TICC-500系统储能阶段动态热力特性分析

赵豫晋

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，河南 郑州 450000)

TICC-500系统储能阶段动态热力特性分析

赵豫晋

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，河南 郑州 450000)

先进绝热压缩空气储能系统对于电网调峰意义重大，是未来电力工业重点发展方向之一。为研究压气机转速和入口流量变化时各子系统的热力特性，以TICC-500储能系统为研究对象，采用集中参数法进行建模，对储能阶段因扰动而产生的响应进行了仿真。结果表明：当转速增大时，压气机出口压力和温度升高，效率降低，但各级换热器内空气放热量有所提高；当入口流量增大时，压气机出口压力和温度降低，效率降低，各级换热器内空气放热量减少。

绝热压缩空气储能；蓄热换热器；动态响应；集中参数法；仿真模拟

0 引言

随着传统化石能源的日益枯竭与环境保护的日益严格，太阳能、风能等清洁可再生能源得以大规模开发，应用前景广阔。由于可再生能源间歇性和不稳定性的缺点导致其发电并网困难[1-2]，传统的压缩空气储能技术虽然可以很好地解决上述问题，但是自身也存在诸如没有对压缩热有效利用造成热量浪费，采用天然气燃烧排放CO2等缺点，为此提出先进绝热压缩空气储能系统，该系统采用储热装置回收压缩热，释能时利用压缩热加热空气，储能效率提高的同时摆脱了对天然气的依赖，真正实现了污染物的零排放，被认为是电力行业最具市场潜力的储能方式[3]。

先进绝热压缩空气储能系统自从被提出来以后，诸多国内外学者对其进行了研究。Zunft等[4]论证了AA-CAES系统的技术可靠性和经济可行性；郭欢等[5]建立了AA-CAES系统各单元模块和系统热力模型，对不同结构下的热力系统进行了计算；韩中合等[6]对蓄热系统结构布置进行优化，提出了带高温蓄热系统的AA-CAES；李雪梅等[7]分析了储气压力、释能功率等参数对于系统性能的影响；文献[8-10]主要集中在热力模型建立、系统结构改进、参数影响分析等方面，很少涉及系统动态热力特性的研究。

本文以TICC-500系统为研究对象，采用集中参数法建立仿真模型，分析储能阶段转速和流量发生变化时，压缩与换热子系统的响应过程，以期能够对今后发展压缩空气储能电站运行起到参考和借鉴作用。

1 TICC-500储能系统与数学模型

1.1 TICC-500储能系统介绍

TICC-500系统是由清华大学物理化学研究所、中国科学院和中国电力科学研究院共同研究开发的一种非补燃式压缩空气储能系统，2014年12月，该系统成功通过了负载测试，并且组建了世界上第一个非补燃压缩空气储能动态模拟发电系统。TICC-500系统包括五大关键设备：压缩机、透平机、储气罐、蓄热换热器、发电机，其系统简图如1所示。

图1 TICC-500系统图Fig.1 TICC-500 system

1.2 仿真数学模型

在质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律的基础上，采用集中参数法建立各个模块的数学模型。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：m1、m2为进出口质量流量，kg/s；V为流道体积，m3；t为时间，s；ρ2为出口工质密度，kg/m3；A1、A2为进出口通流面积，m2；u1，u2为进出口工质轴向速度，m/s；P1、P2为进出口工质压力，Pa；F为叶片对工质的作用力，N；Q为工质对外传热量，kJ；Ws为消耗轴功，kJ；H1、H2为进出口工质焓值，kJ/kg。

2 模型验证

在TICC-500系统的基础上进行仿真建模，并对系统释能阶段冷态启动进行了仿真，以最后稳定时的仿真值和设计工况下的参数进行验证和比较，见表1。由表1可知，模型的仿真值与电站设计值有较高的吻合度，模型精度均在±3%以内，说明仿真模型能够正确反映机组正常运行状态下的运行过程以及机组热力系统动态特性，所建模型可以被用来进行研究。

