深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵因素影響規(guī)律

黃葆華 葛俊 倪經(jīng)緯

摘 要：立足于提高深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，建立了深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，借助Aspen Plus商用軟件建立了熱力計(jì)算的穩(wěn)態(tài)仿真模型。模型驗(yàn)證工作說明了仿真模型的計(jì)算準(zhǔn)確性。開展了設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)熱力學(xué)分析研究，結(jié)合系統(tǒng)性能參數(shù)，分析了系統(tǒng)效率較低的原因并指出了優(yōu)化方向;研究了壓縮機(jī)級數(shù)、壓縮機(jī)級間冷卻方案和膨脹機(jī)級數(shù)等系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)及部件性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：系統(tǒng)采用原始設(shè)計(jì)方案時(shí)，壓縮熱利用率僅有38.42%，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低，僅為31.11%，可通過改善系統(tǒng)壓縮熱利用情況顯著提升系統(tǒng)效率;當(dāng)壓縮機(jī)級數(shù)減少、采用無級間冷卻方案時(shí)，膨脹機(jī)入口再熱溫度顯著增加，使得系統(tǒng)效率大幅提升;隨著膨脹機(jī)級數(shù)的增多，膨脹環(huán)節(jié)壓縮熱利用總量越多，系統(tǒng)效率越高。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了系統(tǒng)內(nèi)部耦合提效方法，提出了一種系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，相較于原始設(shè)計(jì)方案，壓縮熱利用率提高至64.12%，系統(tǒng)效率提升至41.82%.研究結(jié)果可為深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化及其工程應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng);Aspen Plus;熱力學(xué)分析;系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TK 123 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to improve the energy conversion efficiency of cryogenic liquefied air energy storage system，the thermodynamic model of cryogenic liquefied air energy storage system was established，and the steady state simulation model of thermal calculation was established by Aspen Plus commercial software.Model validation shows the accuracy of the simulation model.Thermodynamic analysis of the system under designing conditions was pointed out.The reasons for the low efficiency of the system were analyzed and the optimization direction was pointed out.The influence of three key operating parameters of the system，such as compressor stage number，compressor interstage cooling scheme and expander stage number，on the performance of the system and its components was discussed.The results show that the utilization rate of compression heat for the original system solution is only 38.42%，which leads to the low efficiency of the system，only 31.11%.The system efficiency can be significantly increased by improving the utilization of compression heat of the system.As the compressor stage number is reduced and non interstage cooling scheme adopted，the inlet temperature of the expander increases significantly with the system efficiency greatly improved.The increase of the expander stage number results in the fact that the more the total amount of compression heat used in expansion period，the higher the system efficiency.On this basis，the method for improving efficiency by internal parameters coupling is further explored，and an optimized system solution was proposed.Compared with the original system solution，the utilization ratio of compression heat is increased to 64.12%，and the efficiency of the system is increased to 41.82%.The research results can provide a reference to the optimization of cryogenic liquefied air energy storage system and its engineering application.

Key words：cryogenic liquefied air energy storage system;Aspen Plus;thermodynamic analysis;system optimization

0 引 言

隨著能源消費(fèi)的增長，我國環(huán)境污染問題也日益突出。為此，我國大力發(fā)展風(fēng)能和太陽能等新型綠色能源，但這類綠色能源具有不可連續(xù)性和波動(dòng)性等先天劣勢，不符合電網(wǎng)并網(wǎng)的要求[1]。抽水蓄能（PHS）、壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是解決風(fēng)能、太陽能等波動(dòng)性新能源消納問題的有效手段[2-5]。其中，壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)存能量大、輸出功率高、環(huán)境污染小、壽命長、規(guī)模化效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn)，廣受關(guān)注[6-9]。自1949年壓縮空氣儲(chǔ)能的概念被提出以來，圍繞系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度的提升，先后發(fā)展出傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）、先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）、深冷液化空氣儲(chǔ)能（LAES）和超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能（SC CAES）等技術(shù)路線[10-14]。

