一种新型的跨临界CO2储能系统

吴毅,胡东帅,王明坤,戴义平

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)



一种新型的跨临界CO2储能系统

吴毅,胡东帅,王明坤,戴义平

(西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安)

为了解决我国风电并网时电力不稳定等问题,实现规模储能,针对目前压缩空气储能(CAES)系统存在的问题,提出了一种新型的跨临界CO2储能系统概念。系统储能介质CO2以液态形式进行储存,以热能和冷能为能量存储主要形式,实现风电的储能和释能过程。对该系统进行了热力学分析和多目标优化,结果表明:在合适的储能压力下,系统储能效率和储能密度均随着释能压力的增大先增大后减小,分别存在最佳释能压力;随着储能压力升高,系统储能效率不断降低,储能密度却不断增加;减小蓄冷器和中间换热器换热温差是提高系统储能效率的关键;通过对储能系统进行多目标优化,最优解对应的系统储能效率为50.4%,储能密度为21.7 kW·h/m3。跨临界CO2储能系统具有储能密度较高、绿色高效、不受地理条件限制等优点,在风电的规模存储中具备很好的应用前景。

风电;储能;压缩空气;跨临界CO2;液化CO2

能源安全和环境问题将是我国能源领域长期面临的双重挑战,大力发展可再生能源己成为必须采取的途径之一[1]。近年来,风力发电己成为发展最快,最具规模化开发条件的可再生能源发电技术。然而,风电因其间歇性、波动性及非周期性等特点,严重影响电网的运行稳定性与电能质量,限制其大规模利用[2]。解决这一问题的有效方法之一是采用电力储能系统,利用储能技术,存储风电系统产生的富余电量,补充无风或小风力情况下的电力需求,避免风电并网时电力不稳定等一系列问题的发生[3]。

目前,世界上能够成熟应用的大规模储能技术只有抽水蓄能(PHS)和压缩空气储能(CAES)两种方式,但PHS受到地理位置的限制,需要特定的地质条件、长期有足够水源、水量蒸发量不能太大,而传统CAES依赖燃气轮机技术、化石燃料的补充燃烧以及大规模适合压缩空气储存的天然洞穴,同时也存在污染环境的排放问题[4]。近年来,陈海生等提出了超临界压缩空气储能系统概念,该系统无需燃烧室、空气以液态形式储存,兼具先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)和液化空气储能系统(LAES)的特点[5]。相比AA-CAES系统,超临界压缩空气储能系统以低温常压(-194 ℃,0.1 MPa)的超临界态空气和中品位热能(约200 ℃)实现能量存储,利用超临界空气密度较大的特性(-194 ℃,0.1 MPa时空气的密度为878.32 kg/m3)有效减少了空气的存储体积,可以采用压力容器进行存储,同时储能密度约为定压运行的AA-CAES系统的11倍。但是,由于受到空气本身的物性和临界点(-140 ℃,3.77 MPa)温度较低的限制,利用空气的超临界特性在实现压缩空气储能的低温存储、冷热交换、组分分离等方面仍存在着较大缺陷[6]。

相比超临界空气,超临界CO2是一种具有较大开发潜力的储能介质。从物性上看,CO2有下列主要的优点[7]:①环境性能良好;②热力性质极佳,气流密度高,导热性好,液体黏度低;③CO2的临界参数低(31.41 ℃,7.38 MPa),一方面可以在相对较高的温度下进行存储,另一方面很容易实现超临界状态,使热源的放热温度曲线和CO2吸热温度曲线达到很好的匹配,提高了热力循环的平均吸热温度,具有较高的能源转换效率。CO2因为其良好的物性而受到国内外学者的广泛关注,已有不少学者对其取代传统工质应用于制冷循环、朗肯循环、布雷顿循环等[8-10]开展了相应的研究工作。

针对上述问题,本文提出了一种新型的跨临界CO2储能系统,具有不需要燃料供应、不受地理位置限制和对环境友好等优点。系统储能介质CO2以液态形式进行储存,并以热能和冷能为能量存储主要形式,实现风电的储能和释能过程。文中开展了该系统的概念设计和循环的热力学分析,评价了系统的整体特性。

1 系统描述

1.1 循环流程

图1给出了跨临界CO2储能系统的流程图,主要部件包括压缩机、蓄热设备、蓄冷器、节流阀、液态CO2存储罐、低温泵、制冷器、透平、膨胀机等。

储能过程:液态CO2存储罐中的CO2经节流阀降压液化(1—2),经过蓄冷器吸热升温至略高于常温(2—3),经压缩机压缩(4—5,6—7),压缩热通过间冷器被来自冷罐的水吸收,吸收压缩热后的热水储存在热罐中(5—6,7—8),被冷却的高压CO2进入膨胀机膨胀降压(8—9),液态CO2储存在液态CO2存储罐中(11),未被液化的气态CO2在制冷器中被加热至略高于环境温度(10—4),并产生制冷量,这部分CO2气体与蓄冷器出口的气态CO2混合,一起送入压缩机。