3 仿真分析

3.1 储能阶段转速扰动分析

3.1.1 压缩子系统转速扰动响应过程

在扰动前系统的各个阶段(储气罐除外)都处于稳定阶段，稳定运行一段时间后第1级压气机给予扰动，压气机转速由3 000 r/min瞬间增加到3 100 r/min，其中各级换热器的冷却工质流量保持不变，通过计算系统流量由原来的1 668 kg/h增加到3 008 kg/h，各级压气机出口压力有个突然阶跃上升，然后增加速度减小，见图2(a)。

表1 实际电站压缩子系统数据和仿真数据对比Table 1 Comparison of data and simulation data of compression subsystem in actual power plant

图2 压气机转速扰动响应曲线Fig.2 Response curve of compressor speed disturbance

同时压气机出口空气温度也有上升，如图2(b)所示。第1级压气机出口空气温度增加的原因是由进气流量和转速增加导致的，其变化比较迅速；由第2级开始，各级压气机的出口空气温度不仅受空气流量的影响而且还受前1级压气机出口空气温度的变化而变化，而第1级以后的各级压气机进出口温度变化比第1级平缓，主要是因为换热器金属有蓄热能力，金属的蓄热变化相对平缓，从而换热器金属传热也就相对平缓。

此外，第1级压气机进口温度不变，因为压气机进口温度是大气温度，而其他4级有变化，转速上升导致后4级压气机进口温度处于上升趋势，由图2(c)可以明显的观察到后4级的压气机进气温度扰动后有个突然变小的情况，这是因为第1级压气机出口空气流量和压力同时增大所导致的，在压气机通流面积一定的情况下，压气机的转速增大速度大于流量，导致压气机出口流量会有个突然减小的情况，这就导致换热器冷却工质的冷却能力相对大于之前空气的放热能力，只不过这个过程时间是很短的；仔细观察可以发现每级压气机进口空气温度的阶跃程度不一样，越往后阶跃的幅度越大，这是因为各级压气机是以串联的形式工作，前一级会影响后一级；随着压气机进口空气温度和流量的增大，会导致压气机耗功增加，从总体实际效果来看，见图2(d)压气机效率变化曲线，压气机转速的扰动对整个压缩系统的运行是不利的，由压气机通用曲线[8]可以侧面验证到这些模拟结果是与实际过程是相符合的。

图3 换热器转速扰动响应曲线Fig.3 Speed disturbance response curve of heat exchanger

3.1.2 换热子系统转速扰动响应过程

图4 高温水罐、中温水罐温度的转速扰动响应曲线Fig.4 Speed disturbance response curve of high temperature and medium temperature water tank temperature

压气机转速的扰动导致压气机空气流量的增大，而换热器中冷却工质流量保持不变，加上压气机出口空气温度的升高，势必会导致各级换热器内空气的放热量增大，其出口冷却工质温度升高(见图3(a))。压气机出口空气温度变化趋势有个微小的下降过程，导致各级换热器的出口冷却工质对此有响应。由图3(b)可以看出第1级换热器出口吸热工质温度达到稳定的时间较短，其他级换热器变化平缓。高温、中温水罐的吸热工质温度都处于上升趋势，如图4所示，最后达到另外一个稳定状态，此扰动响应符合理论和实际的运行情况[9]。

3.2 系统储能阶段流量扰动分析

此过程是系统处于稳定工作时给予一个流量增加扰动，此扰动是在压气机转速和各级换热器内冷却工质流量不变的情况下进行的，当系统处于稳定工作状态时，各个热力参数处于不变状态。其中第1级压气机进口流量由稳定时的1 668 kg/h增加到2 200 kg/h。

