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先进绝热压缩空气储能系统的优化研究

作者:孙劲飚 姚少勇 周新军 尤言琪 来源:《电力勘测设计》 发布时间:2024-06-18 浏览:

数字储能网讯:余热是限制先进绝热压缩空气储能系统效率提高的主要原因之一。为提高压缩空气储能系统的效率,以某100MW压缩空气储能系统为对象,研究减少和利用系统余热的方案。通过软件模拟计算,分析提高膨胀机进气温度对系统的影响,以及耦合有机朗肯循环系统发电对系统发电效率的提升。结果表明,在现有系统的基础上,膨胀机进气温度每提高5℃,发电量约提升1.25%,但存在诸多问题;而耦合有机朗肯循环系统,可以充分利用系统余热,提高系统发电效率,净发电功率最高增加686.33kW。

  本文对AA-CAES系统中余热的来源进行分析,并以某100MW系统为对象,研究减少和充分利用这部分余热的优化方法。

1 AA-CAES系统余热分析

  系统储能时,空气经多级压缩机压缩升压后进入储气装置中存储,同时压缩过程中进行级间冷却,热量由低温储热介质进入高温储热罐中储存,完成储能过程;系统释能时,储气装置中的高压冷空气经高温储热介质加热,随后推动膨胀机做功发电。

  AA-CAES系统中的余热主要有三个部分。压缩过程中,空气经过压缩机绝热压缩后温度会大幅提高,这是气体绝热压缩升温和能量转换熵增放热二者叠加引起的。高温空气中大部分热量经换热器换热后储存在高温热罐中等待释能环节利用,多出的热量一部分由换热器和管道自然散热,剩余的低品位、难以利用的热量则经循环冷却水带走并散发到环境中。

  膨胀过程中,为保证排气顺利,末级排气压力需略高于大气压力,此条件下的排气温度一般高于环境温度,这部分热量的利用比较受限,只能通过优化系统参数,尽量降低排气温度,减少排气中这部分的热量损失。

  一次充放电过程结束后,系统中会有部分未利用的高温储热介质留存。理想气体的压缩和膨胀过程中,吸热量和放热量相等,但实际过程中,空气压缩过程中还存在电—热转换的熵增热,同时换热器有着换热端差的限制,所以,膨胀发电部分在发出全部电量后,仍会有部分热量未利用,以高温储热介质(高温热水、熔盐或导热油等)形式储存在高温储热罐中。

  系统中这部分未使用高温储热介质中的热量就是压缩空气储能电站主要可利用的余热来源,这部分热量品质相对较高,且来源稳定(每次充放电结束后都有)。通常情况是将这部分高温储热介质,使用循环冷却水降温后返回低温热罐中储存,用于下一次空气压缩过程的级间冷却。这种方式不仅没有回收热量,还需要消耗大量电能和冷却水,存在较大浪费,降低了系统效率。

  本文的研究主要针对这部分热量,将通过提高膨胀机进气温度及加入有机朗肯循环发电系统进行利用,以期提高系统的效率。

2 机组概况及建模

  本文以某100MW等级的压缩空气储能系统为研究对象,该储能系统每天储放一次,储能时间为8h,释能时间为5h。系统设置为四级压缩,三级膨胀,使用高压热水作为中间储热介质,水温变化范围为50~190℃,储气装置额定储气压力12MPa,储气温度为40℃。压缩系统中,第四级压缩机出口空气经冷却后存入储气装置,热量不进行回收,其余各级压缩机进出口空气及储热系统设计参数见表1所列。

  膨胀发电系统中,各级膨胀机进出口空气及换热系统设计参数见表2所列。

  根据表1和表2计算可以得知,一次储放电结束后,系统高温热水罐内还有170t高温热水未进行换热,这就是该储能系统可利用的余热量。鉴于本文中的余热利用是在膨胀发电过程实现,所以只需对膨胀发电系统进行建模和分析。建模软件为Thermoflex软件,搭建的膨胀发电系统模型如图2所示。模型计算数据与设计参数对比见表3所列。

