耦合LNG及ORC的液态空气储能系统热力学分析

肖力木，高 欣，张世海，文贤馗

（1贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2贵州大学物理学院，贵州 贵阳 550025；3贵州创星电力科学研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081；4贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

我国能源“双碳”工作面临巨大的压力，亟须加快我国能源结构由煤炭向可再生能源的转变[1-2]。可再生能源发电过程受到天然因素的影响，具有间歇性和不稳定性[3]的特点，参与电网调峰会造成电网电能下降，所以不能直接参与电网调峰[4]。这导致可再生能源发电的多余电能利用困难，造成了严重的弃风、弃光、弃水(“三弃”)[5]等现象，也造成了巨大的能量浪费。

近年来，大规模储能技术因其在改善可再生能源系统和电网负荷转移方面的重要作用而受到越来越多的关注[6]。抽水蓄能(PHES)和压缩空气蓄能(CAES)被视为主要的大规模蓄能技术，但两者都受到地质特征的限制[7]，因此液态空气储能(LAES)应运而生。LAES 技术储能密度高[8]，运行寿命长，且不需要洞穴、盐矿等大容量储存空间，摆脱了地理条件的限制[9]。系统在运行过程中产生了大量的冷能和热能，基于该技术特点，系统可以实现多能源互补和多能源协同供给[10]。LAES 在电网用电低谷期充电，用电高峰期放电，从而实现电力负荷的调峰[11]。

近年来，有许多研究学者对LAES进行优化分析，郎立[12]对LNG冷能回收利用方法及未来进行了展望；巩志超等[13]表述了LNG冷能利用方式及发展前景；何青等[14]建立了深冷液化空气储能(B-LAES)系统的热力学模型和㶲分析模型，并对其进行了热力学分析和参数敏感性分析；Tafone等[15]评估和分析了LAES主要运行参数以及冷/热储能利用系数对关键性能指标的影响；Ameel等[16]研究了液体空气储能的热力学循环，并获得了43.3%的最大往返效率；Dutta 等[17]将LNG 直接膨胀和ORC 结合起来，并研究多种ORC 工质，以提高能源利用率和㶲效率；Kalan 等[18]对改进的Kalina 和双效吸收式制冷循环组成的联合制冷和电力系统进行了热经济性评估，从能量、㶲和㶲经济角度进行了分析；She等[19]将LNG和LAES耦合起来，从往返效率及发电量、浪费的冷能对系统进行了分析，得到了较好的结果；苏要港等[20]对利用LNG冷能的液化空气储能系统进行过程模拟、循环效率和㶲效率分析。

由于现阶段B-LAES效率较低，导热油中的热量利用不完全[19]，在液态天然气利用方面造成了较大的冷量浪费。本工作提出将液态天然气(LNG)和液态空气储能(LAES)以及有机朗肯循环(ORC)耦合的冷热电三联供系统(ORC-LNG-LAES-CCHP)，此系统可以连续使用来自于LNG 的冷能用于液化空气，并实现LNG 冷能的梯级利用，对导热油中储存的热能也进行了充分利用，实现冷热电三联供。建立了ORC-LNG-LAES-CCHP 的模型及热力学模型，对系统进行效率分析及热力学分析，分析结果可为进一步优化LAES系统提供理论依据和应用支持。

1 系统简介

图1为基础的液态空气储能系统(B-LAES)，可分为3部分。

图1 B-LAES系统Fig. 1 B-LAES system diagram

第1 部分是空气流。在充电阶段，空气(A1)经过压缩机组(AC1、AC2、AC3、AC4)并进行级间冷却(HE1、HE2、HE3、HE4)，以保证进入下一级压缩机的空气是常温，经过压缩机组后的高压常温空气(A9)进入低温换热器(LTHE1)换热冷却成高压低温空气(A10)，此后再经过节流阀(TV)绝热节流，变成常压低温的气液两相流(A11)，再经过气液分离器(ASEP)分离，未液化的低温空气(A25)进入低温储气罐中，以供LTHE1 冷却空气；液态空气(A12)则进入液态空气罐(LAT)中储存。在放电阶段，液态空气(A13)被液态泵(LAP)加压并送至低温换热器(LTHE2)中加热形成高压常温空气(A15)，A15 再进入膨胀机组(AT1、AT2、AT3、AT4)并进行级间加热(HE5、HE6、HE7、HE8)，以保证进入下一级膨胀机的空气是高温，最后经过膨胀机AT4做完功后的空气排放至大气中。

