低溫液空儲能流程模擬及優(yōu)化

白 芳，張 沛，尹少武, 2，童莉葛, 2，王 立, 2

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低溫液空儲能流程模擬及優(yōu)化

白 芳1, 3，張 沛1，尹少武1, 2，童莉葛1, 2，王 立1, 2

（1北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，北京 100083；2北京科技大學北京市高效節(jié)能與環(huán)保工程研究中心，北京100083；3河北石油職業(yè)技術學院，河北廊坊065000）

隨著能源轉型的加快推進，接入高比例可再生能源已成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。為了更好地利用太陽能、風能等新能源所產生的間歇性電力，研發(fā)不同的儲能系統(tǒng)具有重要意義。本文使用Aspen Plus模擬了海蘭德與朗肯混合循環(huán)，其循環(huán)效率達到64.5%。為了進一步提升流程性能，針對朗肯子循環(huán)和海蘭德子循環(huán)進行了熱分析和分析。結果表明，損失較大的模塊是熱交換器，朗肯子循環(huán)和海蘭德子循環(huán)中熱交換器的損失分別占到了總損失的13.1%和61.8%，提升低溫液空混合循環(huán)的關鍵在于提高熱交換效率。

儲能；液化空氣；海蘭德循環(huán)；朗肯循環(huán)；循環(huán)效率

在過去的十幾年中，對于風能、太陽能等新能源的研究在逐步進行。但與此配套的電力運輸網(wǎng)絡建設和電力網(wǎng)絡的調峰能力卻相對落后，對于間歇式新能源發(fā)電的并網(wǎng)應用也困難重重。因此，人們迫切需要安全有效并且可靠的儲能技術。電能儲能技術通過某種介質存儲電能，在需要時向供電網(wǎng)絡供電。儲能技術的這種離散式儲能、釋能的特點，使它能夠“削峰填谷”，并且平衡供電負荷。

最廣泛的儲能技術分類方法是依照能量在系統(tǒng)中儲存的形式進行分類，在物理儲能中，有抽水儲能，壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電化學儲能形式中，有傳統(tǒng)充放電電池和燃料電池；電儲能形式中，有 超導線圈儲能；熱化學儲能形式中有太陽能電池；化學形式中有蓄電池儲能和氫儲能。但由于容量、儲能周期、儲能密度、運行費用等因素，如今大規(guī)模商業(yè)應用的儲能系統(tǒng)只有抽水儲能系統(tǒng)和壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

相比于抽水儲能和壓縮空氣儲能，近年來開發(fā)的液化空氣儲能系統(tǒng)有著許多優(yōu)良的特性，如不受地理條件的限制、可以在低壓條件下安全儲存、可以在現(xiàn)有設備上運行等。2010年，英國Highview Power Storage（高維）公司在英格蘭建立起的一座液空儲能試點工廠也正式開啟了液空儲能商業(yè)應用的序幕[1]。

英國高維公司在2007年提出了林德循環(huán)與朗肯循環(huán)結合的混合循環(huán)這一專利。本文受到啟發(fā)使用Aspen Plus模擬軟件模擬了海蘭德循環(huán)與朗肯循環(huán)結合的混合循環(huán)的循環(huán)效率，并探討了提高循環(huán)效率的方法。

1 海蘭德循環(huán)與朗肯循環(huán)的混合循環(huán)（HRCS）

液空儲能系統(tǒng)是由空氣液化循環(huán)和發(fā)電循環(huán)組合而成[2]。目前存在的液化循環(huán)有以下幾種：林德循環(huán)，林德雙壓循環(huán)，克勞特循環(huán)，海蘭德循環(huán)，卡皮扎循環(huán)以及復疊式氣體液化循環(huán)。本文使用Aspen Plus 11對HRCS（Heylandt cycle-Rankine cycle combined system）進行模擬。

海蘭德循環(huán)實際上是克勞特循環(huán)的一種特殊情況，即去掉壓縮機與第一膨脹機之間的回熱器?；旌涎h(huán)流程如圖1所示。

2 HRCS循環(huán)效率分析

對于液化空氣儲能系統(tǒng)來說，最重要的評價指標就是循環(huán)效率。本文定義循環(huán)效率為收入（發(fā)電功率）與投入（消耗功率）的比值。

HRCS的循環(huán)效率為：

壓縮機出口壓力恒定為2 atm（1 atm≈1.01×105Pa），泵壓為自變量，通過壓縮機功率、泵功率、鍋爐功率、兩個透平輸出功率計算出效率，結果見 表1。

理想情況的泵壓取40 atm，壓縮機出口壓力取2 atm。在HRCS循環(huán)中，通過第一透平T1的空氣分流量也會影響循環(huán)效率，其對循環(huán)效率的影響如圖2所示。當流入透平T1的空氣占總流量的20 %時，循環(huán)效率達到最高64.5%。

