中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2024年第2期“新型儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)模式”專題上，受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 (52077109)、清華大學(xué)-豐田聯(lián)合研究基金（20233930061）資助。
文章導(dǎo)讀
近年來，我國壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，目前規(guī)劃和在建的電站容量已超過5GW，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。然而，目前壓縮空氣儲(chǔ)能仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初步階段，在電站設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)和分析方面沒有完善的標(biāo)準(zhǔn)可依，理論研究和仿真結(jié)果與實(shí)際工程應(yīng)用存在較大差距。本文建立了面向工程應(yīng)用的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能熱力學(xué)模型，優(yōu)化了系統(tǒng)效率定義和計(jì)算方法，以實(shí)際壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例進(jìn)行了分析。
文章亮點(diǎn)
1、基于傳統(tǒng)熱力學(xué)模型和熱力流程計(jì)算軟件并考慮空氣流動(dòng)阻力損失及能量轉(zhuǎn)換損耗，建立了面向工程應(yīng)用的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。
2、針對(duì)目前壓縮空氣儲(chǔ)能效率分析方法存在的不足，提出了適用于工程應(yīng)用的系統(tǒng)效率定義和計(jì)算方法，以某鹽穴儲(chǔ)氣先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行了計(jì)算分析，采用先進(jìn)?分析對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析，指出了系統(tǒng)性能提升的方向。
重點(diǎn)內(nèi)容
圖1為典型的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)圖。系統(tǒng)為三級(jí)壓縮、兩級(jí)膨脹的技術(shù)路線，前兩級(jí)為大壓比定速壓縮回收高溫壓縮熱并將其儲(chǔ)存在高溫合成導(dǎo)熱油之中，最后一級(jí)為變速壓縮以適應(yīng)背壓變化，最后一級(jí)壓縮熱品位較低，不予回收。和一般熱力學(xué)模型不同的是，本文建模時(shí)考慮了管道的流動(dòng)阻力損失，圖中的AP模塊包括了管道、閥門和彎頭等阻力部件。
圖1 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)
為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，分別定義軸功效率、電-電效率和電站效率對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，并指出各計(jì)算方式之間的區(qū)別。軸功效率ηspe定義為釋能過程中總輸出的軸功和儲(chǔ)能過程中總消耗的軸功之比，電-電效率ηese定義為釋能過程中總輸出的電能和儲(chǔ)能過程中總消耗的電能之比，電站效率ηpse定義為釋能過程中總輸出的電能和一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)電站所有消耗的電能之比。典型算例分析結(jié)果表明，軸功效率和電-電效率分別為68.72%和63.38%，電-電效率比軸功效率低5%左右，說明能量轉(zhuǎn)換設(shè)備損耗對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。系統(tǒng)電-電效率和電站效率相差不大，其定義與煤電機(jī)組發(fā)電煤耗和供電煤耗相似，在電站實(shí)際工程應(yīng)用中具有更強(qiáng)的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)意義。
圖2給出了壓縮空氣儲(chǔ)能典型算例各部件?損失占總?損失的比例。從圖中可以看出，除了壓縮機(jī)（AC）、透平(AT)、換熱器(AO)外，管道(AP)?損失占總?損失的比例接近7%，這表明管道損失是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不可以忽略，在選擇管道規(guī)格時(shí)要綜合考慮系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。
圖2 壓縮空氣儲(chǔ)能各部件?損失比例
圖3給出了壓縮空氣儲(chǔ)能典型算例各部件可避免?損失EdAV和不可避免?損失EdUN的比較結(jié)果。從圖中可以看出，大多數(shù)部件可避免?損失占總損失的比較都比較高，說明系統(tǒng)有比較大的提升潛力。特別是釋能側(cè)的兩級(jí)透平膨脹機(jī)，其數(shù)值均大于部件的不可避免損失，表明其具有更大的提升潛力，對(duì)其優(yōu)化可以更加顯著地降低系統(tǒng)的?損失。
圖3 各部件不可避免與可避免?損失
圖4給出了壓縮空氣儲(chǔ)能典型算例各部件內(nèi)部?損失EdEN和外部?損失EdEX的比較結(jié)果。從圖中可以看出，所有部件內(nèi)部?損失都遠(yuǎn)大于外部?損失，這表明各部件的?損失主要是由于其內(nèi)部工作過程的不可逆性造成的，與其他部件是否在最佳工作狀態(tài)影響并不大。
圖4各部件內(nèi)部?損失與外部?損失