第2 部分是导热油流。在充电阶段，导热油(O1)被油泵(OP1)送至压缩机组的级间换热器来冷却高温空气，经换热后的高温导热油(O11)储存在高温油罐中；放电阶段，导热油(O12)被油泵(OP2)送至膨胀机组的级间换热器来加热低温空气，经换热后的导热油再进入换热器(HE9)中冷却至常温，然后回到常温油罐完成循环。

第3 部分是冷却空气A30 和A31，空气A30 通过风机送至LTHE2 换热成低温空气(A31)，再进入低温储气罐中以供LTHE1冷却空气。

图2 是耦合LNG 和ORC 系统的可冷热电三联供的液态空气储能系统(ORC-LNG-LAES-CCHP)，可分为5部分。

第1部分是空气流，与B-LAES大致一样。

第2部分是导热油流，在此系统中，充电阶段的导热油流程与B-LAES一致；在放电阶段，导热油一部分进入膨胀机组，此过程中导热油流程与BLAES 一致，一部分导热油被送至ORC 系统加热ORC 工质，一部分送至换热器(HE10)以供给热用户；最终这三部分导热油进入常温油罐完成循环。

第3 部分是丙烷流，在系统放电阶段，丙烷(P1)经泵加压送至低温换热器LTHE1换热被冷却成低温丙烷(P3)，丙烷(P3)再经过换热器(PHE)将冷能供给冷用户，最终丙烷(P4)回到丙烷罐完成循环。

第4部分是LNG流，液态天然气(LNG1)经泵送至LNG换热器(LNG HE)中与低温空气(A25)一起冷却高压常温空气(A9)，此时的天然气(LNG3)仍然有较多的冷能，再经过低温换热器(LTHE2)换热将冷能供给冷用户，而天然气则供给天然气用户完成闭环。

第5 部分是ORC 工质流，ORC 工质经过泵加压送至换热器(ORC HE)中加热，高压高温的ORC工质(ORC4)进入ORC 膨胀机做功，做功后的ORC 工质经过换热器(HE9)变成常温常压的ORC工质(ORC2)，然后储存在ORC罐中完成循环。

表1是图1及图2的符号说明。

表1 符号对应部件名称Table 1 Symbol corresponding part name

图2 耦合LNG和ORC的LAES-CCHP系统Fig. 2 Schematic diagram of LAES-CCHP system coupling LNG and ORC

本系统使用Aspen HYSYS 进行模型搭建和稳态计算，采用Peng-Robinson状态方程进行物性及热力学计算。并进行以下假设简化模型：

（1）系统储能和释能过程均在稳态下进行，储能过程(空气液化、LNG参与冷却等)和释能过程(膨胀发电、ORC发电的时间等)均为4 h；

（2）LNG 换热器和低温换热器采用板式换热器，其他换热器均为管壳式换热器，所有换热器都是逆流式换热器，压降合理，忽略换热器中的热损失，管道压降忽略不计；

（3）ORC系统的运行工质为丙烷[20]；

（4）忽略导热油储罐(热罐及冷罐)、LNG 储罐、冷箱、管道的冷能、热能损失；

（5）LNG的组成成分为85%的甲烷，9%的乙烷，3%的丙烷，2%的氮气，1%的丁烷。

2 数学模型及热力学模型

为B-LAES 系统及耦合LNG 和ORC 的LAESCCHP 系统(ORC-LNG-LAES-CCHP)构建数学模型及热力学模型，以便后期分析。

2.1 数学模型

2.1.1 压缩机

压缩机采用四级压缩，并用导热油进行级间冷却，降低下一级压缩机的进口空气温度，空气经过压缩机耗功为[21]：

式中，WAC为压缩机耗功，kW；mA为空气的质量流量，kg/s；hout,A为压缩机空气出口比焓，kJ/kg；hin,A为压缩机空气进口比焓，kJ/kg。

2.1.2 膨胀机

膨胀机采用四级膨胀，并用导热油进行级间加热，增加下一级膨胀机进口空气温度，空气经过膨胀机做功为[21]：

式中，WAT为膨胀机做功，kW；其余变量与式(1)一致。

2.1.3 换热器

空气与管壁换热量[21]：

式中，δ为管壁厚度，m；Tc、Tw、Th分别为换热介质平均温度、管壁平均温度、管壁内空气温度，K；KW为管壁热导率，W/(m·K)；αc、αh为内外管壁换热系数，W/(m2·K)；Ac、Ah为内外管壁面积，m2。

