中國儲能網(wǎng)訊：余熱是限制先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)效率提高的主要原因之一。為提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率，以某100MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)為對象，研究減少和利用系統(tǒng)余熱的方案。通過軟件模擬計算，分析提高膨脹機進氣溫度對系統(tǒng)的影響，以及耦合有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電對系統(tǒng)發(fā)電效率的提升。結(jié)果表明，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，膨脹機進氣溫度每提高5℃，發(fā)電量約提升1.25%，但存在諸多問題；而耦合有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，可以充分利用系統(tǒng)余熱，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，凈發(fā)電功率最高增加686.33kW。
本文對AA-CAES系統(tǒng)中余熱的來源進行分析，并以某100MW系統(tǒng)為對象，研究減少和充分利用這部分余熱的優(yōu)化方法。
1 AA-CAES系統(tǒng)余熱分析
系統(tǒng)儲能時，空氣經(jīng)多級壓縮機壓縮升壓后進入儲氣裝置中存儲，同時壓縮過程中進行級間冷卻，熱量由低溫儲熱介質(zhì)進入高溫儲熱罐中儲存，完成儲能過程；系統(tǒng)釋能時，儲氣裝置中的高壓冷空氣經(jīng)高溫儲熱介質(zhì)加熱，隨后推動膨脹機做功發(fā)電。
AA-CAES系統(tǒng)中的余熱主要有三個部分。壓縮過程中，空氣經(jīng)過壓縮機絕熱壓縮后溫度會大幅提高，這是氣體絕熱壓縮升溫和能量轉(zhuǎn)換熵增放熱二者疊加引起的。高溫空氣中大部分熱量經(jīng)換熱器換熱后儲存在高溫熱罐中等待釋能環(huán)節(jié)利用，多出的熱量一部分由換熱器和管道自然散熱，剩余的低品位、難以利用的熱量則經(jīng)循環(huán)冷卻水帶走并散發(fā)到環(huán)境中。
膨脹過程中，為保證排氣順利，末級排氣壓力需略高于大氣壓力，此條件下的排氣溫度一般高于環(huán)境溫度，這部分熱量的利用比較受限，只能通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，盡量降低排氣溫度，減少排氣中這部分的熱量損失。
一次充放電過程結(jié)束后，系統(tǒng)中會有部分未利用的高溫儲熱介質(zhì)留存。理想氣體的壓縮和膨脹過程中，吸熱量和放熱量相等，但實際過程中，空氣壓縮過程中還存在電—熱轉(zhuǎn)換的熵增熱，同時換熱器有著換熱端差的限制，所以，膨脹發(fā)電部分在發(fā)出全部電量后，仍會有部分熱量未利用，以高溫儲熱介質(zhì)(高溫熱水、熔鹽或?qū)嵊偷?形式儲存在高溫儲熱罐中。
系統(tǒng)中這部分未使用高溫儲熱介質(zhì)中的熱量就是壓縮空氣儲能電站主要可利用的余熱來源，這部分熱量品質(zhì)相對較高，且來源穩(wěn)定(每次充放電結(jié)束后都有)。通常情況是將這部分高溫儲熱介質(zhì)，使用循環(huán)冷卻水降溫后返回低溫熱罐中儲存，用于下一次空氣壓縮過程的級間冷卻。這種方式不僅沒有回收熱量，還需要消耗大量電能和冷卻水，存在較大浪費，降低了系統(tǒng)效率。
本文的研究主要針對這部分熱量，將通過提高膨脹機進氣溫度及加入有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行利用，以期提高系統(tǒng)的效率。
2 機組概況及建模
本文以某100MW等級的壓縮空氣儲能系統(tǒng)為研究對象，該儲能系統(tǒng)每天儲放一次，儲能時間為8h，釋能時間為5h。系統(tǒng)設置為四級壓縮，三級膨脹，使用高壓熱水作為中間儲熱介質(zhì)，水溫變化范圍為50～190℃，儲氣裝置額定儲氣壓力12MPa，儲氣溫度為40℃。壓縮系統(tǒng)中，第四級壓縮機出口空氣經(jīng)冷卻后存入儲氣裝置，熱量不進行回收，其余各級壓縮機進出口空氣及儲熱系統(tǒng)設計參數(shù)見表1所列。
膨脹發(fā)電系統(tǒng)中，各級膨脹機進出口空氣及換熱系統(tǒng)設計參數(shù)見表2所列。
根據(jù)表1和表2計算可以得知，一次儲放電結(jié)束后，系統(tǒng)高溫熱水罐內(nèi)還有170t高溫熱水未進行換熱，這就是該儲能系統(tǒng)可利用的余熱量。鑒于本文中的余熱利用是在膨脹發(fā)電過程實現(xiàn)，所以只需對膨脹發(fā)電系統(tǒng)進行建模和分析。建模軟件為Thermoflex軟件，搭建的膨脹發(fā)電系統(tǒng)模型如圖2所示。模型計算數(shù)據(jù)與設計參數(shù)對比見表3所列。