相較其它壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有無需消耗化石能源、不受地理和資源條件的限制、儲(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[15-17]。目前，針對深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)開展的系統(tǒng)優(yōu)化工作較少。文獻(xiàn)[18]對深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，指出了該系統(tǒng)具有高效率、高儲(chǔ)能密度的優(yōu)勢;文獻(xiàn)[19]提出了一種耦合熱量、冷量再循環(huán)系統(tǒng)的深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并初步探究了其商業(yè)化并網(wǎng)的可行性;文獻(xiàn)[20]提出了一種新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能和深冷液化空氣儲(chǔ)能的優(yōu)勢，獲得了更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[21]提出了一種利用填充床換熱器臨時(shí)存儲(chǔ)冷熱流的液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，并建立了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型;文獻(xiàn)[22]從各子系統(tǒng)耦合啟動(dòng)的角度對深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[23]建立了深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)模型和熱力學(xué)第二定律分析模型，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析和參數(shù)敏感性分析。但上述研究均未指出深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的具體優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，尤其是針對深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件——壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，文中建立了深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究了3個(gè)關(guān)鍵因素（壓縮機(jī)級數(shù)、壓縮機(jī)級間冷卻方案和膨脹機(jī)級數(shù)）對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了系統(tǒng)內(nèi)部耦合提效方法，提出了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化及其工程應(yīng)用提供理論參考。

1 深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

如圖1所示，深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：空氣壓縮及液化子系統(tǒng)、釋/儲(chǔ)熱子系統(tǒng)、釋/蓄冷子系統(tǒng)和膨脹發(fā)電子系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行分為蓄能階段與發(fā)電階段，各子系統(tǒng)分時(shí)段工作。

在蓄能階段，空氣壓縮及液化子系統(tǒng)、釋/儲(chǔ)熱子系統(tǒng)和釋/蓄冷子系統(tǒng)同時(shí)工作，完成空氣壓縮及液化過程。壓縮過程中，釋/儲(chǔ)熱子系統(tǒng)通過空氣冷卻器回收各級壓縮熱，并以熱能形式存儲(chǔ)于高溫導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐中。冷卻液化過程中，冷箱出口的高壓低溫液化空氣和中間抽氣點(diǎn)引出的高壓氣態(tài)空氣分別經(jīng)過節(jié)流閥和制冷膨脹機(jī)進(jìn)一步膨脹降溫，匯合后進(jìn)行氣液分離，液態(tài)空氣存儲(chǔ)在液空儲(chǔ)罐內(nèi)，氣態(tài)空氣返回冷箱參與熱交換;同時(shí)，釋/蓄冷子系統(tǒng)將蓄冷裝置中冷量取出并用于冷箱內(nèi)空氣液化。

在發(fā)電階段，膨脹發(fā)電子系統(tǒng)和釋/儲(chǔ)熱子系統(tǒng)、釋/蓄冷子系統(tǒng)同時(shí)工作，完成液態(tài)空氣升壓、氣化和膨脹發(fā)電的過程，膨脹發(fā)電后的工質(zhì)直接排入大氣，或以冷量輸出。膨脹過程中，釋/儲(chǔ)熱子系統(tǒng)通過級間加熱器提升各級膨脹機(jī)入口空氣溫度、提升其做功能力，換熱降溫后的儲(chǔ)熱介質(zhì)則存儲(chǔ)在低溫導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐中。氣化過程中，釋/蓄冷子系統(tǒng)回收蒸發(fā)器內(nèi)的空氣氣化冷量并將其存儲(chǔ)于蓄冷裝置中。

在深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)不同儲(chǔ)/釋能要求，分別設(shè)置蓄能工作時(shí)間和發(fā)電工作時(shí)間，以滿足工質(zhì)質(zhì)量守恒要求，后再進(jìn)行液空儲(chǔ)罐的容量確定與設(shè)計(jì)選型，避免液空儲(chǔ)罐出現(xiàn)溢流或空罐等問題，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)模型和模型驗(yàn)證

為簡化系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算，作如下假設(shè)

1）空氣選取AspenPlus軟件數(shù)據(jù)庫中的AIR組分;

2）壓縮液化儲(chǔ)能過程和膨脹發(fā)電釋能過程的工質(zhì)流量比例與釋/儲(chǔ)能的工作時(shí)間比例相一致，確保液空儲(chǔ)罐內(nèi)液化空氣在一個(gè)儲(chǔ)/釋能周期的質(zhì)量守恒;

3）不考慮各管道內(nèi)的流體阻力;

4）不考慮系統(tǒng)中各主要設(shè)備的散熱損失;

5）不考慮儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)中導(dǎo)熱油側(cè)的油泵耗功和蓄/釋冷子系統(tǒng)中循環(huán)風(fēng)機(jī)的耗功。

