集成外热源的超临界二氧化碳热泵储电系统性能研究

孙瑞强, 李延兵, 刘 明, 赵永亮, 严俊杰

(1． 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室, 西安 710049; 2． 国能锦界能源有限责任公司, 陕西神木 719319)

近年来,可再生能源发展迅速,装机容量不断增加,但其间歇性和波动性会对电网安全稳定运行造成巨大冲击。增强电力系统灵活性是解决这一问题的有效措施,尤其是发展大规模储能技术,可以实现电网间歇供应与波动需求的动态平衡,以支撑可再生能源发电并网和消纳[1]。

热泵储电(PTES)是一种大规模储能技术,其原理是通过热泵循环(充电)将多余电能转化为热能进行储存,再通过热机循环(放电)将储存热能转化为电能输出[2]。相比于成熟的压缩空气储能和抽水蓄能技术,热泵储电受地理条件限制小,因此具有广泛的应用前景[3]。

热泵储电系统的充放电循环多采用可逆-朗肯循环[4]、布雷顿循环[5]或组合循环[6]。制冷剂和有机流体常作为朗肯-热泵储电系统的循环工质。Staub等[7]以R365 mfc为工质对朗肯-热泵储电系统进行研究,指出提高压气机和涡轮的等熵效率是提高系统性能的关键,并提出了系统优化建议。Frate等[8-9]针对采用不同有机工质的热泵储电系统性能进行了比较。Weitzer等[10]对不同形式的朗肯-热泵储电系统进行比较,结果表明选用R245fa作为工质时改进有机闪蒸循环具有更好的性能。

布雷顿-热泵储电系统多采用氩气、氦气、氮气等作为循环工质。杨鹤等[11]对以氮气为工质的热泵储电系统进行了性能分析和多目标优化。Mctigue等[12]对氩气布雷顿循环的热泵储电系统进行了参数优化研究,分析了各损耗产生机制及其对往返效率和存储密度的影响。Zhao等[13]对氩气热泵储电系统进行了分析,为系统的优化指明了方向。路唱等[14]基于空气热泵储电系统建立了动态模型,分析了关键参数对系统启动特性的影响。

除上述常用工质外,超临界二氧化碳(SCO2)也是一种极具潜力的新型工质。二氧化碳临界点接近环境温度且密度较高,可实现较高的功率密度,减小涡轮及换热器设备的体积[15]。在放电循环中,压缩机入口工质参数位于二氧化碳临界点附近时压缩耗功显著降低,循环效率提高[16]。Mctigue等[17]开展了无回热的SCO2热泵储电系统研究。Tafur-Escanta等[18]提出了一种以SCO2为工质,以熔盐为储热介质的回热式热泵储电系统。Sun等[19]对以SCO2为工质的热泵储电系统进行热力学设计与优化,分析了SCO2工质与储热材料的换热匹配性对系统性能的影响,并提出采用可逆再压缩循环的改进构型。

目前关于SCO2热泵储电系统的研究还处于起步阶段,且多为系统概念设计,尚缺乏关于关键设备参数对储能系统影响的定量分析,且针对集成外热源系统的研究较少。与独立储能系统相比,集成外热源可以使放电过程突破充电容量限制,更好地服务于电网调节。为此,笔者基于回热式的SCO2热泵储电系统进行多参数优化和设备性能的影响分析,并提出集成外热源的热泵储电系统。在典型工况下,研究了集成外热源和无外热源2种系统的热力学和经济性能,以期为集成系统的设计和优化提供理论指导。

1 热泵储电系统

系统外热源为燃气轮机排气,选取SCO2作为循环工质。系统由高温储热罐、低温储热罐、透平(T)、压缩机(C)、回热器、高温换热器、低温换热器、烟气换热器和冷却器组成。

1.1 充电过程

集成外热源的热泵储电系统示意图如图1所示。在充电过程中,采用多余电力驱动压缩机,将SCO2工质压缩至高温高压状态,压缩机出口工质进入高温换热器,将高温热量传递给储热介质进行存储。高温换热器出口工质经回热器放热后进入透平膨胀做功,透平出口工质经冷却器排出多余热量,然后进入低温换热器吸收储存的低温热量。低温换热器出口工质进入回热器吸热升温,最后进入压缩机,完成充电循环。

