液-液二氧化碳储能系统的性能分析

陈 力 廖传华 王常青

（1.南京工业大学机械与动力工程学院；2.南京三方化工设备监理有限公司）

电力是能源消耗的主要形式，寻找降低能源消耗的方法对电力工业非常重要。 储能技术克服了传统电网供应时间受限、供应地点不连续等问题，被证明是一种有效的平峰填谷措施，引起了广泛关注［1］。

现已开发的储能技术有多种类型，如抽水蓄能 （PHS）、 压缩空气储能 （CAES）、 热能储能（TES）、超导磁储能（SEMS）、飞轮储能、电容器/超级电容器储能、太阳能燃料电池和储氢［2～4］。其中，CAES因具有初始成本低、低污染、高效率及长寿命等特点，是当前应用最为广泛的储能技术。 但传统CAES系统需依赖化石燃料和大型洞穴，而且其能量密度不高［5，6］。 为了克服这些缺点，有学者提出了一些新型CAES系统， 其中最重要的是绝热压缩空气储能（A-AES） 和液体空气储能器（LAES）。 对于A-AES，燃烧室被换热器和再生单元所取代，因不与外部环境进行热量交换，其效率可达50%～75%，远超传统CAES系统的效率（低于50%），但仍然严重依赖于巨大的储气库。LAES系统克服了对大型洞穴的依赖，而且能量密度也有显著改进，但由于液化技术不完善，其系统效率相对较低［7，8］。

过去对储能介质的研究主要集中于空气。 近年来，鉴于二氧化碳的优异性能，如环境友好、热性能好、安全性高，同时具有A-AES和LAES的优点，即既具有较高的能量密度，又具有较高的转换效率［9，10］，故在储能领域具有较好的应用前景。

笔者建立了一种液-液二氧化碳储能系统，通过Aspen Plus仿真模拟软件进行模拟， 探究关键参数变化对系统性能影响的规律，揭示它们之间的关系，并对系统进行优化［11］。 在此基础上进行了火用分析，揭示每个部件之间和整个系统的火用损分布，以期为进一步研究二氧化碳储能系统提供参考。

1 系统流程介绍

根据二氧化碳赋存状态与含能的关系，构建了一种液-液二氧化碳储能系统， 其工艺流程示意图如图1所示。

图1 液-液二氧化碳储能系统流程示意图

储能时，液态CO2经B14降压（16→17）后，在B15中吸热气化（17→18），将冷能储存在蓄冷器中，用以将释能阶段的气态CO2冷却至液态。 气化后的CO2先经过B16（18→1）降低温度，再经B1和B3（1→2，3→4）以及B2和B4的换热（2→3，4→5），之后再经过B7降温液化（5→6），最终以液态储存在B5中，压缩热储存在热罐中。 释能时，液态CO2经B6降压（7→8），先经过B7吸热汽化（8→9），再经B8和B10加热（9→10，11→12）以及B9和B11做功（10→11，12→13）。 B11出口的二氧化碳经B12冷却至常温（13→14），经B15降温液化（14→15），以液态储存在B13中（15→16）。

2 系统建模与评价指标

2.1 系统建模

根据图1所示的液-液二氧化碳储能系统，对压缩机、膨胀机及换热单元等设备建立热力学模型。 考虑系统的复杂性，为简化模型，对系统进行合理假设。

2.1.1 压缩机

压缩机的绝热效率ηc［12，13］定义为：

2.1.3 冷却器

二氧化碳的物性参数（比热容、密度等）在临界点附近很窄的温度范围内变化很大，因此有必要对热交换器进行离散化，以使每个部分的特性变化非常小，从而为每个部分分配恒定的特性。