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

1.2.2 仿真模型

基于Aspen Plus平臺(tái)，分別建立了蓄能與發(fā)電階段的熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)模型。考慮到系統(tǒng)中液空儲(chǔ)罐需滿足質(zhì)量守恒要求，對系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)/釋能過程的耦合聯(lián)立求解，進(jìn)而分析整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)特性。仿真模型如圖2所示，模型選用PENG ROB方法進(jìn)行空氣物性計(jì)算[24-25]。表1為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

1.2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，選取某500 kW深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作為分析對象，對設(shè)計(jì)工況進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況為：蓄能過程入口空氣流量為1800 Nm3/h，原料/循環(huán)壓縮機(jī)均采用兩級壓縮且有級間冷卻的工作方案，膨脹機(jī)采用四級膨脹工作方案。模型仿真結(jié)果與系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)參數(shù)的對比結(jié)果如圖3所示。由圖可知，系統(tǒng)的各主要工作節(jié)點(diǎn)溫度仿真結(jié)果與系統(tǒng)的原始設(shè)計(jì)參數(shù)一致，表明所建立系統(tǒng)模型具有準(zhǔn)確性和可信度，可用于液化壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)分析。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵因素影響規(guī)律

深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)較為復(fù)雜，影響系統(tǒng)性能的因素較多，其中核心部件——空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對系統(tǒng)性能影響較大。

設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)關(guān)鍵部件模擬結(jié)果見表2.由公式（6）計(jì)算可知，該液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率ηe為31.11%。分析可知，當(dāng)原料/循環(huán)壓縮機(jī)均采用兩級壓縮有級間冷卻方案時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度較低，回收壓縮熱的品位較低，導(dǎo)致儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)中高溫導(dǎo)熱油溫度較低，降低了膨脹機(jī)入口再熱溫度TTURBINE IN，從而影響氣體膨脹做功能力，并直接影響系統(tǒng)發(fā)電量。由表2可知，設(shè)計(jì)工況下，蓄能與發(fā)電時(shí)長不同，二者時(shí)長比為2.53∶1.因此，在分析系統(tǒng)壓縮熱回收/利用特性及系統(tǒng)總電能輸入/輸出特性時(shí)，需分別考慮蓄能階段與發(fā)電階段的工作時(shí)長。為簡化分析過程，對等時(shí)長工況的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。等時(shí)長工況下蓄能與發(fā)電時(shí)長相同，且蓄能工作時(shí)長與設(shè)計(jì)工況保持一致，并基于質(zhì)量守恒特性對發(fā)電階段工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證總輸出電能一致。結(jié)果見表2所示，由表可知，壓縮機(jī)級間冷卻熱流率之和為543.07 kW，膨脹機(jī)級間再熱熱流率為208.67 kW，壓縮熱利用率ηh僅為38.42%，未能充分利用系統(tǒng)中的大量壓縮熱，嚴(yán)重的能量浪費(fèi)是系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率較低的主要原因。因此，進(jìn)一步提高膨脹機(jī)入口再熱溫度，并充分利用儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)中存儲(chǔ)的壓縮熱，可顯著提高系統(tǒng)效率。

由上述分析可知：膨脹機(jī)入口再熱溫度取決于蓄能階段壓縮工作過程，發(fā)電階段壓縮熱的利用情況則與膨脹機(jī)工作過程緊密相關(guān)。因此，文中接下來結(jié)合系統(tǒng)壓縮熱回收/利用特性，在蓄能/發(fā)電等時(shí)長工作條件下，主要討論壓縮機(jī)級數(shù)、壓縮機(jī)級間冷卻方案和膨脹機(jī)級數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

2.1 壓縮機(jī)級數(shù)的影響

系統(tǒng)采用原料空壓機(jī)/循環(huán)壓縮機(jī)有級間冷卻（單級壓縮除外）、膨脹機(jī)為四級膨脹的方案，保持壓縮機(jī)末級出口空氣壓力及其它參數(shù)不變，僅在合理的范圍內(nèi)，改變原料空壓機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī)的級數(shù)（假設(shè)2個(gè)壓縮機(jī)的工作級數(shù)始終保持一致），研究2個(gè)壓縮機(jī)級數(shù)變化對儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響。隨著壓縮機(jī)級數(shù)變化，壓縮機(jī)的輸入功率和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱量品位也存在較大改變：級數(shù)增加可減少壓縮機(jī)輸入功率，級間冷卻有利于降低壓縮機(jī)排氣溫度，但過低排氣溫度也降低了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱品質(zhì)，影響膨脹發(fā)電系統(tǒng)的做功能力，進(jìn)而影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。