3.2.1 压缩子系统流量扰动响应过程

由图5(a)看到各级压气机的压比都处于减小趋势，其中第1级下降幅度最大，第5级下降幅度最小。各级压气机的出口空气压力变化对应于各级压比的变化，第1级变化趋势在图中较小是因为纵坐标的影响，第1级相比于其他级出口压力比较小。由于压比的减小各级压气机进气温度也有所响应，第1级进气温度始终为大气温度，第1级以后各级压气机温度都以相对平缓的趋势下降，级数越大，下降的幅度越大，原因是上1级的压气机出口空气经过换热器换热后称为下1级的进口。

图5 压气机流量扰动响应曲线Fig.5 Response curve of compressor flow disturbance

各级压气机的出口温度经过扰动后都有下降的幅度，见图5(b)，各级达到稳定的时间也不一样，级数越大，达到稳定花费的时间越长。导致压气机出口空气温度下降的原因是压气机的转速不变而流量又增大，这就相当于出力不变负荷增大，根据多变压缩过程压力和温度的关系式可以得出压气机出口温度下降。

图6 换热器流量扰动响应曲线Fig.6 Flow disturbance response curve of heat exchanger

如图5(c)所示，第1级压气机进气温度始终是大气温度，由第2级压气机开始进口温度受前面换热器换热的影响导致其有所减小。各级压气机的耗功本应减小，但由图5(d)看出压气机的耗功是增大的，其中第1级压气机的耗功增加幅度最大，第5级最小，这也就说明流量对压气机的耗功影响大于压气机进口温度的影响；且从各级压气机效率变化趋势可以看出各级压气机的效率都有所下降，原因是压气机的转速不变，流量增大导致机组偏离了设计工况。

3.2.2 换热子系统流量扰动响应过程

流量扰动时，各级换热器出口空气温度都有所下降，第1级和第5级下降趋势平缓，中间3级相对剧烈(见图6(a))；各级换热器出口吸热介质温度也都处于下降趋势(见图6(b))，由于压气机空气流量的增大和出口温度的减小，而换热器内的冷却工质流量不变，对于各级换热器放热流体的放热量就减小了，导致各级换热器出口冷却工质温度和焓值下降，进而使高温水罐中和温水罐的温度都减小(见图7)。

图7 高温水罐、中温水罐温度的流量扰动响应曲线Fig.7 Flow disturbance response curve of high temperature and medium temperature water tank temperature

4 结论

(1) 压气机转速升高，系统流量增大，各级压气机出口压力有个突然阶跃上升，然后增加速度减小，进出口空气温度也有所上升(第1级压气机进口温度不变)，压气机效率降低，但是各级换热器内空气的放热量增大，高温、中温水罐的吸热工质温度都处于上升趋势。

(2) 流量增大，各级压气机的出口空气压力减小，进出口温度也会有下降的幅度，转速不变，流量增大导致机组偏离了设计工况，效率降低。各级换热器放热空气的放热量减小，进而使高温水罐和中温水罐的温度都处于下降趋势。

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DynamicThermalCharacteristicsofTICC-500SystemDuringEnergyStorage

ZHAO Yujin

(Huazhong Branch, China Datang Group Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan Province, China)

Advanced adiabatic compressed air energy storage system is of great significance for power grid peaking, and it is one of the key development directions of power industry in the future. In order to study the thermodynamic characteristics of each subsystem when the compressor speed and inlet flow rate change, taking the TICC-500 energy storage system as the research object, this paper uses the lumped parameter method to model the response of the energy storage stage caused by the disturbance. The results show that, when the speed increases, the outlet pressure and temperature of the compressor increase, the efficiency decreases, and the heat release of the air in the heat exchanger at various levels increases; when the inlet flow increases, the outlet pressure and temperature of the compressor decrease, the efficiency decreases, and the heat release of the air in the heat exchanger at various levels decreases.

adiabatic compressed air energy storage; regenerative heat exchanger; dynamic response; lumped parameter method; simulation

TK 02

A

2096-2185(2017)06-0072-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.012

赵豫晋

赵豫晋(1992—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为汽轮机热力性能与故障诊断及新能源开发利用等，zhao_yujin@163.com。

2017-09-12

(编辑 蒋毅恒)