可以看出，表中誤差最大的是低壓缸進口前的氣—水加熱器水側(cè)流量，為6.33%，其余誤差皆在5.1%以下，因此可以認為搭建的仿真模型與實際的系統(tǒng)有著較高的吻合度，符合實際工程的精度要求，可以用于下一步的優(yōu)化研究。
3 優(yōu)化及結(jié)果分析
3.1膨脹機進氣溫度
原系統(tǒng)設計參數(shù)中，每級膨脹機的進氣溫度都為175℃，先在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，研究進氣溫度提高時對發(fā)電功率的影響。在考慮換熱器端差的實際情況下，分別模擬進氣溫度為180℃和185℃時的系統(tǒng)情況，模擬結(jié)果見表4所列。
根據(jù)模擬結(jié)果可見，隨著進氣溫度的提高，發(fā)電功率也在增加，進氣溫度每提高5℃，發(fā)電功率提高約1.25%。同時，也能發(fā)現(xiàn)，隨著進氣溫度的提高，氣—水加熱器出口水溫也在提高，加熱器的水側(cè)流量迅速增加，且原儲熱系統(tǒng)無法提供足夠的水側(cè)流量。以進氣溫度180℃時為例，加熱器水側(cè)所需流量為618.78t/h，相較設計工況(模擬值)增加42.59t/h，缺口為8.59t/h，以水溫變化范圍50～190℃，比熱容4.2kJ/(kg·℃)計，折合熱功率約為1403kW，已高于發(fā)電功率增量1253 kW(相較設計工況模擬值)。另外，末級膨脹機的排氣溫度也在升高，185℃的情況下，排氣溫度相比設計參數(shù)已經(jīng)升高6℃以上。
在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高進氣溫度，可以提高發(fā)電量，但需要補充額外的熱量，與儲能系統(tǒng)原先的運行方式不符；同時，隨著進氣溫度的升高，換熱器出口水溫升高，該部分熱量無法利用，膨脹機末級排氣溫度也在提高，排氣損失也隨之增大，不利于提高系統(tǒng)綜合效率。
系統(tǒng)中的余熱是穩(wěn)定的低溫熱源，而有機朗肯循環(huán)(organic rankine cycle，ORC)正是一種可以充分利用低溫熱源中熱量的方式。有機朗肯循環(huán)是一種工質(zhì)是低沸點的有機物的朗肯循環(huán)，可以將低品位的熱能轉(zhuǎn)化成高品位的電能，有機朗肯循環(huán)的系統(tǒng)圖如圖3所示。
根據(jù)儲能系統(tǒng)的儲熱參數(shù)，同時考慮到換熱器的端差，設置有機物蒸發(fā)溫度為180℃，冷凝溫度取35℃，可供利用的熱水流量為34 t/h，進水溫度為190℃，回水溫度為50℃。選取三種常用于有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)：三氯氟甲烷(R11)、一氟二氯乙烷(R141b)和三氟三氯乙烷(R113)。三種有機物的物性參數(shù)見表5所列。
利用軟件對各有機物在儲能系統(tǒng)的余熱參數(shù)下的做功能力進行計算，最終選擇一種做功能力最強的工質(zhì)，膨脹機的進出口壓力分別為有機物180℃時對應的蒸發(fā)壓力和35℃時對應的冷凝壓力。各有機物的發(fā)電功率如圖4所示。
發(fā)電功率為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電功率，用電功率為系統(tǒng)循環(huán)壓縮泵消耗的電功率，凈發(fā)電功率為系統(tǒng)發(fā)電功率扣除循環(huán)壓縮泵消耗功率的凈輸出電功率。由圖4可知，三種有機物中，在消耗相同的儲熱介質(zhì)時，凈發(fā)電功率由高到低分別為R113，R141b和R11，凈發(fā)電功率分別為686.33kW，628.26kW和589.26kW。因此，耦合有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)時，選擇R113作為循環(huán)的工質(zhì)時，系統(tǒng)效率提高最大。
4 結(jié)論
充分利用壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的余熱，可以有效提高系統(tǒng)的效率。本文以某100MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)為研究對象，分析提高膨脹機進氣溫度以及耦合有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)效率的影響。
1)提高膨脹機進氣溫度可以充分利用系統(tǒng)的余熱，提高系統(tǒng)的發(fā)電功率，但隨著進氣溫度的提升，加熱器水側(cè)流量增大，原有系統(tǒng)的熱水量不足以供應加熱需求，且排氣溫度變高，排氣損失增大；
2)耦合有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，可以完全利用系統(tǒng)的余熱，且不同工質(zhì)的做功能力存在差異。其中做功能力最強的工質(zhì)為R113，凈發(fā)電功率為686.33kW，系統(tǒng)單次儲放電過程中可提供3431.65kWh電量。
