基于压缩空气储能的分布式能源系统热力学特性分析

刘 , ,俊杰,,

(1.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025； 2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

发展以分布式能源、可再生能源为代表的新型能源系统，是完善我国能源可持续发展体系、抢占能源技术革命制高点的国家战略需求[1-2]。目前，基于燃气的分布式能源为发展主流方向，国内已建和在建的天然气分布式项目约50多个，装机总容量约600万kW，到2020年，天然气分布式能源系统装机规模预计达到5 000万kW[3-5]。

但是，天然气分布式能源系统的设计容量难以选择，并且冷、热、电负荷需求不同步，这严重限制了天然气分布式能源系统的推广应用[5]。

为解决分布式能源系统热电不平衡问题，国内外专家学者从系统设计、结构优化、运行策略等方面对天然气分布式能源系统进行了研究。Yang等[6]提出了一种太阳能与压缩空气储能系统相结合的分布式能源系统，分析结果表明，引入压缩空气储能系统后CCHP系统效率可以提高1.015%。采用蓄能装置可以有效地解决分布式能源系统中冷热负荷不匹配问题[7-9]。Fragaki等[10-11]提出通过采用蓄热装置可以有效地解决分布式能源系统中电、热负荷需求不匹配的问题，并可以有效地提高分布式能源系统的经济性。常丽等[12]分析了基于天然气的分布式能源系统中蓄冷装置的不同装机方案、运行策略对系统经济性的影响，研究结果表明蓄冷装置可以有效平衡供冷负荷，整体经济性较好。吴鸣等[12]提出并离网情况下混合储能的结构配置方案，分析结果表明，采用混合储能系统可以实现分布式电源稳定的电力供应和可再生能源电力平滑并入电网。

储能系统虽然可以较好的调节分布式能源系统的能量输出特性，但是，天然气分布式能源系统的热电比相对较低，全年综合热电比约为1.18，在具有严重弃风弃光现象的地区，采用天然气分布式能源可能进一步加剧弃风弃光现象[14]。并且，在热负荷或者冷负荷较大时需要通过余热锅炉补燃天然气来满足用户负荷。这使得高热值的天然气直接转化为中低温热能，从能的“梯级利用”角度来说，存在着能源的浪费。

为解决上述问题，专家学者对压缩空气储能技术与冷热电联产的复合系统进行了研究，该复合系统可以有效地控制系统的热电比，但是现有系统对外输出功能力较低。为加强做功能力，需要添加内燃机等部件，导致系统结构复杂[15-17]。

因此，本文提出了一种基于压缩空气储能的分布式能源系统，通过压缩过程中的储气室和排烟过程中的蓄热器来调节分布式能源系统中电能和热能的输出情况，从而提高分布式能源系统运行的灵活性。

1 基于压缩空气储能的分布式能源系统简介

1.1 系统结构

图1为基于压缩空气储能的分布式能源系统示意图。系统运行原理为：膨胀透平对外输出功一部分供给用户负荷，一部分带动压缩机产生高压空气，高压空气通过储气室进入燃烧室加热升温，然后进入膨胀透平对外做功，压缩机产生的压缩热进入蓄热器1和2中，膨胀透平排烟余热然后进入吸收式制冷机组产生冷能供给用户，根据用户冷、热、电负荷情况，调整储气室对外释放压缩空气的流量和蓄热器释放的热量，从而控制系统能量对外输出特性。

图1 基于压缩空气储能的分布式能源系统

1.2 系统运行方式

基于压缩空气储能的分布式能源系统运行方式为：在确定用户的电负荷和热负荷后，系统根据用户电负荷的大小决定膨胀透平的进口流量，压缩机根据用户热负荷和电负荷的大小决定压缩机入口空气流量的大小，压缩机产生的高压空气进入高压储气室，高压储气室根据外部电负荷的大小决定其释放高压空气量，压缩机根据外部电负荷和热负荷确定压缩空气量，通过圧缩热和膨胀透平排气余热来满足用户冷、热负荷，系统内多余的高压空气存储在高压储气室中，多余热能存储在蓄热器1和2中，以备用户负荷增加时使用。

2 系统建模

2.1 系统热力学模型

为了对基于压缩空气储能的分布式能源系统进行热力学特性分析，本节对图1系统中各个主要部件进行建模。

(1)压缩机模型[18]