圖4為膨脹機(jī)入口再熱溫度TTURBINE IN和系統(tǒng)效率ηe隨壓縮機(jī)級數(shù)變化圖，圖5為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)功率隨壓縮機(jī)級數(shù)變化圖。

從圖5可以看出，隨著壓縮機(jī)級數(shù)的增多，壓縮機(jī)輸入功率逐漸減少，膨脹機(jī)入口再熱溫度逐漸降低、膨脹機(jī)中間再熱量及輸出功也逐漸降低，系統(tǒng)效率隨級數(shù)增加而逐漸降低。其原因是：壓縮機(jī)工作過程為多級等壓比壓縮，壓縮機(jī)級數(shù)越多，壓縮過程越接近等溫壓縮，耗功減少;同時(shí)，壓縮機(jī)壓比隨級數(shù)的增大而減小，壓縮機(jī)各級排氣溫度相應(yīng)降低，排氣溫度的降低導(dǎo)致儲(chǔ)/釋熱子系統(tǒng)回收壓縮熱的品位降低，進(jìn)而造成膨脹機(jī)各級再熱溫度TTURBINE IN降低、中間再熱量減少、做功能力下降，即膨脹機(jī)輸出功率降低;隨著壓縮機(jī)級數(shù)的增加，膨脹機(jī)輸出功率降低幅度要大于壓縮機(jī)輸入功率的降低幅度，因此系統(tǒng)效率ηe隨壓縮機(jī)級數(shù)增加而逐漸降低。當(dāng)壓縮機(jī)由雙級壓縮變?yōu)閱渭墘嚎s時(shí)，膨脹機(jī)入口再熱溫度TTURBINE IN可由110 ℃提高到260 ℃，使系統(tǒng)效率ηe由31.11%提升至39.53%。

2.2 壓縮機(jī)級間方案的影響

系統(tǒng)膨脹機(jī)采用四級膨脹的方案，保持壓縮機(jī)末級出口空氣壓力及其它參數(shù)不變，對比研究3種不同壓縮機(jī)級間冷卻方案下的系統(tǒng)性能，以確定壓縮機(jī)級間冷卻方案對系統(tǒng)性能的影響。3種方案如下：①單級壓縮無級間冷卻;②雙級壓縮有級間冷卻;③雙級壓縮無級間冷卻。

圖6為不同壓縮機(jī)級間冷卻方案下，膨脹機(jī)入口再熱溫度和系統(tǒng)效率對比圖。由圖可知，相比原始設(shè)計(jì)方案的原料空壓機(jī)/循環(huán)壓縮機(jī)為雙級壓縮加級間冷卻，當(dāng)2個(gè)壓縮機(jī)采用雙級壓縮無級間冷卻方案時(shí)，膨脹機(jī)的再熱溫度TTURBINE IN可由110 ℃提高至265 ℃，而單級壓縮方案下膨脹機(jī)的再熱溫度TTURBINE IN可由110 ℃提高至260 ℃;雙級壓縮無級間冷卻方案下系統(tǒng)效率ηe為38.99%，遠(yuǎn)大于采用雙級壓縮有級間冷卻方案時(shí)的31.11%，略小于采用單級壓縮方案時(shí)的39.53%.

