压缩机的温度可以被冷却至设定温度,不会影响下一段的压缩过程。对于膨胀侧加热器,热侧热水出口温度随储气库出口温度和透平空气出口温度的增大而增大,释能过程所需的储热水量下端差的增加而增加。由此可见,压缩侧和膨胀侧换热器下端差的变化对储热水量裕量(储能过程储热水量与释能过程储热水用量之差)的影响趋势相反。

当储能过程与释能过程所需的储热水量相同时,系统才能实现稳定完整的储能循环。在模拟计算过程,调节压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的上端差,使其在0~20℃变化,下端差则根据系统整个储能和释能过程储热水量的平衡进行动态调节,与上端差相匹配。同时,根据上端差的变化相应调整储热罐热水温度。系统效率随上端差的变化趋势如图2所示。

从图2中可以看出,随着换热器上端差的减小,系统效率呈线性增加趋势,换热器上端差对效率的影响约为0.3%/℃。当上端差趋近0℃时,无法再通过调整下端差保持系统储热水量裕量的平衡,导致需要单独增加储气量裕量(储能过程储气量与释能过程用气量之差)或储热水量裕量,系统效率的增加趋势也随之减缓。

在系统机理层面,压缩机的等熵效率和机械效率保持恒定时,各段压缩机出口空气温度和压缩机耗功是确定的,压缩侧换热器的上端差直接影响储热温度上限。在膨胀侧,储热温度上限和换热器上端差共同影响透平进口空气温度,在透平等熵效率和机械效率不变的情况下,储热温度上限和换热器上端差的减小使得进入透平的空气温度上升,使透平做功增加,进而提高了系统效率。在实际系统设计时,采用降低空气侧气耗率的方式控制透平发电功率固定,该方法降低了压缩机压气量的要求,减少了压缩机耗功,进而提高了系统效率。

在所讨论的系统中,压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的下端差对储热水温度没有影响,但会影响储能过程储热水存储总量和释能过程储热水需求总量。由于存在压降,压缩机压比总是大于透平压比。在模拟计算时,可以通过调节压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器下端差,保证储能与释能过程总储热量的平衡。因此,在该条件下换热器的下端差对系统效率不产生明显影响。但是,在工程设计中,当压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的下端差设置出现较大偏差时,将影响储热水的平衡,从而导致系统效率降低。

3.2 空气侧压降对系统的影响

选取压缩侧和膨胀侧换热器的上端差为10℃,下端差将根据整个储能和释能过程的储气量裕量和储热水量裕量的平衡进行动态调整。研究固定上端差时,换热器空气侧压降对系统的影响。调节压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的空气侧压降在0~50kPa变化。同时,保持压缩侧第2段冷却器的空气侧压降为10kPa。系统效率随空气侧压降的变化趋势如图3所示。

从图3中可以看出,随着换热器压降的减小,系统效率呈线性增加趋势,换热器压降对效率的影响约为0.05%/kPa。

3.3 理论极限效率

在压缩机和透平效率确定的情况下,设定压缩侧第1段冷却器和膨胀侧加热器的上、下端差为0℃,空气侧压降为0kPa,压缩侧第2段冷却器控制进入下一级压缩机空气的温度或进入储气库的温度保持不变,空气侧压降为0kPa。同时,还需要考虑储气量裕量与储热水量裕量的平衡。在以上理想条件下,模拟计算出系统的理论极限效率可以达到约73.1%。

3.4 分段空气侧压降对系统的影响

在本系统中,压缩侧第1段冷却过程和膨胀侧加热过程均配备了3级换热器。压缩侧第1段冷却过程3级换热器的空气侧压力逐级增加,分别对应低压、中压和高压3个级别;膨胀侧加热过程3级换热器的空气侧压力逐级减小,分别对应高压、中压和低压3个级别。

在压缩机和透平效率确定的情况下,设定基准工况:上端差为10℃,空气侧压降为30kPa。调整压缩侧第1段冷却过程和膨胀侧加热过程的低压级、中压级和高压级换热器空气侧压降,各工况参数如表2所示。模拟计算整个系统的效率,结果如图4所示。

从图4中可以看出,降低高压级换热器的空气侧压降时,系统效率的提升效果不明显,降低低压级换热器的空气侧压降时,系统效率的提升幅度最大。可以考虑通过变更换热器类型,例如采用换热效率更高的板式换热器,或采用可以增加空气侧换热面积优化流道的翅片式错流换热器等方式来降低低压级换热器的空气侧压降,从而提高系统效率。