表1 泵壓對循環(huán)效率的影響

1 bar=105Pa。

3 HRCS的循環(huán)分析

3.1 朗肯循環(huán)分析

熱力學模型的假定如下：①穩(wěn)定狀態(tài)條件；②膨脹機和泵等熵效率為90%；③鍋爐、換熱器效率為90%。循環(huán)的各參數(shù)如表2所示。

3.1.1 朗肯循環(huán)的熱分析

由于朗肯循環(huán)中只有蒸發(fā)器，因此蒸發(fā)器的等壓吸熱過程，液化空氣在鍋爐中氣化吸收的熱量為：

循環(huán)的熱效率為：

（3）

式中，12、14為各狀態(tài)點的比焓，kJ/kg；為膨脹機的功，kW；為泵的功，kW。

式中，為流體的比焓，kJ/mol；為流體的比熵，kJ/(mol×K)；a為環(huán)境的比焓，kJ/mol；a為環(huán)境的比熵，kJ/(mol×K)。

表2 朗肯循環(huán)各點狀態(tài)參數(shù)

（6）

（2）熱交換器中的換熱過程為有溫差的傳熱過程，忽略對外界的熱損失，平衡方程為

（8）

（3）鍋爐中的加熱過程的加熱源為400K的工業(yè)煙氣，忽略對外界的熱損失，平衡方程為

（10）

（12）

3.2 海蘭德循環(huán)分析

熱力學模型的假定如下：①穩(wěn)定狀態(tài)條件；②膨脹機和壓縮機等熵效率取90%。由于海蘭德循環(huán)是制冷循環(huán)，效率為液化空氣所含的與壓縮機所耗的功之比[4]，實際上就是循環(huán)的熱效率，因此只分析海蘭德循環(huán)的效率即可，表3為海蘭德循環(huán)各點狀態(tài)參數(shù)。

表3 海蘭德循環(huán)各點狀態(tài)參數(shù)

（1）熱交換器1中的換熱過程（3—4，8—10）換熱過程為有溫差的傳熱過程，忽略對外界的熱損失，平衡方程為

（14）

（2）熱交換器22中的換熱過程（12—13，4—5）換熱過程為有溫差的傳熱過程，忽略對外界的熱損失，平衡方程為

（16）

（3）閥門處的節(jié)流過程（5—6）假設節(jié)流過程為絕熱過程，平衡方程為

（18）

（20）

4 結 論

（1）目前在商業(yè)上應用最廣泛、最滿足生產生活要求的兩種儲能方式是抽水儲能（PHS）和壓縮空氣儲能（CAES）[8]。與二者相比，液化空氣能量存儲（LAES）的能量密度要遠大于二者，單位質量發(fā)電功率是其中最大，電能儲量最小。LAES的日損略大，但與其它儲能技術相比仍然很??；設備生命達到25年，循環(huán)效率為55%～80%。本文計算的最高循環(huán)效率為64.5%，較為合理。

（2）HRCS循環(huán)效率為64.5%。針對HRCS的海蘭德子循環(huán)和朗肯子循環(huán)，模擬結果顯示：朗肯循環(huán)的熱效率為36.16%和效率為47.6%，海蘭德循環(huán)的熱效率和效率均為32.2%。提高循環(huán)換熱器的效率是提升液空儲能系統(tǒng)的關鍵。

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Simulation and optimization of cryogenic liquid energy storage process

BAI Fang1,3, ZHANG Pei1,YIN Shaowu1,2,TONG Lige1,2, WANG Li1,2

（1School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Enery Conservation and Environmental Protection, Beijing 100083, China;3Heibei Petroleum Vocational and Technical College, Langfang 065000, Hebei, China）

This paper concerns with liquid air energy storage particularly the use of different cycles and optimization. A large scale standalone liquid air energy storage system could achieve a round trip efficiency of ~60%. By using a combined Heylandt cycle and Rankine cycle, we show, through simulation with Aspen Plus software, a cycle efficiency of 64.5%. For further improvement of the performance of the combined cycle, thermal efficiency and exergy efficiency of the Rankine cycle and the Heylandt cycle were analyzed separately. We foundthat the maximum exergy loss was associated with the heat exchangers, and the exergy losses of the Rankine cycle and the Heylandt cycle accounted for 13.1% and 61.8%, respectively. As a consequence, the enhancement of the performance of heat exchangers holds the key to improving the whole combined cycle efficiency.

energy storage; liquid air; Heylandt cycle; Rankine cycle; cycle efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0057

TK 02

A

2095-4239（2017）04-753-05

2017-04-25；

2017-05-16。

國家自然科學基金（51206010）項目，國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2012CB720406）項目。

白芳（1985—），女，博士研究生，講師，從事能源材料設計及應用研究，E-mail：bf851218@163.com；

童莉葛，博士，副教授，從事能源轉換與高效利用研究，E-mail：tonglige@me. ustb.edu.cn。