中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 發(fā)展基于可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)，支撐“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，由于風(fēng)、光等可再生能源的間歇性、波動(dòng)性、周期性等特點(diǎn)，需要集成大規(guī)模長時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，提升風(fēng)光等可再生能源發(fā)電的品質(zhì)與可控性，壓縮空氣儲(chǔ)能具有效率高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)通常為定容儲(chǔ)氣，因此其儲(chǔ)能(儲(chǔ)氣)過程與釋能(釋氣)過程處于動(dòng)態(tài)，本工作圍繞儲(chǔ)/釋能過程的壓力變化，開展了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不同運(yùn)行模式特性研究，建立了部件的動(dòng)態(tài)模型，通過仿真獲得了系統(tǒng)主要部件的工作特性，以及系統(tǒng)的總體性能。研究結(jié)果表明，在釋能過程采取定壓和滑壓結(jié)合模式和擴(kuò)大儲(chǔ)氣室壓力變化范圍可以提高TS-CAES系統(tǒng)效率和能量密度。釋能時(shí)間為6 h，系統(tǒng)效率和能量密度分別為 73.98%、26.49 MJ/m3。
關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性；定壓運(yùn)行；滑壓運(yùn)行；系統(tǒng)性能
圖1 全球儲(chǔ)能裝機(jī)預(yù)測(cè)(DOE)
圖2 全球CAES裝機(jī)預(yù)測(cè)(DOE)
截至目前，世界上僅有德國Huntorf和美國McIntosh兩座投產(chǎn)的商業(yè)化傳統(tǒng)CAES電站，由于傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)存在依賴化石燃料、效率低、能量密度低等缺點(diǎn)，近年來形成了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能(TS-CAES)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能、水下壓縮空氣儲(chǔ)能、濕空氣透平壓縮空氣儲(chǔ)能以及CAES耦合系統(tǒng)等多種新型CAES系統(tǒng)。以上新型CAES系統(tǒng)中，TS-CAES系統(tǒng)的技術(shù)最為成熟，具有不消耗化石燃料、流程簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的山東省泰安市肥城10 MW鹽穴CAES電站于2021年9月并網(wǎng)發(fā)電成功、張家口市張北縣的國際首套100 MW先進(jìn)CAES國家示范項(xiàng)目已建設(shè)安裝完成，并于2022年9月順利實(shí)現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)，TS-CAES系統(tǒng)成為最具有產(chǎn)業(yè)化前景的大規(guī)模CAES儲(chǔ)能技術(shù)。
圖3 CAES系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行示意圖
1.蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理
圖4 TS-CAES系統(tǒng)流程圖
2.蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力學(xué)模型
2.1 壓縮機(jī)
離心式壓縮機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，其壓比、效率的通用特性曲線可以近似表示為相對(duì)折合質(zhì)量流量和相對(duì)折合轉(zhuǎn)速的函數(shù)：
式中，
為相對(duì)折合空氣質(zhì)量流量，
為相對(duì)折合轉(zhuǎn)速，
為相對(duì)折合壓比，
為相對(duì)折合等熵效率。
各級(jí)壓縮機(jī)出口溫度、出口壓力以及壓縮功分別為：
式中，Tc, out、pc, out分別為壓縮機(jī)的出口溫度、出口壓力；hc, in、hc, out分別為壓縮機(jī)的入口比焓、出口比焓。
2.2 膨脹機(jī)
透平膨脹機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，其膨脹比、效率隨轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)變化而變化，根據(jù)弗留格爾公式得到透平膨脹機(jī)的通流特性公式：
式中，
、
分別為膨脹比、設(shè)計(jì)膨脹比，
