摘要：本文設計了一種基于三元熔鹽蓄熱的非補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替代導熱油的優(yōu)勢，應用熱力系統(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等級的非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)蓄熱設備進出口參數(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的降本提效提供參考。
引言
在我國提出雙碳目標的大背景下，電網運行過程中出現(xiàn)的晝夜峰谷差大、波動性強等因素造成的能源浪費問題越來越受到各界的重視。同時，為了解決電網的調峰問題，多種儲能技術得到了迅猛的發(fā)展，在行業(yè)內有“綠色充電寶”之稱的壓縮空氣儲能技術是大規(guī)模電力儲能最具發(fā)展前景的技術之一。近年來多個壓縮空氣儲能電站在我國成功建設并順利投運，因此優(yōu)化完善現(xiàn)有壓縮空氣儲能技術，對系統(tǒng)進行技術革新具有重要意義。
1.概況
國外早期的壓縮空氣儲能系統(tǒng)多采用補燃式技術，即在系統(tǒng)中配備內燃室或燃氣輪機模塊，通過將壓縮空氣和燃料混合燃燒來提高膨脹機入口氣體溫度，這樣空氣壓縮過程中產生的壓縮熱就得不到有效利用，造成了巨大的能量浪費。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，中間蓄熱介質的選取是關鍵，目前國內已建和在建的項目蓄熱介質多采用高溫導熱油，導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℃，相比于導熱油能夠提高系統(tǒng)的運行溫度，提高了儲熱效率，使用壽命能夠高達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燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究，為新型壓縮空氣儲能技術提供參考。
2.系統(tǒng)設計方案
2.1 系統(tǒng)描述
本文選取60MW等級非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)作為研究對象，中間蓄熱設備采用水和三元熔鹽兩種介質，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、運行溫度更低，更適合壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
根據熔鹽特性和關鍵設備材料選型，選擇的運行溫度范圍為180℃~345℃，本熱器、高低溫熔鹽儲罐、壓縮空氣儲罐等關鍵設備。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入口空氣被返回系統(tǒng)利用。
表1 系統(tǒng)設計參數(shù)
2.2 系統(tǒng)建模及性能分析
本設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。假定壓縮機和膨脹機的工作過程穩(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、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、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置工業(yè)壓縮機、膨脹機的等效率值，根據表1系統(tǒng)設計參數(shù)，通過調整壓縮系統(tǒng)和膨脹系統(tǒng)進出口邊界參數(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)中壓縮機出口溫度為360℃，空氣質量流量為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量流量為176t/h，二級空氣/熔鹽換熱器所需熔鹽質量流量為176t/h，壓縮過程所需三元熔鹽總量為2848t，壓縮機總的軸功率為49.9MW。
釋能系統(tǒng)中膨脹機出口溫度為54.5℃，空氣質量流量為442.1t/h，一級熔鹽/空氣換熱器所需熔鹽質量流量為280t/h，二級空氣/熔鹽換熱器所需熔鹽質量流量為272t/h，膨脹過程所需三元熔鹽總量為2780t，膨脹機的總軸功率為60.3MW。具體性能參數(shù)如下表2、3所示。本設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 結語
本文設計了一種基于三元熔鹽蓄熱的非補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)中替代導熱油介質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，根據系統(tǒng)設定的進出口邊界參數(shù)，合理匹配出了60MW等級的非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)換熱設備進出口參數(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的改進和更新提供參考。
