中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：余熱是限制先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率提高的主要原因之一。為提高壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，以某100MW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為對(duì)象，研究減少和利用系統(tǒng)余熱的方案。通過(guò)軟件模擬計(jì)算，分析提高膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，以及耦合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電對(duì)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(jī)進(jìn)氣溫度每提高5℃，發(fā)電量約提升1.25%，但存在諸多問(wèn)題；而耦合有機(jī)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(duì)AA-CAES系統(tǒng)中余熱的來(lái)源進(jìn)行分析，并以某100MW系統(tǒng)為對(duì)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(chǔ)能時(shí)，空氣經(jīng)多級(jí)壓縮機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置中存儲(chǔ)，同時(shí)壓縮過(guò)程中進(jìn)行級(jí)間冷卻，熱量由低溫儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)入高溫儲(chǔ)熱罐中儲(chǔ)存，完成儲(chǔ)能過(guò)程；系統(tǒng)釋能時(shí)，儲(chǔ)氣裝置中的高壓冷空氣經(jīng)高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)加熱，隨后推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電。
AA-CAES系統(tǒng)中的余熱主要有三個(gè)部分。壓縮過(guò)程中，空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)絕熱壓縮后溫度會(huì)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(chǔ)存在高溫?zé)峁拗械却屇墉h(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(guò)程中，為保證排氣順利，末級(jí)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(guò)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(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)中會(huì)有部分未利用的高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)留存。理想氣體的壓縮和膨脹過(guò)程中，吸熱量和放熱量相等，但實(shí)際過(guò)程中，空氣壓縮過(guò)程中還存在電—熱轉(zhuǎn)換的熵增熱，同時(shí)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(huì)有部分熱量未利用，以高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)(高溫?zé)崴?、熔鹽或?qū)嵊偷?形式儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)熱罐中。
系統(tǒng)中這部分未使用高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)中的熱量就是壓縮空氣儲(chǔ)能電站主要可利用的余熱來(lái)源，這部分熱量品質(zhì)相對(duì)較高，且來(lái)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(chǔ)熱介質(zhì)，使用循環(huán)冷卻水降溫后返回低溫?zé)峁拗袃?chǔ)存，用于下一次空氣壓縮過(guò)程的級(jí)間冷卻。這種方式不僅沒(méi)有回收熱量，還需要消耗大量電能和冷卻水，存在較大浪費(fèi)，降低了系統(tǒng)效率。
本文的研究主要針對(duì)這部分熱量，將通過(guò)提高膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度及加入有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行利用，以期提高系統(tǒng)的效率。
2 機(jī)組概況及建模
本文以某100MW等級(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，該儲(chǔ)能系統(tǒng)每天儲(chǔ)放一次，儲(chǔ)能時(shí)間為8h，釋能時(shí)間為5h。系統(tǒng)設(shè)置為四級(jí)壓縮，三級(jí)膨脹，使用高壓熱水作為中間儲(chǔ)熱介質(zhì)，水溫變化范圍為50～190℃，儲(chǔ)氣裝置額定儲(chǔ)氣壓力12MPa，儲(chǔ)氣溫度為40℃。壓縮系統(tǒng)中，第四級(jí)壓縮機(jī)出口空氣經(jīng)冷卻后存入儲(chǔ)氣裝置，熱量不進(jìn)行回收，其余各級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)出口空氣及儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所列。
膨脹發(fā)電系統(tǒng)中，各級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)出口空氣及換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2所列。
根據(jù)表1和表2計(jì)算可以得知，一次儲(chǔ)放電結(jié)束后，系統(tǒng)高溫?zé)崴迌?nèi)還有170t高溫?zé)崴催M(jìn)行換熱，這就是該儲(chǔ)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(guò)程實(shí)現(xiàn)，所以只需對(duì)膨脹發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。建模軟件為T(mén)hermoflex軟件，搭建的膨脹發(fā)電系統(tǒng)模型如圖2所示。模型計(jì)算數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3所列。
可以看出，表中誤差最大的是低壓缸進(jìn)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(rèn)為搭建的仿真模型與實(shí)際的系統(tǒng)有著較高的吻合度，符合實(shí)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(jī)進(jìn)氣溫度
原系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)中，每級(jí)膨脹機(jī)的進(jìn)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(jìn)氣溫度提高時(shí)對(duì)發(fā)電功率的影響。在考慮換熱器端差的實(shí)際情況下，分別模擬進(jìn)氣溫度為180℃和185℃時(shí)的系統(tǒng)情況，模擬結(jié)果見(jiàn)表4所列。
根據(jù)模擬結(jié)果可見(jiàn)，隨著進(jìn)氣溫度的提高，發(fā)電功率也在增加，進(jìn)氣溫度每提高5℃，發(fā)電功率提高約1.25%。同時(shí)，也能發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)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(chǔ)熱系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的水側(cè)流量。以進(jìn)氣溫度180℃時(shí)為例，加熱器水側(cè)所需流量為618.78t/h，相較設(shè)計(jì)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(jì)，折合熱功率約為1403kW，已高于發(fā)電功率增量1253 kW(相較設(shè)計(jì)工況模擬值)。另外，末級(jí)膨脹機(jī)的排氣溫度也在升高，185℃的情況下，排氣溫度相比設(shè)計(jì)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(jìn)氣溫度，可以提高發(fā)電量，但需要補(bǔ)充額外的熱量，與儲(chǔ)能系統(tǒng)原先的運(yùn)行方式不符；同時(shí)，隨著進(jìn)氣溫度的升高，換熱器出口水溫升高，該部分熱量無(wú)法利用，膨脹機(jī)末級(jí)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?zé)嵩?，而有機(jī)朗肯循環(huán)(organic rankine cycle，ORC)正是一種可以充分利用低溫?zé)嵩粗袩崃康姆绞?。有機(jī)朗肯循環(huán)是一種工質(zhì)是低沸點(diǎn)的有機(jī)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(jī)朗肯循環(huán)的系統(tǒng)圖如圖3所示。
根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱參數(shù)，同時(shí)考慮到換熱器的端差，設(shè)置有機(jī)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(jìn)水溫度為190℃，回水溫度為50℃。選取三種常用于有機(jī)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(jī)物的物性參數(shù)見(jiàn)表5所列。
利用軟件對(duì)各有機(jī)物在儲(chǔ)能系統(tǒng)的余熱參數(shù)下的做功能力進(jìn)行計(jì)算，最終選擇一種做功能力最強(qiáng)的工質(zhì)，膨脹機(jī)的進(jìn)出口壓力分別為有機(jī)物180℃時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力和35℃時(shí)對(duì)應(yīng)的冷凝壓力。各有機(jī)物的發(fā)電功率如圖4所示。
發(fā)電功率為有機(jī)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(jī)物中，在消耗相同的儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，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(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，選擇R113作為循環(huán)的工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)效率提高最大。
4 結(jié)論
充分利用壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析提高膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度以及耦合有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的影響。
1)提高膨脹機(jī)進(jìn)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(jìn)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(yīng)加熱需求，且排氣溫度變高，排氣損失增大；
2)耦合有機(jī)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(qiáng)的工質(zhì)為R113，凈發(fā)電功率為686.33kW，系統(tǒng)單次儲(chǔ)放電過(guò)程中可提供3431.65kWh電量。