為相對(duì)折合空氣質(zhì)量流量，
為相對(duì)折合轉(zhuǎn)速，
為相對(duì)折合等熵效率。
各級(jí)膨脹機(jī)出口溫度、出口壓力、膨脹功以及等熵膨脹功分別為：
式中，
、
分別為膨脹機(jī)的出口溫度、出口壓力，
、
分別為膨脹機(jī)的入口比焓、出口比焓，
為膨脹機(jī)的效率。因此實(shí)際膨脹過程的膨脹效率定義為：
式中，i、t分別代表膨脹機(jī)級(jí)數(shù)和釋能時(shí)間。
2.3 換熱器
根據(jù)能量守恒，空氣釋放的熱量和循環(huán)水吸收的熱量相等：
式中，下標(biāo)cold和hot分別表示冷流體和熱流體，in和out分別表示進(jìn)口和出口。
采用效能-傳熱單元數(shù)(ε-NTU)法建立換熱器變工況數(shù)學(xué)模型：
式中，
為換熱器效能，NTU為換熱單元數(shù)，是反映換熱器結(jié)構(gòu)和流體最小熱容率的物理量，mcp為流體比熱容，
為兩種流體比熱容的比值，Uh為換熱器傳熱系數(shù)，Ah為換熱器傳熱面積。
當(dāng)兩種流體比熱容相等時(shí)，換熱器效能表示為：
由于換熱器的面積和空間有限，空氣通過換熱器時(shí)，存在不可忽視的流動(dòng)阻力，采用以下壓損模型：
式中，T表示溫度；p表示壓力；?p為空氣經(jīng)間冷器/再熱器的壓力損失；下標(biāo)in表示入口參數(shù)，d表示設(shè)計(jì)值。
從各級(jí)換熱器出來的水混合滿足能量守恒：
式中，mi為各級(jí)換熱器的循環(huán)水流量；hi, in為各級(jí)換熱器出口循環(huán)水的比焓；hin, tank為熱罐中熱水的比焓。
2.4 儲(chǔ)氣室
儲(chǔ)氣室與壓縮機(jī)組/膨脹機(jī)組之間的物質(zhì)流動(dòng)和能量流動(dòng)關(guān)系，屬于非穩(wěn)定的熱力學(xué)開口系統(tǒng)問題。根據(jù)質(zhì)量守恒定理和能量守恒定理可得：
式中，
、
為儲(chǔ)氣室充、放氣時(shí)的空氣質(zhì)量流量，m為儲(chǔ)氣室的空氣質(zhì)量，t為時(shí)間，u為空氣的內(nèi)能，h為空氣的比焓，T為儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣溫度，Tenv為環(huán)境溫度，Kw為儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣與環(huán)境的換熱系數(shù)，Aw為儲(chǔ)氣室的換熱表面積。
進(jìn)一步結(jié)合理想氣體微分方程關(guān)系式：
可得，儲(chǔ)氣室內(nèi)部空氣壓力、溫度隨時(shí)間變化的微分方程式：
2.5系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
采用儲(chǔ)能效率與儲(chǔ)能密度來衡量先進(jìn)CAES系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化利用情況，儲(chǔ)能效率為系統(tǒng)總膨脹功與總壓縮功的比值，衡量系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換情況；儲(chǔ)能密度為系統(tǒng)總膨脹功與儲(chǔ)氣室體積的比值，衡量系統(tǒng)在單位儲(chǔ)氣室體積下的做功能力。
3.結(jié)果與討論
本工作以功率等級(jí)為10 MW的TS-CAES系統(tǒng)作為研究對(duì)象，六級(jí)壓縮、四級(jí)膨脹，采用定容儲(chǔ)氣室儲(chǔ)氣，以及主動(dòng)蓄熱方式進(jìn)行蓄熱，蓄熱介質(zhì)為水，儲(chǔ)能過程換熱器為間冷器進(jìn)行級(jí)間冷卻，釋能過程換熱器為再熱器進(jìn)行級(jí)間再熱。TS-CAES系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1～2所示。不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室容積的計(jì)算流程如圖5所示，以滿足儲(chǔ)氣室最終壓力和釋能時(shí)間為條件來確定儲(chǔ)氣室容積。
表1TS-CAES系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
表2儲(chǔ)能過程與釋能過程設(shè)計(jì)參數(shù)
圖5 儲(chǔ)氣室容積的計(jì)算流程
3.1 儲(chǔ)能過程
3.1.1 壓縮機(jī)定壓運(yùn)行
儲(chǔ)能過程采取定壓運(yùn)行策略，即在壓縮機(jī)組與儲(chǔ)氣室之間通過安裝調(diào)節(jié)閥抵消由于儲(chǔ)氣室充氣導(dǎo)致的背壓升高，此種運(yùn)行方式使得壓縮機(jī)組在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。儲(chǔ)氣室初始?jí)毫? MPa、初始溫度為298 K，終止條件為儲(chǔ)氣室壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，最終獲得不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室空氣壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口流量和總功率等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。