2.1.4 节流阀

摩擦阻力和流动阻力共同构成了阀门压降，计算公式如下[22]：

式中，ς为阀门流动阻力系数；D为阀门直径，m；ρ为流体密度，kg/m3；m为阀门内空气质量流量，kg/s；Δp为阀门压力损失，MPa。

2.1.5 泵

泵用于给流体增加压力的装置。泵耗功为[23]：

式中，Wp为泵的消耗功率，kW；mi为泵输送工质的质量，kg/s；hout,i为泵输送工质的出口焓值，kJ/kg；hin,i为泵输送工质的入口焓值，kJ/kg。

2.1.6 风机

风机用于给低温换热器提供常温常压空气以换热。风机的功率计算公式为[24]：

式中，Pe为风机消耗功率，kW；qv为风量，m3/s；p为风机的全压，Pa。

2.2 热力学模型

2.2.1 循环效率

循环效率是判断系统性能的重要指标，将其定义为系统储能液化和膨胀发电过程总输出能量与储能液化过程和膨胀发电过程总输入能量之比。循环效率计算公式：

式中，ΣWAT为系统膨胀机做功，kW；WORCT为ORC 系统膨胀机做功，kW；ECU为冷用户冷能之和，kW；EHU为热用户热能之和，kW；Ein为进口空气A1、进口导热油O1、进口丙烷P1、液态天然气LNG 所携带的能量之和，kW；Σ(WAC+WP)为系统压缩机耗功和系统所有泵耗功之和，kW；Eout为出口空气A24+A26、出口导热油O28、出口丙烷P4、气态天然气NG所携带的能量之和，kW。

ORC系统循环效率计算公式如下：

式中，EO15=mO15hO15，mO15为O15 部分导热油的质量流量，kg/s；hO15为O15 导热油的质量焓，kJ/kg；其余变量与式(8)一致。

2.2.2 液化率

液化率是影响膨胀发电过程中空气流量的重要参数，将其定义为节流后液态空气质量流量与节流前空气质量流量的比值。液化率计算公式如下：

式中，mout,LA为节流后液态空气质量流量，kg/s；min,A为节流前空气质量流量，kg/s。

2.2.3 电-电转化效率

电-电转化效率是评价电能利用率的参数，将其定义为膨胀发电过程及ORC 系统总发电量与储能液化过程总耗电量之比。电-电转化效率计算公式如下：

式中变量与式(8)一致。

2.2.4 压缩热利用率

压缩热利用率是体现空气压缩机压缩热利用情况的指标，将其定义为膨胀发电过程消耗的压缩热与压缩过程所储存的压缩热之比。压缩热利用率κ计算公式如下：

式中，EO11、EO1、EO28分别为储存在导热油O11、O1、O28的能量。

2.2.5 㶲效率

㶲效率是判断系统有效能的利用情况的重要指标，将其定义为释能发电过程总发电量与冷热用户利用能量之和与储能液化过程总耗电量及液化过程中消耗的LNG冷量之比。计算公式如下：

式中，ELNG2-LNG3为LNG换热器中消耗LNG冷能量；其余变量与式(8)一致。

3 实验结果及分析

经过搭建的模型模拟，液化率随液化前的空气压力、温度变化如图3 所示，图3 对于B-LAES 系统及新提议系统(ORC-LNG-LAES-CCHP)的系统都适用；液化前的空气温度低于80 K或高于167 K时，液化率不受空气液化前的压力影响；当空气温度低于120 K时，不同的空气液化前压力的空气对液化率的影响相差不大；当空气温度在120～167 K时，空气液化率随压力的增加而增加。

图3 空气液化前的压力与温度对液化率的影响Fig. 3 Influence on liquefaction efficiency from the pressure and the temperature before air liquefaction