压缩机实际耗功为

ηcs——压缩机绝热效率；

k——空气绝热指数；

Rg——理想气体常数/J·(kg·K)-1；

Ti——第i级压缩机入口温度/K；

pi+1——第i级压缩机出口压力/MPa；

pi——第i级压缩机入口压力/MPa。

压缩机出口温度为

式中Ti+1——第i级压缩机出口温度/K。

(2)膨胀机模型[18]

膨胀机对外实际做功为

ηri——膨胀机绝热效率；

k——空气绝热指数；

Rg——理想气体常数/J·(kg·K)-1；

Tt,i——第i级膨胀机入口温度/K；

pt,i+1——第i级膨胀机出口压力/MPa；

pti——第i级膨胀机入口压力/MPa。

膨胀机排气温度为

式中Tt,i+1——膨胀机排气温度/K。

(3)燃烧室模型[18]

燃烧室效率的定义式为

式中ηcc——燃烧室热效率；

Qe——工质在燃烧室内吸热量/kJ·kg-1；

qv,g——天然气消耗量/m3·h-1；

H1——天然气低位热值/kJ·m-3。

(4)蓄热器模型

压缩机出口温度和膨胀机排烟温度都较高(>426 K)，因此，蓄热器采用熔融盐的相变潜热进行蓄热和放热，蓄热器效率取80%[19]。蓄热器的运行方式如图2所示，蓄热器储热过程中，压缩机出口的高压空气通过管路1进入蓄热器，在蓄热器中通过换热器将圧缩热以及膨胀机排气余热传递到蓄热器中进行存储；蓄热器释热过程中，冷水由管路3进入蓄热器，在换热器中吸收蓄热器中存储的热能升温后由管路4输出。

蓄热器中的能量平衡方程为

cp,amaηthe(T1-T2)=cp,wmw(T4-T3)

(6)

式中cp,a——高温气体工质的定压比热容/J·(kg·K)-1；

ma——高温工质质量流量/kg·s-1；

ηthe——蓄热器效率；

T1、T2——蓄热器高温工质进出口温度/K；

cp,w——低温工质的定压比热容/J·(kg·K)-1；

mw——高温工质质量流量/kg·s-1；

T3、T4——蓄热器低温工质进出口温度/K。

图2 储热系统示意图

(5)储气室模型[16]

储气室采用等温模型，假设储气室在工作过程中为等温过程，同时，考虑到储气室内高压气体与外界环境之间的换热，并假设储气室温度与环境温度会逐渐趋于一致，因此，储气室的出口温度为环境温度，入口温度为蓄热器2中高温工质的出口温度。

(6)吸收式制冷机模型[20]

储热器中的高温工质进入吸收式制冷机，作为制冷机的工作热源使制冷机工作对外提供冷量。吸收式制冷机的制冷系数定义为

式中COP——吸收式制冷机的制冷系数；

Qc——吸收式制冷机对外输出的冷量/kW；

Qsr——输入吸收式制冷机的热量/kW。

(7)换热器模型

换热器效能ε的定义为[21]

式中 下标1和2——热流和冷流；

下标in和out——输入换热器的流体和输出换热器的流体。

2.2 系统的评价指标

为评估系统性能和热力学完善度，本文采用基于热力学第一定律的系统一次能源效率和基于热力学第二定律的系统效率作为评价指标[22]。

系统一次能源效率ηper定义为[22]

式中Qng——输入系统的热量/kW；

E——系统输出的电能/kW；

Qc——系统输出的冷能/kW；

Qh——系统输出的热能/kW。

式中Eng——输入系统的热量/kW；

E——系统输出的电能/kW；

T0——环境温度/K；

Tc,m——冷源温度/K；

Th,m——热源温度/K。

3 实例分析

基于压缩空气储能的分布式能源系统中各设备运行参数如表1所示。通过Matlab软件对分布式能源系统进行仿真分析。

3.1 系统仿真结果与分析

通过计算可得，基于压缩空气储能的分布式能源系统的一次能源效率为85.32%，系统效率为35.51%。该系统的一次能源效率较高，而效率相对较低。原因为，在系统对外输出的能量中高品位的电能所占的比例不高，而品位较低的热能和冷能的比例较高，如图3(a)所示，在系统对外输出的中电能所占比例最高，如图3(b)所示。