圖6為在不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)能過程儲(chǔ)氣室壓力、溫度與質(zhì)量變化曲線，可以看出，儲(chǔ)氣室壓力和質(zhì)量隨時(shí)間線性增加，溫度隨時(shí)間緩慢增加最終趨于平緩。原因是儲(chǔ)能過程中空氣不斷流入儲(chǔ)氣室，且由于調(diào)節(jié)閥的存在，空氣質(zhì)量流量恒定，隨著儲(chǔ)能過程的進(jìn)行，定容儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣被壓縮，壓力和內(nèi)能均增加，同時(shí)儲(chǔ)氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，導(dǎo)致儲(chǔ)氣室溫度最終將趨于穩(wěn)定，而壓力和質(zhì)量受流量影響較為顯著，都近似于線性增長。不同釋能時(shí)間并不改變儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率不同。圖7為釋能10 h時(shí)定壓運(yùn)行下的質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率變化曲線，可以看出，由于定壓運(yùn)行使用節(jié)流閥，從而使得空氣質(zhì)量流量恒定并使壓縮機(jī)入口壓力恒為10 MPa，所以壓縮機(jī)總功率也保持設(shè)計(jì)值10 MW不變。
圖6 不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線 (a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖7 儲(chǔ)能過程定壓運(yùn)行質(zhì)量流量及膨脹機(jī)總功率變化曲線(10 h)
3.1.2 壓縮機(jī)滑壓運(yùn)行
儲(chǔ)能過程采取滑壓運(yùn)行策略，即末級(jí)壓縮機(jī)出口壓力隨儲(chǔ)氣室壓力變化而變化。儲(chǔ)氣室初始?jí)毫? MPa、初始溫度為298 K，終止條件為儲(chǔ)氣室壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，最終獲得不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣過程中儲(chǔ)氣室壓力、溫度、質(zhì)量、壓縮機(jī)壓比、等熵效率和總功率等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。
圖8為儲(chǔ)能過程儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，儲(chǔ)氣室壓力和質(zhì)量隨時(shí)間線性增加，溫度隨時(shí)間緩慢增加最終趨于平緩。原因是儲(chǔ)能過程中空氣不斷流入儲(chǔ)氣室，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力、溫度均上升，儲(chǔ)氣室內(nèi)的空氣被壓縮，壓力和內(nèi)能均增加，同時(shí)儲(chǔ)氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，導(dǎo)致儲(chǔ)氣室溫度最終將趨于穩(wěn)定。不同釋能時(shí)間并不改變儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率不同。
圖8 不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖9為儲(chǔ)能過程滑壓運(yùn)行時(shí)空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出：空氣質(zhì)量流量隨時(shí)間逐漸減小，壓縮機(jī)總功率隨時(shí)間先增大后減小。原因是隨著儲(chǔ)能過程的進(jìn)行，儲(chǔ)氣室壓力逐漸增加至設(shè)計(jì)值，壓縮機(jī)背壓增加，壓比增大，由壓縮機(jī)流量特性曲線可知，流量隨壓比的增大而減小；壓縮機(jī)總功率主要影響因素為壓縮機(jī)壓比和質(zhì)量流量，儲(chǔ)氣室空氣壓力較小時(shí)，流量大而壓比小，儲(chǔ)氣室空氣壓力較大時(shí)，壓比大而流量小，因此，壓縮機(jī)總功率最大值為中間某一時(shí)刻的值。儲(chǔ)能過程結(jié)束，儲(chǔ)氣室壓力上升至 10 MPa，此時(shí)，空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率均達(dá)到設(shè)計(jì)值。不同釋能時(shí)間并不改變空氣質(zhì)量流量和壓縮機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，曲線斜率在改變。
