采用不同工质的压缩气体储能系统热力性能对比分析

李阳海， 梅 欣， 徐万兵， 王渊静， 杨 涛， 张燕平

(1．国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉 430077；2．华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074)

压缩气体储能(CGES)技术由于具有大规模储能的能力，并可以以相对较低的成本无缝连接到现有的燃气发电系统[1-3]而受到越来越多的关注。对于压缩气体储能技术所使用的介质，除空气外，许多研究人员也使用CO2作为介质开展研究。2种介质的性质对比见表 1[4]所示。在相同状态下,CO2密度更大,具有更高的储能潜力,更容易达到临界状态。

表1 空气和CO2性质对比

对于采用空气和CO2的CGES系统的相关研究，大多集中于对其系统内所使用的参数范围[5]、换热介质[6]和系统结构[7]等进行变化，而在CGES系统中直接对比2种介质的性质研究较少，且大多仅对系统循环效率进行对比[8]。

基于文献[7]中的典型高、中、低温CGES系统，笔者针对空气和CO2介质开展更为全面的系统性能计算和指标分析。

1 系统描述

文献[7]所使用的系统为绝热压缩气体储能(A-CGES)系统，由于该系统在储能过程中将压缩热进行存储，在释能过程中将该热量用于加热进入膨胀机的气体，使得系统循环效率高于72%。根据储热温度，将A-CGES系统分为高温系统(TS>400 ℃，TS为储热介质最高温度)、中温系统(200 ℃≤TS≤400 ℃)和低温系统(TS<200 ℃)[9-10]。各个系统结构如图1～图3所示，其中C1～C5为1号～5号压缩机，T1～T5为1号～5号膨胀机，M为电动机，G为发电机。输入的边界条件如表2[7]所示。

图1 高温绝热压缩气体储能系统

图2 中温绝热压缩气体储能系统

图3 低温绝热压缩气体储能系统

高温CGES系统如图1所示。在表2所示的输入边界条件下，当压缩机出口压力相同时，使用空气介质的末级压缩机出口温度更高，可达590 ℃，其原因在于空气具有较高的比热容，在压缩空气储能(CAES)系统中使用熔融盐和导热油作为换热工质，对空气介质进行2次冷却，使其达到所设定的高压储气室温度(如图中实线所示)。而在压缩CO2储能(CCES)系统中，使用CO2介质的末级压缩机出口温度较低，仅为375 ℃，因此只需使用导热油作为换热工质进行一次冷却(如图中虚线所示)。

表2 系统输入的边界条件

中温CGES系统如图2所示，使用空气和CO2介质的压缩机出口温度均低于390 ℃，因此采用导热油将第二级和第三级压缩机出口工质降温至60 ℃后，排入高压储气室内。

低温CGES系统如图3所示。该系统使用多级换热结构，用于收集储能过程的各级压缩热，在释能过程将工质加热至设定温度。

2 性能评价指标计算模型

2.1 系统循环效率

系统循环效率ηRTE定义为输出电能与输入电能之比，可由下式[5]计算：

(1)

式中：Wout为系统输出电功率，kW；ter为释能时长，h；WC为压缩机的输入功，kW；tes为储能时长，h；Win为外部输入功，kW。

本文所使用的系统无外部输入功，因此式(1)可简化为：

(2)

2.2 储能密度

储能密度ρen定义为储能系统单位体积内可以利用的能量存储[5]：

(3)

式中：Vs为储气室体积，m3。

2.3 系统分析

对于所使用的空气和CO2介质而言，由于其运行温度有一定的差别，因此引入系统效率计算方法，进行更为客观的对比和分析。

2.3.1平衡方程

E=EPH+ECH+EKIN+EPOT

(4)

式中：E为系统总值，J；EPH、ECH、EKIN和EPOT分别为物理、化学、动力学和潜在，J。

E=EPH=qme=qm[h-h0-T0(s-s0)]

(5)

式中：qm为工质质量流量，kg/s；e为工质，J/kg；h和h0分别为工质进、出口焓，J/kg；T0为工质入口温度，K；s和s0分别为工质进、出口熵，J/(K·kg)。

对于热力系统内任一部件k，其损失为:

