压缩气体储能系统热力性能分析与优化

姚少勇，孙劲飚，李可意，李 智，洪 杨

(1.国家能源集团河北电力有限公司，河北 石家庄 050051；2.江苏大学 工业设计系，江苏 镇江 212013；3.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031；4.河北省电力勘测设计技术创新中心，河北 石家庄 050031；5.华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071003）

0 引言

为实现碳达峰碳中和，确保能源电力安全、满足经济社会发展电力需求，我国大力推动新能源电力系统的发展。新能源电力系统具有灵活高效、智能友好、清洁低碳、开放互动、安全可控等基本特点，然而新能源电力系统的发展也存在着诸多问题，新能源发电并网具有间接性和不稳定性的特点，需要提高电网的灵活性，加重了火电机组调峰任务，不利于火电机组的安全稳定运行。

储能技术是解决火电机组调峰的一项关键措施，其中压缩气体储能技术在其安全稳定性和储能效率上具有一定优势，但是由于空气的密度较低，导致系统效率难以进一步提升，有学者提出使用二氧化碳作为工质可有效提升系统整体效率，国内外诸多学者都参与了研究，并发表了重要成果。

在国内方面，韩中合[1]等提出了在耦合太阳能的先进压缩空气储能与压缩二氧化碳储能在不同运行方式下对比二者工质的不同，结果表明使用二氧化碳作为工质在电能输出时比空气的储能效率高；郝佳豪[2]等介绍了典型二氧化碳储能系统的工作原理和系统性能的评价指标，并表明压缩二氧化碳储能技术在未来新型电力市场中有巨大的发展潜力；冉鹏[3]等将超临界二氧化碳与压缩空气储能耦合，对冷热电联供进行分析，结果表明，与传统压缩空气储能系统相比，所提出的系统经济性较好，并且循环效率较高；严晓生[4]等提出了将压缩二氧化碳系统与火电机组进行耦合的方案，经过热力学计算选出了耦合的最佳方案，有效提高了机组的调峰能力；赵攀[5]等采用液压活塞的方式提出了具备近似等温等压的压缩二氧化碳储能系统，并对其进行了热力学分析，通过计算得出了系统的效率，热效率和能量密度等重要参数，对后续压缩二氧化碳储能的研究起到了重要的实验作用。

在国外方面，Liu[6]等采用了一种考虑到各部件相关联性的先进㶲分析方法代替传统㶲分析方法来分析一种新型跨临界压缩二氧化碳储能系统，结果表明，传统㶲分析方法可能会对设计人员造成误导，先进㶲分析方法结果更实用；Zhang[7]等提出了一种低温液态二氧化碳储存的方式，提高系统储存密度，通过计算得出结论，无论泵出口压力和压比如何变化，㶲损失最大的部件主要来自于压缩机和回热器；Zhang[8]等提出了一种跨临界二氧化碳布雷顿循环的压缩二氧化碳储能，分析结果表明，跨临界二氧化碳储能比先进绝热压缩空气储能效率略低，但是比液态二氧化碳的系统高4.05%，能量密度是压缩空气储能的2.8倍，是具有很大潜力的储能技术；He[9]等提出了一种与热电联产机组耦合的压缩二氧化碳储能系统，通过热力学计算得出与未耦合的原有热电联产机组相比，改进后的系统性能更优。

本文将压缩空气储能系统进行优化分析，将工质替换为二氧化碳，并且通过热力学分析，计算出系统在改动前后的循环效率、能量密度以及换热效率等参数来评价两种工质的性能。

1 系统描述

本文将压缩气体储能系统中的不同工质进行对比，气体工质为空气与二氧化碳，采用四级压缩机，四级膨胀机，使用循环水吸收工质压缩产生热量并储存起来，膨胀时为工质做功提供所需热量，为确保工质进入压缩机膨胀机的压力稳定，采用节流阀控制。为了便于对比，当系统以空气作为介质时，压缩机入口处空气压力选取和二氧化碳相同的压力值为0.6 MPa。

如图1所示，压缩空气储能系统在储能过程中，环境中的空气通过加压到0.6 MPa后进入压缩机组进行逐级压缩(1-2，3-4，5-6，7-8)过程以及多级间冷却(2-3，4-5，6-7)过程，其中换热器从左到右编号依次为A1、A2、A3，经过压缩后的空气储存到高压储气室中；系统在释能过程中，空气从高压储气库流经节流阀(10-11)后，进入膨胀机组主机膨胀(11-12，13-14，15-16，17-18)过程以及多级间加热(12-13，14-15，16-17)过程，其中换热器从左到右编号依次为B1、B2、B3，经过膨胀后的空气排出到环境中。

图1 压缩空气储能系统图

图2为压缩二氧化碳储能系统，其中M表示电动机、G表示发电机、C1-C4表示4个压缩机、T1-T4表示4个膨胀机、HS表示高压储气罐、LS表示低压储气罐、HT表示储热罐、CT表示储冷罐。与压缩空气不同点在于需要新增一个低压储气罐，由于二氧化碳属于温室气体，如果排放到大气当中不符合碳中和碳达峰的目标[10]。