圖9不同釋能時(shí)間下質(zhì)量流量與壓縮機(jī)總功率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖10為儲(chǔ)能過程滑壓運(yùn)行時(shí)各級(jí)壓縮機(jī)壓比隨時(shí)間的變化曲線，可以看出：各級(jí)壓縮機(jī)壓比隨時(shí)間逐漸增加至設(shè)計(jì)值，且級(jí)數(shù)越靠后的壓縮機(jī)壓比越小。原因是儲(chǔ)氣室壓力越小于設(shè)計(jì)壓力，總壓比就越小；通過各級(jí)壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量相同，而各級(jí)入口壓力的變化較大，導(dǎo)致級(jí)數(shù)越靠后的壓縮機(jī)入口壓力減小值越大，相對(duì)折合質(zhì)量流量增加越多，壓比就越小。
圖10不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行各級(jí)壓縮機(jī)壓比變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖11為儲(chǔ)能過程滑壓運(yùn)行時(shí)各級(jí)壓縮機(jī)等熵效率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出：壓縮機(jī)等熵效率變化趨勢(shì)與壓比相近。原因是入口壓力變化越大，則相對(duì)折合流量增加越多，導(dǎo)致等熵效率減小越多，級(jí)數(shù)越大，等熵效率越低。
圖11 不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行壓縮機(jī)各級(jí)等熵效率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
3.2 釋能過程
3.2.1 膨脹機(jī)定壓運(yùn)行
以儲(chǔ)能過程結(jié)束時(shí)儲(chǔ)氣室溫度為釋能過程初始溫度條件，釋能過程采取定壓運(yùn)行策略，即在儲(chǔ)氣室與膨脹機(jī)組之間通過安裝節(jié)流閥抵消由于儲(chǔ)氣室放氣導(dǎo)致的壓力下降，保證膨脹機(jī)入口壓力為設(shè)計(jì)入口壓力7 MPa，獲得不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口質(zhì)量流量和總功率隨時(shí)間的變化規(guī)律，系統(tǒng)運(yùn)行終止條件為儲(chǔ)氣室壓力減小至7 MPa。
圖12為在不同釋能時(shí)間下定壓運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)氣室壓力、溫度與質(zhì)量變化曲線，可以看出，儲(chǔ)氣室壓力和質(zhì)量隨時(shí)間線性減少，溫度隨時(shí)間緩慢減少最終趨于平緩。釋能過程中空氣不斷從儲(chǔ)氣室流出，節(jié)流閥使得空氣質(zhì)量流量恒定，隨著釋能過程的進(jìn)行，儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力和內(nèi)能均降低，同時(shí)儲(chǔ)氣室內(nèi)外溫差增大，換熱量增加，所以儲(chǔ)氣室溫度趨于平緩。不同釋能時(shí)間并不改變儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率不同。圖13為釋能10 h時(shí)定壓運(yùn)行下的質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率變化曲線，可以看出，由于定壓運(yùn)行使用節(jié)流閥，從而使得空氣質(zhì)量流量恒定并使膨脹機(jī)入口壓力恒為7 MPa，所以膨脹機(jī)總功率也保持設(shè)計(jì)值10 MW不變。
圖12不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖13 釋能過程定壓運(yùn)行質(zhì)量流量及膨脹機(jī)總功率變化曲線(10 h)
3.2.2 膨脹機(jī)滑壓運(yùn)行
釋能過程采取滑壓運(yùn)行策略，即儲(chǔ)氣室壓力為第一級(jí)膨脹機(jī)入口壓力，膨脹機(jī)入口壓力隨儲(chǔ)氣室壓力的減小而減小，獲得不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度、質(zhì)量、空氣入口質(zhì)量流量、膨脹機(jī)膨脹比、等熵效率和總功率等參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，終止條件為儲(chǔ)氣室壓力減小至7 MPa。