  

  可以看出,表中误差最大的是低压缸进口前的气—水加热器水侧流量,为6.33%,其余误差皆在5.1%以下,因此可以认为搭建的仿真模型与实际的系统有着较高的吻合度,符合实际工程的精度要求,可以用于下一步的优化研究。

3 优化及结果分析

 3.1膨胀机进气温度

  原系统设计参数中,每级膨胀机的进气温度都为175℃,先在原有系统结构不变的基础上,研究进气温度提高时对发电功率的影响。在考虑换热器端差的实际情况下,分别模拟进气温度为180℃和185℃时的系统情况,模拟结果见表4所列。

  根据模拟结果可见,随着进气温度的提高,发电功率也在增加,进气温度每提高5℃,发电功率提高约1.25%。同时,也能发现,随着进气温度的提高,气—水加热器出口水温也在提高,加热器的水侧流量迅速增加,且原储热系统无法提供足够的水侧流量。以进气温度180℃时为例,加热器水侧所需流量为618.78t/h,相较设计工况(模拟值)增加42.59t/h,缺口为8.59t/h,以水温变化范围50~190℃,比热容4.2kJ/(kg·℃)计,折合热功率约为1403kW,已高于发电功率增量1253 kW(相较设计工况模拟值)。另外,末级膨胀机的排气温度也在升高,185℃的情况下,排气温度相比设计参数已经升高6℃以上。

  在现有系统的基础上,提高进气温度,可以提高发电量,但需要补充额外的热量,与储能系统原先的运行方式不符;同时,随着进气温度的升高,换热器出口水温升高,该部分热量无法利用,膨胀机末级排气温度也在提高,排气损失也随之增大,不利于提高系统综合效率。

  系统中的余热是稳定的低温热源,而有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)正是一种可以充分利用低温热源中热量的方式。有机朗肯循环是一种工质是低沸点的有机物的朗肯循环,可以将低品位的热能转化成高品位的电能,有机朗肯循环的系统图如图3所示。

  

  根据储能系统的储热参数,同时考虑到换热器的端差,设置有机物蒸发温度为180℃,冷凝温度取35℃,可供利用的热水流量为34 t/h,进水温度为190℃,回水温度为50℃。选取三种常用于有机朗肯循环的工质:三氯氟甲烷(R11)、一氟二氯乙烷(R141b)和三氟三氯乙烷(R113)。三种有机物的物性参数见表5所列。

  

  利用软件对各有机物在储能系统的余热参数下的做功能力进行计算,最终选择一种做功能力最强的工质,膨胀机的进出口压力分别为有机物180℃时对应的蒸发压力和35℃时对应的冷凝压力。各有机物的发电功率如图4所示。

  

  发电功率为有机朗肯循环系统发电功率,用电功率为系统循环压缩泵消耗的电功率,净发电功率为系统发电功率扣除循环压缩泵消耗功率的净输出电功率。由图4可知,三种有机物中,在消耗相同的储热介质时,净发电功率由高到低分别为R113,R141b和R11,净发电功率分别为686.33kW,628.26kW和589.26kW。因此,耦合有机朗肯循环发电系统时,选择R113作为循环的工质时,系统效率提高最大。

4 结论

  充分利用压缩空气储能系统中的余热,可以有效提高系统的效率。本文以某100MW压缩空气储能系统为研究对象,分析提高膨胀机进气温度以及耦合有机朗肯循环发电系统对储能系统效率的影响。

  1)提高膨胀机进气温度可以充分利用系统的余热,提高系统的发电功率,但随着进气温度的提升,加热器水侧流量增大,原有系统的热水量不足以供应加热需求,且排气温度变高,排气损失增大;

  2)耦合有机朗肯循环发电系统,可以完全利用系统的余热,且不同工质的做功能力存在差异。其中做功能力最强的工质为R113,净发电功率为686.33kW,系统单次储放电过程中可提供3431.65kWh电量。


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关键字:压缩空气储能

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