ED,k=EF,k-EP,k

(6)

式中：ED,k为系统中部件k的损失，kW；EF,k为输入部件k的量，kW；EP,k为部件k产生的，kW。

2.3.2 系统各部分损失

ED,C=WC-qm,s,C(ein,C-eout,C)

(7)

式中：qm,s,C为进入压缩机的工质质量流量，kg/s；ein,C和eout,C分别为进入和离开压缩机的工质，kJ/kg。

ED,T=qm,s,T(ein,T-eout,T)-WT

(8)

式中：qm,s,T为进入膨胀机的工质质量流量，kg/s；ein,T和eout,T分别为进入和离开膨胀机的工质，kJ/kg；WT为膨胀机输出功，kW。

ED,HEX=qm,s,G(ein,G-eout,G)-qm,s,w(ein,w-eout,w)

(9)

式中：qm,s,G为进入换热器的做功工质质量流量，kg/s；ein,G和eout,G分别为进入和离开换热器的做功工质，kJ/kg；qm,s,w为进入换热器的换热工质质量流量，kg/s；ein,w和eout,w分别为进入和离开换热器的换热工质，kJ/kg。

ED,tot=EF,tot-EP,tot=∑WC-∑WT

(10)

式中：ED,tot为热力系统中所有部件的损失，kW；EF,tot为热力系统中所有输入部件的量，kW；EP,tot为热力系统中所有部件产生的，kW。

2.3.3 系统效率

(11)

3 模型验证

使用Ebsilon软件搭建系统模型进行仿真，该软件可广泛地用于电站设计、评估和优化及其他热力循环过程。

为验证所搭建的模型的准确性，使用文献[6]中提供的参考值进行验证，其验证结果如表3所示。从表3可以看出，本文的模拟结果与参考值基本一致，误差均在5%以内。

表3 模型验证

4 结果与分析

4.1 系统循环效率与储能密度

对使用空气和CO2工质的3个系统的循环效率和储能密度进行模拟，结果如表4所示。

表4 循环效率与储能密度计算结果

对于高温系统而言，尽管使用空气作为工质的系统循环效率高约1.31个百分点，但其储能密度较CO2工质低13.09%。此外，高温CAES系统和CCES系统中的储热子系统工作温度范围分别为50～580 ℃和50～370 ℃，其原因在于CO2具有较低的比热容，导致相同压缩比下CCES系统压缩机出口的温度较低。相比而言，使用CO2工质的高温系统可以使储热子系统的控制更加容易，在压缩机和储热子系统的制造和维护方面更有利。此外，在相同存储温度下，高温CCES系统可以具有更高的存储压力，综合来看，CO2工质更适用于高温CGES系统。

中温系统与高温系统的计算结果相仿，使用空气作为工质的系统循环效率略高，但其储能密度较CO2工质低54.49%，其原因在于2种工质在此工况下达到了超临界状态，相较而言，CO2工质在超临界状态下的密度更大。此外，中温CAES系统和CCES系统中的储热子系统工作温度范围分别为50～380 ℃和50～270 ℃，使用CO2工质的换热端差更小。

低温系统中，使用CO2工质的系统循环效率和储能密度更高。其中，低温CAES系统和CCES系统中的储热子系统工作温度范围分别为30～130 ℃和30～120 ℃。

综合循环效率和储能密度来看，CO2工质更适用于CGES系统中，由于其储能密度较大，压缩机出口工质温度较低，可以使其所使用的储热子系统更容易设计和操作。

4.2 系统分析

表5 分析计算结果

Tab.5 Calculation results of exergy analyses

表5 分析计算结果

项目输入/(kW·kg-1)输出/(kW·kg-1)效率/%高温系统空气974.01515.2452.90CO2500.78242.8848.50中温系统空气1 055.62570.6954.06CO2647.57323.0449.89低温系统空气776.02438.8556.55CO2482.83251.3552.06

图4 各系统部件损失和损率的对比

5 结 论

(1) 高温系统和中温系统中，使用空气工质的系统循环效率更高，低温系统反之。

(2) 由于CO2工质在超临界状态下的密度更大，使用该种工质的系统储能密度更高。