圖7為2個(gè)壓縮機(jī)采用3種不同工作方案時(shí)系統(tǒng)主要參數(shù)對比圖。如圖所示，壓縮機(jī)分別采用雙級壓縮無級間冷卻方案與單級壓縮方案時(shí)，二者的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的相關(guān)參數(shù)較為相似;而壓縮機(jī)采用雙級壓縮有級間冷卻方案時(shí)，系統(tǒng)的壓縮機(jī)輸入功率、膨脹機(jī)中間再熱量及輸出功率較其它2種方案均較低。分析可知：若壓縮過程為等熵壓縮過程，則壓縮機(jī)在單級壓縮與雙級壓縮無級間冷卻2種工作方案下的工作過程完全一致，其耗功無差異;由于本模型所建立的壓縮機(jī)模型為考慮不可逆損失的絕熱過程，故2種工作方案下壓縮機(jī)的耗功及出口溫度等參數(shù)具有一定偏差，但差異不大。因此2種壓縮機(jī)工作方案下，膨脹機(jī)側(cè)的性能參數(shù)也保持在相當(dāng)水平。當(dāng)壓縮機(jī)采用雙級壓縮有級間冷卻方案時(shí)，壓縮機(jī)工作過程介于絕熱壓縮過程與等溫壓縮過程之間，因此其輸入功率小于前2種方案下的輸入功率，然而級間冷卻使得壓縮機(jī)出口溫度較前2種方案大幅降低，導(dǎo)致膨脹機(jī)的入口再熱溫度也隨之大幅降低，這使得膨脹機(jī)的中間再熱量和輸出功率大幅降低，因此雙級壓縮有級間冷卻方案下的系統(tǒng)效率最低?？紤]到壓縮機(jī)單級壓比不宜過大，故對于該深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)選擇2個(gè)壓縮機(jī)為雙級壓縮無級間冷卻的方案。

2.3 膨脹機(jī)級數(shù)的影響

系統(tǒng)采用原料空壓機(jī)、循環(huán)壓縮機(jī)為單級壓縮的方案，保持壓縮機(jī)出口空氣壓力及其它參數(shù)不變，僅在合理的范圍內(nèi)改變膨脹機(jī)的級數(shù)，以研究膨脹機(jī)級數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。圖8為系統(tǒng)主要參數(shù)隨膨脹機(jī)級數(shù)變化圖。由圖可知，隨著膨脹機(jī)的級數(shù)增加，壓縮機(jī)輸入功率保持不變，膨脹機(jī)中間再熱量增加、做功能力提高，即膨脹機(jī)輸出功率提高，系統(tǒng)效率ηe隨膨脹機(jī)級數(shù)增加而逐漸提升。分析其原因如下：由于膨脹機(jī)級數(shù)的改變不會(huì)對深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄能過程的工作參數(shù)產(chǎn)生影響，因此壓縮機(jī)輸入功率保持不變，且壓縮機(jī)出口溫度也保持不變，因此膨脹機(jī)的再熱溫度TTURBINE IN不變;但是膨脹機(jī)級數(shù)的增加，將導(dǎo)致膨脹機(jī)的中間再熱量逐漸增加，使得膨脹過程的空氣做功能力增加，膨脹機(jī)輸出總功增加。因此，系統(tǒng)效率隨膨脹機(jī)級數(shù)增加而逐漸提升。當(dāng)膨脹機(jī)級數(shù)由原始方案的4級增加為6級時(shí)，膨脹機(jī)輸出功率由280.28 kW提高到298.99 kW，系統(tǒng)效率ηe也由39.53%提升至42.42%.但膨脹機(jī)級數(shù)的不斷增加，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本的急劇增加，同時(shí)增加系統(tǒng)不可逆損失，故對于該深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)選擇六級膨脹的膨脹發(fā)電方案。

3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵因素影響規(guī)律的研究，對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。相較于原始設(shè)計(jì)方案，2個(gè)壓縮機(jī)采用雙級壓縮無級間冷卻方案，膨脹機(jī)級數(shù)由4級增加至6級，膨脹機(jī)再熱溫度TTURBINE IN由110 ℃提高至265 ℃，深冷泵輸入功率保持不變。表3為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，2個(gè)壓縮機(jī)輸入功率之和由559.14 kW增加至665.27 kW，增比為18.98%;同時(shí)，系統(tǒng)壓縮熱回收利用情況得到較大改善，利用率ηh由38.42%提升至64.12%，使得膨脹機(jī)的輸出功率由197.54 kW增加至301.85 kW，增比為5280%.由于輸出功率增比遠(yuǎn)大于輸入功率增比，因此系統(tǒng)效率ηe由31.11%提升至41.82%。由表3可知，優(yōu)化后系統(tǒng)中仍有部分壓縮熱未被利用，可以考慮在儲(chǔ)熱子系統(tǒng)中耦合有機(jī)朗肯循環(huán)或采用冷熱電三聯(lián)供的形式，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié) 論

1）該深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)采用原始設(shè)計(jì)方案時(shí)，原料空壓機(jī)與循環(huán)壓縮機(jī)所能提供的壓縮熱品位較低，同時(shí)系統(tǒng)壓縮熱利用率為38.42%，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低，僅為31.11%;通過提高膨脹機(jī)入口再熱溫度，并充分利用系統(tǒng)壓縮熱，可顯著提高系統(tǒng)效率。