3.1 B-LAES系统分析

对于B-LAES系统，系统中的基本设计参数见表2，系统中的各节点空气的状态参数见表3。在此系统中，空气液化过程所需冷能全部来自于空气分离器出来的气态空气和液态空气气化时所释放的冷能，压缩热全部用于膨胀过程加热，多余热量由空气H1 带走，压缩热利用不完全和冷能由本系统供给导致系统整体循环效率不高。

表2 B-LAES系统设计参数Table 2 B-LAES system design parameters

表3 B-LAES各节点空气参数Table 3 B-LAES air node parameters

经模拟计算，在B-LAES 系统中泵和压缩机、膨胀机、风机的性能参数见表4；在储能过程中，系统压缩机组(AC1、AC2、AC3、AC4)耗电功率总计为15164.8 kW；泵(OP1、AP)的耗电功率为292.55 kW；风机的耗电功率为1019 kW；储能过程总的耗电量为16476.35 kW。在释能过程中，系出能量与总的输入能量之比，其计算公式和结果为：

表4 泵和压缩机、膨胀机、风机的性能参数Table 4 Performance parameters of pumps,compressors, expanders and fans

3.2 ORC-LNG-LAES-CCHP系统分析

对于耦合有机朗肯循环(ORC)及液化天然气(LNG)的冷热电三联供(CCHP)液态空气储能系统，系统中的基本设计参数见表5，系统中的各节点空气的状态参数见表6。在此系统中，空气液化过程所需冷能来自于空气分离器出来的气态空气和LNG统中泵(OP2、LAP)的耗电功率为203.2 kW；膨胀机组(AT1、AT2、AT3、AT4)的发电功率总共为6528.86 kW；膨胀发电过程净发电量为6325.66 kW。

表5 ORC-LNG-LAES-CCHP系统的设计参数Table 5 ORC-LNG-LAES-CCHP system design parameters

表6 ORC-LNG-LAES-CCHP系统中空气、水、导热油参数Table 6 Parameters of air, water and heat transfer oil in ORC-LNG-LAES-CCHP system

对于B-LAES 系统，其电-电转化效率为膨胀发电过程发电量与储能过程压缩机组、泵及风机的总耗电量之比，其计算公式和结果为：

对于B-LAES 系统，其循环效率为系统总的输所携带高品位冷能，冷却完空气的NG仍然具有大量冷能，可将这部分冷能供给冷用户，实现LNG冷能的梯级利用；压缩热一部分用于膨胀机组级间加热，一部分用于ORC 系统加热，一部分用于供给热用户，实现压缩热的合理综合利用，液态空气气化过程所释放的冷能可用于供给冷用户。

经模拟计算，在ORC-LNG-LAES-CCHP 系统中，压缩机、膨胀机和泵的性能参数见表7；在储能过程中系统压缩机组(AC1、AC2、AC3、AC4)耗电功率总计为15165.14 kW；泵(OP1、LNGP)的耗电功率为10.5 kW；储能过程总的耗电量为15175.64 kW。在释能过程中，系统中泵(OP2、LP、PP、ORCP)的耗电功率为648.9 kW；膨胀机组(AT1、AT2、AT3、AT4)和ORC 系 统 膨 胀 机(ORCT)的发电功率总共为12590.04 kW；膨胀发电过程净发电量为11941.14 kW。

表7 压缩机、膨胀机和泵的性能参数Table 7 Performance parameters of compressor,expander and pump

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统，其电-电转化效率是膨胀发电过程及ORC 系统膨胀机组的总发电量与储能液化过程压缩机组和膨胀发电过程泵的总耗电量之比，计算公式及结果为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统，其液化率为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统，其压缩热利用率为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统，其循环效率是系统储能液化和膨胀发电过程总输出能量(包括输出流体所含能量)与储能液化过程和膨胀发电过程总输入能量(包括输入流体所含能量)之比，计算公式及结果为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统，其㶲效率是膨胀发电过程总发电量和冷热用户利用能量与储能液化过程总耗电量及液化过程中消耗的LNG 冷量之比，计算公式及结果为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统中的ORC系统，其电-电转化效率为：