圖14為不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線，可以看出：儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力和質(zhì)量隨時(shí)間線性下降，溫度隨時(shí)間快速降低后再增加。原因是釋能過程，空氣不斷流出，儲(chǔ)氣室內(nèi)的壓力和溫度均下降，同時(shí)由于儲(chǔ)氣室內(nèi)外溫差逐漸增大，換熱量逐漸增加，導(dǎo)致儲(chǔ)氣室溫度減小一定時(shí)間后逐漸上升。不同釋能時(shí)間并不改變儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量的變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率不同。
圖14 不同釋能時(shí)間下儲(chǔ)氣室壓力、溫度和質(zhì)量變化曲線 (a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖15為釋能過程滑壓運(yùn)行時(shí)不同釋能時(shí)間下空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率變化曲線，可以看出，空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率均隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。原因是隨著釋能過程的進(jìn)行，儲(chǔ)氣室壓力逐漸下降，即第一級(jí)膨脹機(jī)入口壓力降低，由膨脹機(jī)特性曲線可得，空氣質(zhì)量流量下降，同時(shí)，膨脹機(jī)總功率隨之降低。不同釋能時(shí)間并不改變空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率在改變。
圖15 不同釋能時(shí)間下質(zhì)量流量與膨脹機(jī)總功率變化曲線
圖16為不同釋能時(shí)間下各級(jí)膨脹機(jī)膨脹比的變化曲線，可以看出，第一至三級(jí)膨脹機(jī)膨脹比隨時(shí)間變化不太明顯，第四級(jí)膨脹機(jī)膨脹比變化顯著，且隨時(shí)間逐漸下降。原因是前三級(jí)的膨脹機(jī)入口壓力折合流量變化不大，而靠近大氣壓側(cè)的膨脹機(jī)，其相對(duì)折合流量變化較大，所以膨脹比隨時(shí)間變化明顯。不同釋能時(shí)間并不改變空氣質(zhì)量流量和膨脹機(jī)總功率的數(shù)值和變化趨勢(shì)，只是由于工作時(shí)間不同，變化斜率在改變。
圖16 不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行各級(jí)膨脹機(jī)膨脹比變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
圖17為不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行時(shí)各級(jí)膨脹機(jī)等熵效率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，四級(jí)膨脹機(jī)的等熵效率隨時(shí)間基本不變，但相對(duì)而言第四級(jí)膨脹機(jī)與前三級(jí)相比，變化較為明顯。原因是前三級(jí)膨脹機(jī)膨脹比變化較小，由膨脹機(jī)特性曲線可得其等熵效率變化較小，第四級(jí)膨脹比變化大導(dǎo)致等熵效率變化也較大，同樣，釋能時(shí)間也不影響各級(jí)膨脹機(jī)效率。
圖17 不同釋能時(shí)間下滑壓運(yùn)行膨脹機(jī)各級(jí)等熵效率變化曲線(a) 4 h；(b) 6 h；(c) 8 h；(d) 10 h
3.3 不同運(yùn)行模式對(duì)比
TS-CAES系統(tǒng)儲(chǔ)-釋能過程(壓縮機(jī)、膨脹機(jī))分別采用定壓-定壓、定壓-滑壓、滑壓-定壓和滑壓-滑壓四種運(yùn)行模式下TS-CAES系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率的對(duì)比如圖18所示，儲(chǔ)氣室壓力由10 MPa到7 MPa變化，可以看出：釋能時(shí)間越長，儲(chǔ)能效率越大，但相差不大，不同模式下的TS-CAES系統(tǒng)儲(chǔ)能效率隨時(shí)間分別增長了1.42%、1.38%、1.45%、1.40%。對(duì)比四種不同運(yùn)行模式，可以看出，儲(chǔ)能過程滑壓運(yùn)行和釋能過程定壓運(yùn)行時(shí)，TS-CAES系統(tǒng)儲(chǔ)能效率最高，在釋能時(shí)間為10 h時(shí)，儲(chǔ)能效率為72.11%。
圖18 不同運(yùn)行模式下TS-CAES系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率