(a) 充电过程

(b) 无外热源系统放电过程

(c) 集成外热源放电过程图1 集成外热源的热泵储电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the PTES with external thermal source

1.2 无外热源系统的放电过程

在无外热源的放电过程中,压缩机将低温低压的SCO2工质压缩至高压状态,然后依次进入回热器和高温换热器吸热升温,此时高温储热罐释放存储的热量。高温换热器出口工质经透平膨胀做功后进入回热器放热。回热器热侧出口工质进入低温换热器,将低温热量传递至储热材料进行存储,然后进入冷却器排出多余热量,最后进入压缩机,完成放电循环。

1.3 集成外热源的放电过程

与无外热源不同,在集成外热源系统的放电过程中SCO2工质在压缩机出口分流,一部分进入烟气换热器吸热升温;另一部分依次进入回热器和高温换热器吸热升温。高温换热器和烟气换热器出口的两股流体汇合,一同进入透平膨胀做功。

2 数学模型

使用Matlab软件建立系统的热力学与经济性分析模型,SCO2工质物性来源于REFPROP物性库。模型建立基于以下假设:只考虑系统稳态运行工况;除讨论设备压损对系统性能的影响外,其余部分不考虑压损;忽略储热罐热损失。

2.1 设备热力学模型

主要给出压缩机[20]、透平[21]、换热器和储热罐[13]的热力学模型。

2.1.1 压缩机

hcom,out=hcom,in+(hcom,out,isc-hcom,in)/ηcom

(1)

Wcom=qm, com·(hcom,out-hcom,in)

(2)

式中:h为工质比焓,kJ/kg;W为设备做/耗功,kW;qm为工质质量流量,kg/s;η为等熵效率;下标in和out分别表示设备进口和出口,isc表示等熵压缩的理想状态,com表示压缩机。

2.1.2 透平

htur,out=htur,in-(htur,in-htur,out,ise)·ηtur

(3)

Wtur=qm,tur·(htur,in-htur,out)

(4)

式中:下标ise表示等熵膨胀的理想状态,tur表示透平。

2.1.3 换热器

系统的换热器设备主要包括烟气换热器、高温换热器、低温换热器以及回热器,换热器计算公式为:

qm,h·(hh,in-hh,out)=qm,c·(hc,out-hc,in)

(5)

式中:下标h和c分别表示热流体侧和冷流体侧。

由于SCO2具有变比热的物性,在换热器中容易造成“夹点”问题,故在建模过程中,以一侧流体参数为边界条件,对另一侧流体参数进行优化,判断“夹点”位置并确保其换热温差满足假设条件。

2.1.4 储热罐

(6)

式中:Vtank为储热罐体积,m3;t为时间,s;ρ为密度,kg/m3;下标s表示储热介质,Chg表示充电过程。

系统中采用的高温储热介质为熔盐Hitec,低温储热介质为加压水,储热介质物性如表1所示。其中Twk、cp分别为储热介质的适用温度和比热。

表1 储热介质的物性参数

2.2 评价指标

2.2.1 能量效率

采用能量效率χ来评价系统的热力性能,无外热源时能量效率即为独立热泵储电系统的往返效率。

(7)

式中:w为压缩机/透平设备的比功,kJ/kg;Qf为SCO2工质吸收的燃气轮机排气热量,kJ;下标Dis表示放电过程。

2.2.2 技术经济性

为评估热泵储电系统及集成外热源系统的技术经济性,对系统设备总投资(TCC)及单位能量投资成本(ECC)进行建模,采用文献[22]中提供的计算模型。

(8)

(9)

式中:I为化工机组价格指数,可查阅文献[23]获得;CBM为各设备组件的成本;CECC为单位能量投资成本;CTCC为系统设备总投资;下标a和b分别表示计算年份(2020)和模型年份(2017)。