从计算原理的角度来看,压缩机耗功和透平发电功率与压比是正比关系,压缩机和透平的运行压力越低,换热器的压降在运行压力中所占的比例越高,对压比的影响也更加显著。该结论在模拟计算中也得到了验证。在储气库最高储气压力不变的情况下,换热器的分级压降对压缩机储能过程运行终态的总压比和透平释能过程节流运行的总压比的影响情况如图5所示。换热器压降的降低使得压缩机的总压比降低,耗功降低,同时使透平的总压比升高,发电功率升高,相应的系统效率提高。其中,低压级换热器压降降低对压比的影响更显著。

3.5 固定效率下的换热器成本分析

在实际的换热器设计过程,由于造价成本的限制,换热器端差与压降之间存在相互制约,二者难以实现同时减小。因此,对于绝热式压缩空气储能系统的换热器,其端差和压降的选取需要综合考虑性能和成本,以实现最优的匹配选择。固定系统效率在68.68%左右,以压降为30kPa、端差为10℃为基准。通过调整压降,端差根据效率要求进行相应调整,得到5组换热器参数(见表3)。通过相同的设计方法[16-17],利用这5组输入参数,设计了5组纯逆流管壳式换热器。5组换热器的相对成本如表3所示,其中压降为30kPa、端差为10℃时换热器的成本最低。

对上述5组换热器对应级间的单台换热器进行成本分析,例如同为压缩侧低压级第1段冷却器,以空气在管侧、储热水在壳侧的管壳式换热器进行测算。换热器由管箱、管板、换热管和壳体等主要材料,以及折流板、接管和支座等辅件组成。

虽然5组换热器对应级间的单台换热器的端差和压降存在差异,但是温度参数没有显著差异,并且压降级别远低于设备的工作压力级别,因此换热器的设计温度和压力基本相同。在材料选择上,主要材料保持一致,管箱和壳体均采用Q345R等常规压力容器钢,通过卷制或压制成型,管板、接管等采用16MnⅡ锻件,换热管采用20号钢管。从换热器设计角度来看,换热器的成本主要取决于其换热面积。

换热面积A与热负荷Q、传热温差ΔT和传热系数k的关系为

5组单台换热器的热负荷基本相同,换热温差正比于上、下端差,传热系数总体上正比于压降Δp。换热器成本C与换热面积,以及压降和端差的关系可简化为式(15),其中端差使用传热温差代替。由式(15)可知:随着换热器端差的降低,所需的换热面积增大,导致换热器成本增加;随着压降的减小,换热器的直径增加,导致传热系数减小,换热面积增大,换热器成本增加。

对于这5组换热器,随着压降的增加,端差相应降低。在端差和压降变化的不同阶段,二者对成本的影响分别起主导作用。当端差或压降降低到一定程度后,换热器成本急剧增加。因此,存在1组最优的端差和压降组合,在满足系统效率要求的前提下使换热器成本最优。

4 结语

针对某绝热式压缩空气储能系统,在压缩机和透平效率确定、冷罐和储气库恒温的模型条件下,通过调整换热器的参数进行模拟计算,主要得出以下结论:

(1)随着第1段冷却器和膨胀侧加热器上端差的减小,系统效率逐渐增加,上端差对效率的影响约为0.3%/℃;在实际的工程设计中,下端差的选择应与上端差相匹配,以保持储热水量的平衡,从而实现系统效率的最优化。随着第1段冷却器和膨胀侧加热器空气侧压降的减小,系统效率逐渐增加,空气侧压降对效率的影响约为0.05%/kPa。

(2)在理论极限条件下,绝热式压缩空气储能系统的极限效率可以达到约73.1%。

(3)通过分析分级压降对系统效率的影响,发现相比于降低高压级换热器的空气侧压降,降低低压级换热器的空气侧压降时系统效率的提升效果更显著。因此,在系统设计时,应尽量降低低压侧换热器的压降,可以考虑变更换热器类型;对于高压侧换热器压降,则可以适当放宽要求以降低成本。

(4)存在1组最优的端差和压降组合,在满足系统效率要求的前提下使换热器成本最优。在本文条件下,最优的压降和端差组合为30kPa、10℃。在实际工程应用中,绝热式压缩空气储能系统效率受多种因素的综合影响。除了换热器端差、空气侧压降、压缩机及透平效率、储气库形式、管道压降、温条件、系统启停损失、辅机损失等,还需要考虑环境条件、设计裕量和整体度电成本等因素。因此,需要综合地考虑和优选系统设计参数。