1～15:位置点图1 跨临界CO2储能系统流程图

释能过程:液态CO2存储罐中的CO2经低温泵升压(11—12),储存在热罐中的高温储热介质进入透平再热器加热高压CO2(12—13,14—15),加热后的高压CO2进入透平膨胀做功。透平排气经散热器冷却至环境温度(16—17),进入蓄冷器冷却至液态,存储于液态CO2存储罐中(17—11)。

文中压缩机和透平的级数均为2,进行等压比和等膨胀比运行。同时,在压缩机和透平部分采用循环水显热蓄热方式是因为:①水具有较高的比热容,并且成本很低;②换热器可实现小温差换热,且能使压损较小,因此这种蓄热方式蓄热效率较高;③采用中间换热器(间冷器和再热器)避免了由于单级压比过高和单级膨胀比过高造成的效率较低的问题;④储能系统功率不太大、压缩机出口温度不太高。蓄冷器采用填充床蓄热器,因为跨临界CO2储能系统冷却CO2所需温度范围是304～216.7 K,符合填充床蓄热器的温度变化范围[4]。

运行过程中,液态CO2存储罐采用定压存储方式,实现过程如下。进液:先开启放空阀,然后从进液阀进液,向容器内充液,充液完毕后,关闭进液阀;输液:通过市场上液态CO2存储罐的自增压系统实现,如图2所示。其原理是通过空温汽化器使液体CO2气化(体积约增加至原来的60倍),气化后的气体返回储罐后使储罐压力升高[11],可关闭放空阀,打开增压阀,通过缓慢增压,适当打开排液阀,实现连续输液。

图2 液态CO2存储罐的自增压系统

整个储能系统以24 h为周期,在电量过剩时进行储能过程,在用电量高峰期进行释能过程,其余时间热能和冷能分别储存在热罐和蓄冷器中。

本文设定储能过程2级压气机间冷器出口高压气体的压力(即储能过程最高压力)为储能压力,低温泵出口工质压力(即释能过程最高压力)为释能压力。

1.2 数学模型

为了简化系统的数学模型,本文假设:

(1)系统处于稳定流动状态;

(2)系统中的设备与环境不进行换热;

(3)连接管道的压力损失可忽略不计;

(4)不考虑循环水侧的耗功;

(5)液态CO2存储罐的自增压系统中CO2的损失量忽略不计。

基于以上假设,根据质量和能量守恒定律,可以对各设备建立数学模型。

系统储能效率定义为

(1)

式中:Wout为系统输出的功;Win为输入系统的功。

储能密度定义为

(2)

液态CO2存储罐的体积定义为

(3)

式中:mdis为释能过程工质的质量流量;tdis为放电时间。

2 计算与分析

系统工质热物理性质按照NIST数据库提供的REFPROP软件进行[12]计算。在Matlab平台上搭建系统的仿真程序。表1列出了跨临界CO2储能系统在环境温度为25 ℃、环境压力为0.1 MPa下的典型工况的计算条件。该储能系统要求达到释能时间为1 h,输出功率为5 MW。

表1 跨临界CO2储能系统典型工况的计算条件

2.1 系统热力性能分析

图3给出了释能压力对系统储能效率的影响。从图中可看出,当储能压力为8 MPa时,系统储能效率随着释能压力的增大先增大后减小,最佳释能压力为18 MPa。这是因为释能过程类似热泵循环,当释能压力升高,释能过程中单位工质做功能力先增大后减小,在系统总输出功不变的情况下,释能过程中的工质总质量先减小后增大,从而引起储能过程总工质质量也先减小后增大,即储能过程中系统总输入功先减小后增大,由于系统释能过程总输出功不变,引起系统储能效率先增大后减小。另外,从图中还可以看出,随着储能压力的增大,系统最佳释能压力不断升高,当储能压力为14 MPa时,在释能压力为10～20 MPa内,系统储能效率随着释能压力的增大而增大,没有出现最佳释能压力。

图3 释能压力对系统储能效率的影响

图4给出了释能压力对储能密度的影响。从图中可看出,当储能压力为8 MPa时,储能密度随着释能压力的增大先增大后减小,最佳释能压力为18 MPa。这是因为当释能压力升高,释能过程中单位工质做功能力先增大后减小,在系统总输出功不变的情况下,释能过程中的工质总质量先减小后增大,储液罐压力不变,工质密度不变,所以储液罐的体积也是先减小后增大,储能密度先增大后减小。另外,储能压力增大,最佳释能压力不断升高,当储能压力为14 MPa时,在释能压力10～20 MPa内,系统储能密度随着释能压力的增大而增大,没有出现最佳释能压力。

