中國儲能網(wǎng)訊：本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2024年第2期“新型儲能關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)模式”專題上，受國家自然科學(xué)基金面上項目 (52077109)、清華大學(xué)-豐田聯(lián)合研究基金（20233930061）資助。
文章導(dǎo)讀
近年來，我國壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展迅速，目前規(guī)劃和在建的電站容量已超過5GW，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢。然而，目前壓縮空氣儲能仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初步階段，在電站設(shè)計、性能評價和分析方面沒有完善的標準可依，理論研究和仿真結(jié)果與實際工程應(yīng)用存在較大差距。本文建立了面向工程應(yīng)用的先進絕熱壓縮空氣儲能熱力學(xué)模型，優(yōu)化了系統(tǒng)效率定義和計算方法，以實際壓縮空氣儲能電站為例進行了分析。
文章亮點
1、基于傳統(tǒng)熱力學(xué)模型和熱力流程計算軟件并考慮空氣流動阻力損失及能量轉(zhuǎn)換損耗，建立了面向工程應(yīng)用的先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型。
2、針對目前壓縮空氣儲能效率分析方法存在的不足，提出了適用于工程應(yīng)用的系統(tǒng)效率定義和計算方法，以某鹽穴儲氣先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)為例進行了計算分析，采用先進?分析對其進行了熱力學(xué)分析，指出了系統(tǒng)性能提升的方向。
重點內(nèi)容
圖1為典型的先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)圖。系統(tǒng)為三級壓縮、兩級膨脹的技術(shù)路線，前兩級為大壓比定速壓縮回收高溫壓縮熱并將其儲存在高溫合成導(dǎo)熱油之中，最后一級為變速壓縮以適應(yīng)背壓變化，最后一級壓縮熱品位較低，不予回收。和一般熱力學(xué)模型不同的是，本文建模時考慮了管道的流動阻力損失，圖中的AP模塊包括了管道、閥門和彎頭等阻力部件。
圖1 先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)
為了準確評價壓縮空氣儲能系統(tǒng)性能，分別定義軸功效率、電-電效率和電站效率對其進行評估，并指出各計算方式之間的區(qū)別。軸功效率ηspe定義為釋能過程中總輸出的軸功和儲能過程中總消耗的軸功之比，電-電效率ηese定義為釋能過程中總輸出的電能和儲能過程中總消耗的電能之比，電站效率ηpse定義為釋能過程中總輸出的電能和一個循環(huán)周期內(nèi)電站所有消耗的電能之比。典型算例分析結(jié)果表明，軸功效率和電-電效率分別為68.72%和63.38%，電-電效率比軸功效率低5%左右，說明能量轉(zhuǎn)換設(shè)備損耗對系統(tǒng)性能影響較大。系統(tǒng)電-電效率和電站效率相差不大，其定義與煤電機組發(fā)電煤耗和供電煤耗相似，在電站實際工程應(yīng)用中具有更強的指導(dǎo)和評價意義。
圖2給出了壓縮空氣儲能典型算例各部件?損失占總?損失的比例。從圖中可以看出，除了壓縮機（AC）、透平(AT)、換熱器(AO)外，管道(AP)?損失占總?損失的比例接近7%，這表明管道損失是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素，在進行系統(tǒng)設(shè)計時不可以忽略，在選擇管道規(guī)格時要綜合考慮系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性。
圖2 壓縮空氣儲能各部件?損失比例
圖3給出了壓縮空氣儲能典型算例各部件可避免?損失EdAV和不可避免?損失EdUN的比較結(jié)果。從圖中可以看出，大多數(shù)部件可避免?損失占總損失的比較都比較高，說明系統(tǒng)有比較大的提升潛力。特別是釋能側(cè)的兩級透平膨脹機，其數(shù)值均大于部件的不可避免損失，表明其具有更大的提升潛力，對其優(yōu)化可以更加顯著地降低系統(tǒng)的?損失。
圖3 各部件不可避免與可避免?損失
圖4給出了壓縮空氣儲能典型算例各部件內(nèi)部?損失EdEN和外部?損失EdEX的比較結(jié)果。從圖中可以看出，所有部件內(nèi)部?損失都遠大于外部?損失，這表明各部件的?損失主要是由于其內(nèi)部工作過程的不可逆性造成的，與其他部件是否在最佳工作狀態(tài)影響并不大。
圖4各部件內(nèi)部?損失與外部?損失