表1 基于压缩空气储能分布式能源系统设计参数

3.2 参数分析

为了进一步分析基于压缩气体储能的分布式能源系统的能量输出特性，本节对影响分布式能源系统整体性能评价指标的压缩机等熵效率、膨胀机等熵效率、膨胀机入口温度、蓄热器效率等4个参数进行分析。

图3 分布式能源系统输出比例示意图

3.2.1 压缩机等熵效率对系统性能的影响

图4为压缩机等熵效率对基于压缩空气储能的分布式能源系统性能影响示意图。由图可知，随着压缩机等熵效率的升高，分布式能源系统的一次能源效率变化不大，而系统效率会随着压缩机等熵效率的升高而升高。原因为，压缩机等熵效率主要影响压缩机耗功和工质出口温度，压缩机等熵效率升高，压缩机耗功减小，膨胀透平出口温度降低。压缩机耗功减小，工质出口温度降低会使系统对外输出功增加，而输出热能减少。分布式能源系统一次能源效率考察的是系统对外总输出能量情况，因此，压缩机等熵效率变化对分布式能源系统的一次能源效率影响不大。在该分布式能源系统中，系统对外输出中主要部分为系统对外输出的功，由于压缩机等熵效率升高系统耗功减小，对外输出功增大，即系统对外输出增加，因此，分布式能源系统的效率随着压缩机等熵效率的升高而升高。

图4 压缩机等熵效率对分布式能源系统性能的影响

3.2.2 膨胀机等熵效率对系统性能的影响

图5为膨胀透平等熵效率对基于压缩空气储能分布式能源系统性能影响示意图。由图可知，随着膨胀透平等熵效率的升高，分布式能源系统的一次能源效率逐渐降低，效率逐渐增加。原因为，膨胀透平等熵效率提高后，膨胀透平排气温度降低，对外输出热量减少，从而使得分布式能源系统的一次能源效率降低；同时，随着膨胀透平绝热效率的升高，膨胀透平对外做功能力增加，即，膨胀透平对外输出的电能增大，并且电能的增加量大于热量的减小量，因此，分布式能源系统的效率会随着膨胀透平绝热效率的升高而增大。

图5 膨胀透平等熵效率对分布式能源系统性能的影响

3.2.3 膨胀机入口温度对系统性能的影响

图6为膨胀透平入口温度对基于压缩空气储能的分布式能源系统性能影响示意图。由图可知，随着膨胀透平入口温度的升高，分布式能源系统的一次能源效率和效率都相应的升高。原因为，在系统中其他参数不变的情况下，膨胀透平入口温度升高，系统对外输出功和输出的热量都会相应增加，因此，系统的一次能源效率和效率都会升高。

图6 膨胀透平入口温度对分布式能源系统性能的影响

3.2.4 蓄热器效率对系统性能的影响

图7为蓄热器效率对基于压缩空气储能的分布式能源系统性能影响示意图。由图可知，随着蓄热器效率的升高，分布式能源系统的一次能源效率和效率都有一定程度的升高，但是效率的升高幅度较小。原因为，蓄热器效率的升高使系统内对外输出的热量增多，因此，系统的一次能源效率升高。但是，系统对外输出的热能温度较低，系统对外输出的值较低，因此，蓄热器效率的升高对系统效率的影响不显著。

图7 蓄热器效率对分布式能源系统性能的影响

4 结论

本文提出了一种基于压缩空气储能的分布式能源系统，通过模拟分析研究了系统的热力学性能，得到如下结论：

(1)基于压缩空气储能的分布式能源系统一次能源效率为85.32%，系统效率为35.51%，系统具有较高的能量利用率；

(2)从能量角度出发，分布式能源系统对外输出的电能所占比例最小为20.59%，其次是冷能为36.77%，最高的为热能42.64%；从能质角度出发，系统对外输出的电能所占比例最高为64.27%，其次为热能31.25%，最小的为冷能4.47%；

(3)压缩机绝热效率、膨胀透平入口温度的提高可以提高系统的一次能源效率和效率；膨胀透平绝热效率的增加会使系统一次能源效率降低，效率增加；蓄热器效率的增加对系统效率的影响不显著，但会增加系统一次能源效率。