文献[24]中提出了SCO2循环系统的组件成本评估方法,具体计算如下:

(10)

fT=

(11)

式中:x、y、c和d均为拟合系数,可根据设备类型查阅文献[24];SP为设备的特征参数;fT为温度修正系数;Tmax为设备的最高运行温度。

2.3 参数优化模型

为获得SCO2工质、燃机排气以及高、低温储热介质之间的最佳匹配,采用Fmincon算法对集成系统进行多参数优化,优化目标为最高能量效率。优化参数包括压缩机进口参数、压缩机出口压力、透平进口温度和储罐的储放温度。

Fmincon算法中设置的非线性不等式约束主要包括储热材料的工作温度上下限、最小换热温差、循环温度上下限等;非线性等式约束为储热罐在充、放电过程中温度需一致。SCO2压力优化下限为7.5 MPa,优化上限为30 MPa[25]。

3 结果与讨论

3.1 独立热泵储电系统性能

假设充电净功率为5 MW,充、放电时间一致,为6 h,其余边界条件如表2所示。以往返效率最高为目标,对关键参数进行优化,热泵储电系统充放电的温熵(T-s)图如图2所示。系统最低压力为7.5 MPa,最高压力为30 MPa,放电循环功率为3.15 MW,储能系统的往返效率为62.91%。

表2 系统主要参数及设定值

对系统换热器进行分析,判断是否存在“夹点”以及最小换热温差是否满足条件。图3(a)为高温换热器的吸放热曲线,其中Q为换热量。最小换热温差ΔT为5 K,最大换热温差为38.6 K。其中,最小换热温差出现在放电过程的SCO2工质出口侧,换热器无“夹点”。高温换热器负荷为8.03 MW,故热泵循环的性能系数(COP)及热机循环效率分别为1.6和39.22%。此外,储热介质已达到工作温度上限,为808 K。

图2 热泵储电系统充放电T-s图Fig.2 T-s diagram of charging and discharging processes of the PTES system

图3(b)为低温换热器的吸放热曲线,最小温差出现在“夹点”处,为5K,最大换热温差为23.2 K。虽然放电过程存在“夹点”,但“夹点”位置靠近SCO2工质出口端,对换热器性能影响不大。

(a) 高温换热器

(b) 低温换热器图3 换热器的吸放热曲线Fig.3 T-Q diagram of heat exchangers

对于无外热源的独立热泵储电系统,设备总投资成本为1.313 8×107美元(2020年),单位能量的投资成本为695.13美元。系统中各组件成本占比如图4所示。由图4可知,成本占比最大的是压缩机部分,约占总成本的33.60%,其次是透平部分,成本占比约为24.34%。这是由于在系统充电和放电过程中,透平和压缩机运行环境差异大,故在充放电过程中采用不同的压缩机和透平。换热器包括回热器、高低温换热器及冷却器,在充放电过程可以共用,故各设备成本占比较低,所有换热器的总成本占比约为40.22%。

图4 热泵储电系统各组件的成本占比Fig.4 Component cost ratio of the PTES system

3.2 关键设备参数

主要定量分析了关键设备的性能参数对独立热泵储电系统性能的影响。压缩机等熵效率和透平等熵效率对系统效率的影响如图5所示。由图5可知,热泵循环COP、热机循环效率及储能系统的往返效率均随压缩机和透平等熵效率的增加而提高。当压缩机等熵效率提高1%时,系统往返效率提高约0.5%～1.2%;当透平等熵效率提高1%时,系统往返效率提高约1.0%。换热器压损对系统性能的影响如图5(c)所示,热泵循环COP、热机循环效率及储能系统的往返效率均随换热器压损的增加而降低。换热器压损增大0.1 MPa,系统往返效率降低约1.0%～1.2%。最小换热温差的变化对系统性能的影响如图5(d)所示,热泵循环COP、热机循环效率及储能系统的往返效率均随最小换热温差的增加而降低。