假设换热器的温差为最小值Δt， 对冷却器，通过将二氧化碳的总焓变化分为n个等差值Δh来进行离散化，根据已知焓和压力，每一段吸热量分别为：

式中 hco2，i+1——任一等份的二氧化碳的入口焓，kJ/kg；

hco2，i——任一等份的二氧化碳的出口焓，kJ/kg；

hw，i——任一等份的冷却水的入口焓，kJ/kg；

hw，i+1——任一等份的冷却水的出口焓，kJ/kg；

m·co2——二氧化碳的质量流量，kg/s；

m·w——冷却水的质量流量，kg/s；

2.2 系统性能评估方法

为了更好地揭示储能系统的热力特性，采用系统循环效率（RET）和能量密度（EVR）作为关键指标进行性能评价［14］。

系统循环效率（RET），定义为从储存中回收的能量与输输入的能量之比：

式中 ter——输入能量的工作时间；

tes——回收能量的工作时间；

win——系统的总外部能量输入；

wout——系统的总能量输出。

系统无外部能量输入时的RET记为：

式中 V1、V2——二氧化碳的储存体积，可近似为二氧化碳储罐的体积。

2.3 火用分析方法

式中 h——物流的焓，kJ/kg；

h0——物流在环境状态下的焓，kJ/kg；

m——物流的质量，kg；

s——物流的熵，kJ/（kg·K）；

s0——物流在环境状态下的熵，kJ/（kg·K）；

T0——物流在环境状态下的温度，K。

每个部分的火用损失表示如下。

压缩机的各级火用损失ED，ci可表示为：

压缩机组的总火用损失ED，C可表示为各级火用损失的累加：

3 建模与讨论

3.1 模拟假设

利用Aspen Pus软件搭建液-液二氧化碳储能系统，并进行参数计算。 模拟过程中，压缩机和膨胀机采用Compr 模型， 间冷器和再热器采用MheatX换热器模型， 冷却器和散热器采用Heater模型，节流阀采用Valve模型，低温泵采用Pump模型。二氧化碳的物性方程为PENG-ROB，蓄热水的物性方程为STEAMNBS， 二氧化碳和蓄热水的分离过程采用物流分流Split模型， 物流混合采用物流混合Mixer模型， 功流混合采用功流混合Mixer模型［16］。

3.2 系统主要参数

模拟过程中主要参数设置如下：

压缩机等熵效率 85%

膨胀机等熵效率 5%

进口温度 308.15 K

进口压力 2.0 MPa

储能压力 4.94 MPa

释能压力 4 MPa

蓄热冷水温度 303.15 K

蓄热冷水压力 0.8 MPa

间冷器压损 0.03 MPa

蓄冷器压损 0.03 MPa

再热器压损 0.03 MPa

3.3 系统热力学数据

系统的热力学数据见表1，经过计算后，液-液二氧化储能系统的能量效率为44.7%， 能量密度为3.45 kW·h/m3。

表1 系统的热力学数据

4 灵敏度分析

4.1 参数变化设计

液-液二氧化碳储能系统中， 主要部件是压缩机、膨胀机、间冷器、再热器、蓄冷器、节流阀等，每个部件的性能参数均与系统的热力性能息息相关。 笔者主要考察储能压力、释能压力、进口压力、压缩机效率、膨胀机效率、节流阀压降等参数对储能系统热力性能的影响［17］。 各部件性能参数的变化范围如下：

储能压力 5.0～7.0 MPa

释能压力 3.5～6.0 MPa

进口压力 0.5～2.5 MPa

压缩机效率 75%～95%

膨胀机效率 75%～95%

节流阀1压降 0～1.0 MPa

4.2 分析结果

4.2.1 储能压力对系统性能的影响

储能压力对系统性能的影响如图2所示。 可以看出，随着储能压力的增大，系统效率逐渐增大，能量密度也逐渐增大。

图2 储能压力对系统性能的影响

系统效率随着储能压力的增大而逐渐增大，其主要原因是，随着储能压力的增大，储能阶段单位工质消耗的压缩功增大，释能阶段单位工质的输出功也增大，但输出功的增加大于压缩功的增大，因此系统效率逐渐增大。

能量密度随储能压力的增加也逐渐增大，主要是因为系统总体积不变，但随着储能压力的增大， 释能阶段膨胀机单位工质的输出功逐渐增大，致使系统能量密度逐渐增大。

4.2.2 释能压力对系统性能的影响

释能压力对系统性能的影响如图3所示。 随着释能压力的增大，系统效率与能量密度均呈现出先逐渐增大然后减小的特点。

图3 释能压力对系统性能的影响

系统效率先增大后减小，主要因为随着释能压力的增大，膨胀机进口压力增大，还要考虑膨胀机出口液化，受此影响，膨胀机单位工质的输出功先增大再减小，而储能阶段压缩机的消耗功不变，所以系统效率先增大后减小。

能量密度先增大后减小，主要因为释能压力增大，释能阶段的输出功先增大后减小，而系统中储罐体积不变，所以系统能量密度先增大后减小。

4.2.3 进口压力对系统性能的影响

进口压力对系统性能的影响如图4所示，随着进口压力的增大， 系统效率先增大后减小，系统能量密度逐渐减小。

图4 进口压力对系统性能的影响

系统效率先增大后减小，主要因为，随着进口压力增大， 系统的总压比和膨胀比逐渐减小，单位工质消耗的压缩功和输出功减小，但二者减小的幅度不一致，因此系统效率先增大后减小。

