摘要：本文設(shè)計了一種基于三元熔鹽蓄熱的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)方案，分析了壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用三元熔鹽作為蓄熱介質(zhì)替代導(dǎo)熱油的優(yōu)勢，應(yīng)用熱力系統(tǒng)仿真軟件建模，完成了系統(tǒng)整體性能核算研究，合理匹配出60MW等級的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)蓄熱設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)以及三元熔鹽用量。本研究可為現(xiàn)有壓縮空氣儲能技術(shù)的降本提效提供參考。
引言
在我國提出雙碳目標(biāo)的大背景下，電網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的晝夜峰谷差大、波動性強(qiáng)等因素造成的能源浪費(fèi)問題越來越受到各界的重視。同時，為了解決電網(wǎng)的調(diào)峰問題，多種儲能技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，在行業(yè)內(nèi)有“綠色充電寶”之稱的壓縮空氣儲能技術(shù)是大規(guī)模電力儲能最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。近年來多個壓縮空氣儲能電站在我國成功建設(shè)并順利投運(yùn)，因此優(yōu)化完善現(xiàn)有壓縮空氣儲能技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)革新具有重要意義。
1.概況
國外早期的壓縮空氣儲能系統(tǒng)多采用補(bǔ)燃式技術(shù)，即在系統(tǒng)中配備內(nèi)燃室或燃?xì)廨啓C(jī)模塊，通過將壓縮空氣和燃料混合燃燒來提高膨脹機(jī)入口氣體溫度，這樣空氣壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱就得不到有效利用，造成了巨大的能量浪費(fèi)。為了解決這一問題，蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。
目前新建壓縮空氣儲能項目均內(nèi)嵌有蓄熱子系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)通過儲存和釋放空氣壓縮熱大大提高了儲能效率。在蓄熱系統(tǒng)中，中間蓄熱介質(zhì)的選取是關(guān)鍵，目前國內(nèi)已建和在建的項目蓄熱介質(zhì)多采用高溫導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油的最高工作溫度區(qū)間僅為350℃~400℃，在高溫條件下易揮發(fā)，限制了系統(tǒng)運(yùn)行最高溫度，工作僅3年左右就需要更換一次，使用成本高。三元熔鹽儲最高工作溫度區(qū)間為450℃~538℃，相比于導(dǎo)熱油能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，提高了儲熱效率，使用壽命能夠高達(dá)25年左右，在成本控制方面優(yōu)勢明顯，目前主要用于光熱發(fā)電。然而，熔鹽蓄熱在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用還在研發(fā)試驗階段。
本文采用模擬仿真的方法開展基于三元熔鹽蓄熱的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究，為新型壓縮空氣儲能技術(shù)提供參考。
2.系統(tǒng)設(shè)計方案
2.1 系統(tǒng)描述
本文選取60MW等級非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)作為研究對象，中間蓄熱設(shè)備采用水和三元熔鹽兩種介質(zhì)，三元熔鹽組成成分為7%NaNO3+40%NaNO2+53%KNO3，熔點為142℃，沸點680℃，427℃以下非常穩(wěn)定。相比于二元熔鹽物性，三元熔鹽熔點更低、運(yùn)行溫度更低，更適合壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
根據(jù)熔鹽特性和關(guān)鍵設(shè)備材料選型，選擇的運(yùn)行溫度范圍為180℃~345℃，本熱器、高低溫熔鹽儲罐、壓縮空氣儲罐等關(guān)鍵設(shè)備。壓縮系統(tǒng)采用三級布置，膨脹系統(tǒng)兩級布置，壓縮空氣采用儲氣罐群儲存，空氣壓縮熱通過與熔鹽換熱儲存在蓄熱罐中，高溫熔鹽儲存的熱量通過加熱各級膨脹機(jī)入口空氣被返回系統(tǒng)利用。
表1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)
2.2 系統(tǒng)建模及性能分析
本設(shè)計方案采用仿真模擬軟件對壓縮空氣儲能系統(tǒng)、膨脹釋能系統(tǒng)分別搭建熱力系統(tǒng)模型。假定壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的工作過程穩(wěn)定，為了提高系統(tǒng)壓縮熱的利用效率，儲能系統(tǒng)采用壓縮機(jī)、壓縮空氣/低溫熔鹽換熱器、壓縮空氣/低溫水換熱器分級相間布置的方式.釋能系統(tǒng)中同樣將膨脹機(jī)、高溫熔鹽/空氣換熱器、高溫水/空氣換熱器分級相間布置。
通過查閱資料合理設(shè)置工業(yè)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的等效率值，根據(jù)表1系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，通過調(diào)整壓縮系統(tǒng)和膨脹系統(tǒng)進(jìn)出口邊界參數(shù)，合理匹配各部分阻力，模擬獲得60MW基于熔鹽蓄熱的壓縮空氣儲能系統(tǒng)整體性能參數(shù).仿真建模如圖1所示。
圖1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)建模
對圖1壓縮空氣儲能系統(tǒng)仿真計算可以獲得，儲能系統(tǒng)中壓縮機(jī)出口溫度為360℃，空氣質(zhì)量流量為276.3t/h，換熱后高溫熔鹽溫度為345℃，一級空氣/熔鹽換熱器所需熔鹽質(zhì)量流量為176t/h，二級空氣/熔鹽換熱器所需熔鹽質(zhì)量流量為176t/h，壓縮過程所需三元熔鹽總量為2848t，壓縮機(jī)總的軸功率為49.9MW。
釋能系統(tǒng)中膨脹機(jī)出口溫度為54.5℃，空氣質(zhì)量流量為442.1t/h，一級熔鹽/空氣換熱器所需熔鹽質(zhì)量流量為280t/h，二級空氣/熔鹽換熱器所需熔鹽質(zhì)量流量為272t/h，膨脹過程所需三元熔鹽總量為2780t，膨脹機(jī)的總軸功率為60.3MW。具體性能參數(shù)如下表2、3所示。本設(shè)計方案能夠合理匹配儲能和釋能過程所需的高低溫熔鹽總用量，膨脹機(jī)工作過程中能夠充分的利用壓縮過程的空氣壓縮熱，提高系統(tǒng)整體效率。
表2 壓縮系統(tǒng)性能參數(shù)
表3 膨脹系統(tǒng)性能參數(shù)
3 結(jié)語
本文設(shè)計了一種基于三元熔鹽蓄熱的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，分析了三元熔鹽在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中替代導(dǎo)熱油介質(zhì)與壓縮空氣換熱的合理和可靠性，采用熱力系統(tǒng)仿真軟件搭建模型，完成了系統(tǒng)整體性能核算，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的進(jìn)出口邊界參數(shù)，合理匹配出了60MW等級的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)換熱設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)以及三元熔鹽用量。本系統(tǒng)方案的研究可為壓縮空氣儲能技術(shù)的改進(jìn)和更新提供參考。