图2 压缩二氧化碳储能系统图

图3 系统换热器做功参数

2 压缩气体储能热力学模型

为研究压缩气体储能系统的热力学模型需要对系统主要部件进行建模，为简化分析将列出如下假设：

1)工作条件为稳态；

2)忽略各部件的热损和摩擦损失；

3)未考虑管道中工质的压降和能耗[11]；

4)假定阀门出口压力恒定温度恒定；

5)未考虑发电机和电动机的能量转换效率。

根据上述假设对系统中每个部件进行建模，详细模型如下。

2.1 压缩机模型

压缩机的等熵效率

式中：η表示等熵效率；h为焓值；下标c表示压缩机；下标o和i分别表示出口和入口；下标s表示等熵过程。

本文中提到的系统有四级压缩机，驱动所需的电力来自于电网多余的电量，各级压缩机的功率为：

2.2 换热器模型

本系统中包含3个中间冷却器和3个加热器。换热器的热平衡方程为：

2.3 膨胀机模型

膨胀机的等熵效率：

式中：下标t表示膨胀机。

膨胀机的功率为：

2.4 储罐模型

与压缩空气不同，二氧化碳作为工质有两个储罐。储罐为绝热，工质等压储存。因此储罐进出口工质流体的基本参数相同。二氧化碳作为工质是与外界环境无质量交换，故在系统充放电过程中质量守恒，质量平衡方程为：

2.5 评价指标

本文将采用以下几种参数作为衡量系统性能的评价指标，对系统进行热力学分析。

1)系统循环效率

系统循环效率是指系统释能过程中输出功比系统储能过程中输入功：

式中：ηret为循环效率。

2)系统换热效率[12]

系统中换热效率用来衡量系统热量的利用率，其定义为系统在释能过程中循环水通过换热器对气体输出的热量与储能过程中循环水通过换热器吸收气体热量的比值：

3)系统储能密度[13]

系统的能量储存密度可以定义为系统单位储存容量所产生的能量：

式中：ρ为储能密度；Vs为气体储存体积，可看作储罐体积。

3 系统热力学建模与分析

3.1 初始参数

本文将分别对工质为空气与二氧化碳进行热力学分析，表1为空气与二氧化碳的初始参数，根据参数对两种系统进行热力学分析。

表1 压缩二氧化碳/空气系统初始参数

3.2 热力学分析

本文使用thermoflow软件对系统进行仿真，通过给出的工质初始状态参数模拟得出系统的热力学参数，根据得出的热力学参数计算出各压缩机耗功和各膨胀机做功数值。如表2，表3所列，可以看出压缩二氧化碳储能系统压缩机耗功总和要低于压缩空气储能系统，压缩二氧化碳储能系统膨胀机做功总和高于压缩空气储能系统。由此可以看出，当以二氧化碳作为工质时，系统压缩机总耗功减少，系统膨胀做功总量增加。

表2 压缩二氧化碳储能系统各压缩机耗功和膨胀机功率

表3 压缩空气储能系统各压缩机耗功和膨胀机功率

图3为压缩空气和压缩二氧化碳的储能侧与释能侧换热器做功对比图，可以看出以二氧化碳作为工质时，压缩侧各换热器所做的功均高于以空气作为工质时压缩侧换热器所做的功。膨胀侧各换热器做的功依然是压缩二氧化碳储能系统高于压缩空气储能系统。所以当以二氧化碳作为工质时，循环水吸收压缩机压缩二氧化碳所产生的压缩热更多，循环水提供给膨胀侧二氧化碳的热量更多。

根据表4可以看出压缩二氧化碳储能系统的各项评价指标：循环效率为66.01%，换热效率为80.66%，储能密度为12.49 kWh/m3。根据表5可以看出压缩空气储能系统的各项评价指标：循环效率为65.46%，换热效率为53.32%，储能密度为11.58 kWh/m3。由此可以得出当系统以二氧化碳作为工质时，以电换电效率略高于空气，压缩机产生的压缩热能够更多的被膨胀侧二氧化碳利用，储能密度也略高于空气。

表4 压缩二氧化碳储能系统性能指标

表5 压缩空气储能系统性能指标

通过对两种不同工质的对比可以看出，当系统以二氧化碳作为工质时各项指标都优于空气，故压缩二氧化碳储能技术有很大的发展前景。

4 结论

本文基于压缩空气储能系统，在系统运行中提出了两种不同工质的方案，并且分别对两种方案分析和讨论了热力性能，根据评价指标对二者进行了定论，得出的结果如下：

1)两种工质初始条件相同的情况下，压缩二氧化碳储能系统的循环效率略高于压缩空气储能系统。

2)压缩二氧化碳储能系统的换热效率远高于压缩空气储能系统。

3)压缩二氧化碳储能系统的储能密度略高于压缩空气储能系统。