由上述可知，儲(chǔ)能過程滑壓運(yùn)行可以提高性能，因此為進(jìn)一步探究儲(chǔ)氣室壓力變化范圍對(duì)系統(tǒng)性能影響，針對(duì)釋能時(shí)間6 h的TS-CAES系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)行模式分為以下四種：①滑壓-滑壓(10 MPa-7 MPa)；②滑壓-定壓(10 MPa-7 MPa)；③滑壓-滑壓(10 MPa-4 MPa)；④滑壓-定壓+滑壓(10 MPa-7 MPa-4 MPa)，不同運(yùn)行方式的系統(tǒng)性能對(duì)比如表3所示。由表可知，擴(kuò)大儲(chǔ)氣室壓力變化范圍可以提高系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度，最多分別提高了3.22%、13.53 MJ/m3。但是由于釋能時(shí)間增加，會(huì)增加膨脹過程能量損失，從而降低膨脹效率。對(duì)于儲(chǔ)氣室壓力在10 MPa至4 MPa范圍，模式4的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度最大，分別提高了0.88%、0.31 MJ/m3。這說明在釋能過程只采用滑壓運(yùn)行雖然可以減少節(jié)流損失，但是其也會(huì)使膨脹機(jī)無法在設(shè)計(jì)工況下工作而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)影響。然而，若釋能過程采取定壓與滑壓運(yùn)行相結(jié)合的模式，即在高于膨脹機(jī)設(shè)計(jì)入口壓力時(shí)定壓運(yùn)行，低于膨脹機(jī)入口壓力時(shí)滑壓運(yùn)行，則既可以讓膨脹機(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作，又可以減少定壓節(jié)流損失，從而提高TS-CAES系統(tǒng)性能。
表3不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)性能對(duì)比
4 結(jié)論
蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能(TS-CAES)系統(tǒng)是一種大規(guī)模、低成本、高效率的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，將其集成于大規(guī)?？稍偕茉聪到y(tǒng)，能夠有效提升其發(fā)電質(zhì)量及并網(wǎng)率，支撐新型電力系統(tǒng)發(fā)展，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中，為了平衡“源-荷”的不穩(wěn)定性，需要TS-CAES具有較好的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。
本研究圍繞TS-CAES系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況，開展了基于不同運(yùn)行模式的系統(tǒng)性能研究，建立了詳細(xì)的關(guān)鍵部件模型，以10 MW TS-CAES系統(tǒng)為對(duì)象，揭示了儲(chǔ)能過程定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行不同釋能時(shí)間的儲(chǔ)氣室內(nèi)氣體狀態(tài)變化規(guī)律，滑壓運(yùn)行模式不同釋能時(shí)間下各級(jí)壓比和各級(jí)壓縮效率的變化曲線；釋能過程定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行不同釋能時(shí)間的儲(chǔ)氣室內(nèi)氣體狀態(tài)變化規(guī)律，滑壓運(yùn)行模式不同釋能時(shí)間下各級(jí)膨脹比和各級(jí)膨脹效率的變化曲線。探究了四種運(yùn)行模式：定-定、定-滑、滑-定和滑-滑對(duì)不同釋能時(shí)間下系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)而針對(duì)釋能時(shí)間6 h的TS-CAES系統(tǒng)提出釋能過程滑壓和定壓結(jié)合的運(yùn)行模式。研究結(jié)果表明：TS-CAES系統(tǒng)在不同釋能時(shí)間下均是滑-定運(yùn)行下的儲(chǔ)能效率最高，且效率隨釋能時(shí)間增加而略有增加，最高為72.11%。釋能過程滑壓運(yùn)行至4 MPa比運(yùn)行至7 MPa系統(tǒng)性能更優(yōu)，釋能過程采取定壓和滑壓結(jié)合模式可以提高系統(tǒng)效率和能量密度，分別為73.98%、26.49 MJ/m3。
第一作者：孫曉霞（1990—），女，工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)槌樗钅芗靶滦蛢?chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，E-mail：[email protected]；
通訊作者：張新敬，博士，研究員，研究方向?yàn)閴嚎s空氣儲(chǔ)能，E-mail：[email protected]。