能量密度逐渐减小，主要因为，随着进口压力增大，释能阶段，膨胀机单位工质的输出功逐渐减小，而系统储罐总体无变化，因此系统能量密度逐渐减小。

4.2.4 压缩机效率对系统性能的影响

压缩机效率对系统性能的影响如图5所示，随着压缩机效率的增大， 系统效率逐渐增大，而能量密度逐渐减小。

图5 压缩机效率对系统性能的影响

系统效率逐渐增大，主要因为，随着压缩机效率增大，系统储能阶段单位工质消耗的压缩功减小，虽然释能阶段单位工质消耗的输出功也减小，但是输出功的减小量小于消耗功，因此系统效率逐渐增大。

能量密度逐渐减小，主要因为，释能阶段单位工质消耗的输出功减小，但整个系统的储罐体积几乎不变，因此能量密度逐渐减小。

4.2.5 膨胀机效率对系统性能的影响

膨胀机效率对系统性能的影响如图6所示，随着膨胀机效率的增大， 系统效率逐渐增大，能量密度也逐渐增大。

图6 膨胀机效率对系统性能的影响

系统效率逐渐增大，主要因为，随着膨胀机效率增大，系统储能阶段单位工质消耗的压缩功不变， 而释能阶段单位工质消耗输出功增大，因此系统效率逐渐增大。

能量密度逐渐增大，主要因为，释能阶段单位工质消耗的输出功增大，但整个系统的储罐体积几乎不变，因此能量密度逐渐增大。

5 系统火用分析

在典型运行工况下，对各个部件进行参数优化，可得到系统的最优效率及其性能特性，并利用火用分析探索各部件的火用损分布及其原因［18］。

5.1 参数优化

以进口压力、储能压力、释能压力、压缩机效率、膨胀机效率作为决策变量对系统进行参数优化，优化后的参数如下：

压缩机等熵效率 86%

膨胀机等熵效率 88%

进口温度 308.15 K

进口压力 1.0 MPa

储能压力 7.0 MPa

释能压力 6.2 MPa

蓄热冷水温度 303.15 K

蓄热冷水压力 0.8 MPa

间冷器压损 0.03 MPa

蓄冷器压损 0.03 MPa

再热器压损 0.03 MPa

设定系统的进口压力为1.0 MPa，储能压力为7.0 MPa，节流阀1压降0.8 MPa，释能压力6.2 MPa。参数优化前后的结果对比见表2。 优化后，得到储能系统的效率达到56.1%，比原来多了11.4%。 与此同时，其能量密度达10.03 kW·h/m3。

表2 参数优化前后的对比

5.2 火用分析

针对参数优化后的系统进行火用分析，其结果见表3。

表3 针对参数优化后的系统各部件火用分析

从表3中可以看出， 火用损率最大的是总压缩机，其次是总膨胀机和间冷器2，分别为25.884%、21.434%和15.404%，三者占据整个火用损率的一半以上。 除阀门外，散热器具有较高的火用效率（达到了99.999%） 和较低的火用损率 （仅占总火用损的0.017%）。 因此，重点在于改进压缩机、膨胀机以及间冷器2。

图7是压缩机绝热效率变化对液-液二氧化碳储能系统中压缩机组和膨胀机组热力性能的影响。 压缩机绝热效率的变化范围在75%～95%，其他参数保持不变，一级和二级膨胀机的火用损变化相对较少， 但一级压缩机的火用损从14.1 kW下降到2.3 kW，二级压缩机的火用损从13.0 kW下降到2.1 kW。 由图7b知， 在保证其他参数不变的情况下，当膨胀机绝热效率在0.75～0.95的范围内变化时，一级和二级压缩机火用损几乎不变，一级膨胀机火用损从13.1 kW下降到2.9 kW， 二级膨胀机火用损从7.1 kW下降到1.2 kW。 因此提高压缩机和膨胀机的绝热效率均有利于降低储能系统的火用损，从而提高系统的经济性。

图7 压缩机、膨胀机绝热效率对系统主要部件热力性能的影响

6 结束语

笔者在典型工况下， 利用Aspen Plus仿真模拟软件，将储能效率作为优化目标，设置各储能部件参数优化条件，以压缩机进口压力、储能压力和释能压力等关键热力学参数作为变量对液-液二氧化碳储能系统进行参数优化，其最优效率为56.1%， 比优化前提高了11.4%； 能量密度为10.03 kW·h/m3，比优化前增加了6.58 kW·h/m3。 在此基础上，利用火用分析得到系统中各关键部件的火用损分布。结果表明，压缩机组的总火用损率最大，其次为膨胀机组，分别为34.07%和26.812%，两者占整个火用损率的一半以上。 除阀门外，散热器和蓄冷器都具有较高的火用效率（分别达到99.996%和97.731%） 和较低的火用损率 （仅占总火用损的3.558%）。 系统改进的重点在于压缩机、膨胀机以及换热器。