对于ORC-LNG-LAES-CCHP 系统中的ORC系统，其循环效率为：

由图4 可以很清晰地看出，空气经过压缩机、换热器、节流阀、泵等部件时的压力与温度变化，压缩阶段，空气经过压缩机增压升温、换热器降温，此时空气(A9)压力增至7888 kPa，温度较A1增长3 K，然后经过LNG 换热器后的空气(A10)压力基本保持不变，温度降至123 K，经节流阀的绝热节流过程后温度降至80 K，压力从7810 kPa 降至常压以便保存至液态空气储罐中；膨胀阶段，液态空气经过液态泵增压至8105 kPa，温度基本保持不变，然后经低温换热器换热，液态空气变成气态(A15)，温度从85 K 增至274 K，气态空气经换热器及膨胀机的交替加热、膨胀做功后变成常温空气。

图4 空气各节点温度与压力图Fig. 4 Temperature and pressure diagram of air nodes

从图5则可以看出空气经过压缩机、换热器等设备时温度与熵的变化；在压缩阶段，压缩过程是熵增，每经过一次压缩机熵增约0.036 kJ/kg，换热冷却过程是熵减，经过前4 个换热器时熵减约0.35 kJ/kg，经过LNG换热器时部分空气液化，使其熵减至1.074 kJ/kg，而在绝热节流过程中压力对熵的影响更大，这是因为压力降低至常压，空气分子混乱程度增加的幅度比温度降低时减小的分子混乱程度更大，所以此时熵会有些许增加，两相空气(A11)经气液分流后，较大的气态空气熵被分离，留下的液态空气(A12)的质量熵为0.283 kJ/kg；在膨胀阶段，经液态泵后液态空气熵有些许增加，然后液态空气经低温换热器换热气化后(A15)熵增至2.675 kJ/kg，然后空气每经级前换热器加热时熵增约0.3 kJ/kg，经每级膨胀机做功后熵增约0.05 kJ/kg；在除经节流阀和LNG 换热器的换热过程和压力变化过程中，换热的影响比压力的影响更大，这是因为压力变化时，空气状态没有发生变化，所以压力对熵影响不大。

图5 空气各节点温熵图Fig. 5 Temperature entropy diagram of air nodes

4 结 论

在目前的基础液态空气储能系统(B-LAES)中，压缩热在压缩过程中回收和存储。储存的热量仅用于提高膨胀发电过程的膨胀机进口空气温度。通过热力学分析表明，B-LAES 系统中有58.34%的压缩热不能充分利用。而经过分离的气态空气及液态空气气化时所产生的冷能不足以完全液化空气，仍需要外部冷源输入才能提高液化率。基于这一发现，提出了一种新的混合LAES 系统(ORC-LNGLAES-CCHP)，该系统由B-LAES、有机朗肯循环(ORC)和液态天然气(LNG)组成，并向外供给冷能及热能，实现冷热电联产。通过对新设计系统的详细分析，在基本性能参数(包括压缩级数、膨胀级数、压缩机组出口压力、膨胀机组出口压力等参数)都相同时，使用LNG 冷源将液化率控制在同一水平下，得出以下结论。

（1）本工作搭建的ORC-LNG-LAES-CCHP 系统因为使用了外部冷源，还对压缩热进行综合利用，使得本系统的循环效率可以高于80%，比BLAES高约16%。

（2）本工作搭建的ORC-LNG-LAES-CCHP 系统实现了压缩热的综合合理利用，部分用于膨胀机级间加热，部分供给ORC系统，部分用于热用户，提高了压缩热的利用效率，使其达到了96.67%，远高于B-LAES。

（3）本工作搭建的ORC-LNG-LAES-CCHP 系统将液态空气气化所释放的冷能和NG的低品位冷能供给冷用户，较充分地利用了系统运行过程中产生的冷能，提高了系统效率。

（4）本工作搭建的ORC-LNG-LAES-CCHP 系统中，ORC 系统循环效率为89.61%，其电-电转化效率达148.89%，ORC系统输出大量电能。

（5）本工作分析了整个系统与B-LAES 的区别，从㶲效率、电电转化效率、循环效率、压缩热利用率方面对系统进行分析；储能压力、释能压力等参数的变化对系统的影响没有深入分析，所以本系统仍然有优化空间。