图4 释能压力对储能密度的影响

图5给出了储能压力对系统储能效率的影响。从图中可看出,随着储能压力升高,系统储能效率不断降低,且降低程度变缓。这是因为储能压力升高引起储能过程单位工质压缩机压缩功增加,但是因为压气机出口温度升高,引起热罐中循环水的储热温度升高,释能过程单位工质做功能力增强,从而引起释能过程总工质质量减小,也导致储能过程总工质质量不断减小,在二者的共同作用下,引起储能效率降低,且程度变缓。

图5 储能压力对系统储能效率的影响

图6给出了储能压力对储能密度的影响。从图中可看出,随着储能压力升高,储能密度不断增加,且增加程度变缓。这是因为储能压力升高引起释能过程总工质质量减小,工质密度不变,所以储液罐的体积不断减小,在系统总输出功不变的情况下,引起储能密度不断增大。

图6 储能压力对储能密度的影响

图7 中间换热器换热温差和蓄冷器最小温差对储能效率的影响

图7给出了中间换热器换热温差和蓄冷器最小温差对储能效率的影响。随着中间换热器换热温差和蓄冷器最小温差的增加,系统储能效率均基本呈线性下降。中间换热器和蓄热器是实现热能和冷能收集(释放)的核心部件,其换热效率的高低决定了收集(释放)热能和冷能的品质。从图中可看出,中间换热器换热温差每增加2 ℃,系统效率减小1.2%左右,因此减小蓄冷器和中间换热器换热温差是系统效率提高的关键点。

2.2 系统优化

本文采用遗传算法对系统进行了多目标优化,以系统储能效率和储能密度作为优化的目标函数,储能压力和释能压力2个关键热力学参数作为决策变量,其中储能压力的取值范围是7～20 MPa,释能压力的取值范围是10～20 MPa。

图8给出了采用遗传算法进行多目标优化的Pareto最优前沿解集。本文选择最优前沿解集中与C点距离最近的D点作为寻找的系统的最优解。表2给出了最优解对应的储能压力、释能压力和系统性能。

图8 多目标优化的Pareto最优前沿解集

参数 最优解储能压力/MPa11.7释能压力/MPa18.3储能效率/%50.4储能密度/kW·h·m-321.7

3 结 论

针对超临界压缩空气储能系统存在的问题,本文提出了一种新型的跨临界CO2储能系统,对该系统进行设计和循环的热力学分析。

(1)在合适的储能压力下,系统储能效率随着释能压力的增大先增大后减小,存在最佳释能压力;系统储能密度也随着释能压力的增大先增大后减小,存在最佳释能压力。

(2)随着储能压力升高,系统储能效率不断降低,储能密度却不断增加,因此需要选择合适的储能压力。

(3)减小蓄冷器和中间换热器换热温差是提高系统储能效率的关键。

(4)通过对储能系统的多目标优化,最优的系统储能效率为50.4%,储能密度为21.7 kW·h/m3。

跨临界CO2储能系统具有储能密度较高、绿色高效、不受地理条件限制等优点,在风电的规模存储中具备很好的应用前景。目前,跨临界CO2储能系统仍处于热力学研究基础阶段,下一步需要考虑经济成本,发展高效的CO2专用透平机械,进一步完善和优化该系统,发掘该新型系统在风电的应用潜力。

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(编辑 荆树蓉)

A Novel Transcritical CO2Energy Storage System

WU Yi,HU Dongshuai,WANG Mingkun,DAI Yiping

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To ensure grid frequency and power stability and realize bulk energy storage, a novel transcritical CO2energy storage system was proposed in view of the defects in the existing compressed air energy storage systems. The concept is based on taking liquid CO2as the storage media, thermal energy and cold energy as the main storage forms, so as to realize charging and discharging processes for wind power. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization were performed and results showed that both round-trip efficiency and energy density increase firstly and then decline with the increase of discharging pressure at suitable charging pressure, which means that there exists an optimal discharging pressure. As charging pressure increases, round-trip efficiency declines while energy density increases. The key approach to improve the round-trip efficiency is to decrease the heat transfer temperature differences of cool storage unit, intercooler and reheater. The optimum round-trip efficiency and energy density are 50.4% and 21.7 kW·h/m3, respectively. The transcritical CO2energy storage system has advantages such as high energy density, high-efficiency and environment friendly, no geographical restriction, showing a promising potential for storing wind power in large scale.

wind power; energy storage; compressed air; transcritical CO2; liquid CO2

10.7652/xjtuxb201603007

2015-06-18。 作者简介:吴毅(1992—),女,硕士生;戴义平(通信作者),男,教授。

时间:2015-12-08

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151208.1640.008.html

TK02

:A

:0253-987X(2016)03-0045-05