(a) 压缩机等熵效率

(b) 透平等熵效率

(c) 换热器压损

(d) 最小换热温差图5 关键设备参数对系统性能的影响Fig.5 Influence of key equipment parameters on system performance

3.3 集成系统性能分析

采用燃气轮机Taurus 65 的排气作为外热源。在额定工况下燃气轮机的主要性能参数见表3。假设燃气轮机排气温度不变,在集成外热源运行时,可通过调节流经烟气换热器的燃机排气质量流量和SCO2工质质量流量来满足外界电负荷需求。

在技术经济性方面,对于集成外热源的热泵储电系统,设备总投资成本为1.804 3×107美元(2020年),与无外热源系统相比增加37.33%。各组件成本对比如图6所示。由图6可知,采用集成外热源系统时除增加烟气换热器的成本外,由于放电循环质量流量和功率的增大,压缩机、透平、冷却器和回热器的成本均增加。

表3 燃气轮机主要性能参数

经参数优化得出,充放电时间相同时,集成外热源系统的最大放电功率可达到6.8 MW,故虽然设备总投资增加,但由于放电功率提高,因此单位能量的投资成本降低,为442.23美元,与无外热源系统相比降低36.38%。

3.3.1放电功率

假设充放电时间一致,在最大往返效率下独立热泵储电系统的放电功率为3.15 MW,当外界需求大于该值时,则采用集成外热源系统,以提高放电功率。烟气换热器中燃机排气质量流量和SCO2工质分流比(SCO2工质质量流量与放电循环总质量流量的比值)随放电功率的变化规律如图7所示。随着放电功率的增大,进入烟气换热器的排气质量流量增大,循环工质分流比增大。当放电功率增至6.8 MW时,燃气轮机排气全部进入烟气换热器,此时分流比为0.31。集成系统的能量效率随放电功率的变化规律如图8所示。对于独立热泵储电系统,由于热泵循环“电-热”转化具有“增值”效果,故能量效率最高,在集成外热源后,随着外热源输入热量占总输入热量的比例增加,集成系统的能量效率降低。当放电功率为6.8 MW时,能量效率降为44.77%。

3.3.2 放电时间

假设充放电功率一致,在最大往返效率下独立热泵储电系统的放电时间为3.77 h。如果放电时间大于该值,则采用集成外热源系统。烟气换热器中燃机排气质量流量和SCO2工质分流比随放电时间的变化规律如图9所示。随着放电时间的增加,进入烟气换热器的排气质量流量增大,循环工质分流比增大。集成系统的能量效率和外热源热量随放电时间的变化规律如图10所示。随着放电时间的增加,外热源输入热量占总输入热量的比例增加,集成系统的能量效率降低。当放电时间为8 h时,进入烟气换热器的排气质量流量为16.17 kg/s,分流比为0.308,此时SCO2工质从外热源中吸收热量为7.45 MW,能量效率为44.65%。

图7 排气质量流量和分流比随放电功率的变化规律Fig.7 Variation of exhaust mass flow and split ratio with discharge power

图8 能量效率和外热源热量随放电功率的变化规律Fig.8 Variation of energy efficiency and external heat with discharge power

4 结 论

(1) 独立热泵储电系统的最大往返效率为62.91%,充放电时间一致时最大放电功率为3.15 MW,单位能量投资成本为695.13美元。放电过程中低温换热器内出现“夹点”,但因位置靠近工质出口,不影响换热器性能。

(2) 独立热泵储电系统的往返效率随压缩机和透平等熵效率的提高而提高,随着换热器压损和最小换热温差的增大而降低。其中,往返效率对于透平等熵效率的变化较为敏感。

图9 排气质量流量和分流比随放电时间的变化规律Fig.9 Variation of exhaust mass flow and split ratio with discharge time

图10 能量效率和外热源热量随放电时间的变化规律Fig.10 Variation of energy efficiency and external heat with discharge time

(3) 对于集成外热源的系统,单位能量的投资成本为442.23美元,随着放电功率和放电时间的增加,SCO2工质分流比和外热源热量占比增加,集成系统的能量效率降低。