2）當(dāng)壓縮機(jī)級數(shù)減少、采用無級間冷卻方案時(shí)，膨脹機(jī)入口再熱溫度顯著增加，使得系統(tǒng)效率大幅提升;隨著膨脹機(jī)級數(shù)的增多，膨脹環(huán)節(jié)壓縮熱利用總量越多，系統(tǒng)效率越高。系統(tǒng)采用單級壓縮和六級膨脹時(shí)，效率可分別提升至39.53%和42.42%;壓縮機(jī)采用雙級壓縮無級間冷卻方案時(shí)，系統(tǒng)效率可提高至38.99%.

3）提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：壓縮機(jī)采用雙級壓縮無級間冷卻方案，膨脹機(jī)級數(shù)由4級增加至6級。相較于原始設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化系統(tǒng)膨脹機(jī)入口再熱溫度由110 ℃提升至265 ℃，壓縮熱利用率由38.42%提高至64.12%，系統(tǒng)效率由31.11%提升至41.82%.

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Bove R，Bucher M，F(xiàn)erretti F.Integrating large shares of wind energy in macro economical cost effective way[J].Energy，2012，43（1）：438-447.

[2]白 芳，張 沛，尹少武，等.低溫液空儲(chǔ)能流程模擬及優(yōu)化[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2017，6（4）：753-757.

BAI Fang，ZHANG Pei，YIN Shao wu，et al.Simulation and optimization of cryogenic liquid energy storage process[J].Energy Storage Science and Technology，2017，6（4）：753-757.

[3]張文亮，丘 明，來小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（7）：1-9.

ZHANG Wen liang，QIU Ming，LAI Xiao kang.Application of energy storage technology in power grids[J].Power System Technology，2008，32（7）：1-9.

[4]Lund H，Salgi G.The role of compressed air energy storage（CAES）in future sustainable energy systems[J].Energy Conversion & Management，2009，50（5）：1172-1179.

[5]Albino V，Ardito L，Dangelico R M，et al.Understanding the development trends of low carbon energy technologies：a patent analysis[J].Applied Energy，2014，135：836-854.

[6]Lee I，Park J，You F，et al.A novel cryogenic energy storage system with LNG direct expansion regasification：design，energy optimization，and exergy analysis[J].Energy，2019，173：691-705.

[7]徐桂芝，宋 潔，王 樂，等.深冷液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2018（3）：330-337.

XU Gui zhi，SONG Jie，WANG Le，et al.Cryogenic liquefied air energy storage technology and its application analysis in power grid[J].Journal of Global Energy Interconnection，2018（3）：330-337.

[8]Chen H，Cong T，Yang W，et al.Progress in electrical energy storage system：a critical review[J].Process in Nature Science，2009，19（3）：291-312.

[9]Guo H，Xu Y，Chen H，et al.Thermodynamic charateristics of a novel supeicritical compressed air energy storage system[J].Energy Conversion and Management，2016，115：167-177.

[10]Budt M，Wolf D，Span R，et al.A review on compressed air energy storage：basin principles，past milestones and recont development[J].Applied Energy，2016，170：250-268.

[11]Chino K，Araki H.Evaluation of energy storage method using liquid air[J].Heat Transfer Asian Research，2015，29（5）：347-357.

[12]李小仨，錢則剛，楊啟超，等.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].流體機(jī)械，2013，41（8）：40-44.

LI Xiao san，QIAN Ze gang，YANG Qi chao，et al.Techniques summarization and efficiency analysis of compressed air energy storage[J].Fluid Machinery，2013，41（8）：40-44.

[13]梅生偉，薛小代，陳來軍.壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2016，10（3）：11-15.

MEI Sheng wei，XUE Xiao dai，CHEN Lai jun.Discussion on compressed air energy storage technology and its application[J].Southern Power System Technology，2016，10（3）：11-15.

[14]Luo X，Wang J，Dooner M，et al.Overview of current development in compressed air energy storage technology[J].Energy Procedia，2014，62：603-611.

[15]王維萌，黃葆華，徐桂芝，等.一種基于深冷液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)的新型發(fā)電系統(tǒng)概述[J].華北電力技術(shù)，2017（3）：46-52.

WANG Wei ming，HUANG Bao hua，XU Gui zhi，et al.Introduction to a novel power generation system based on liquid air energy storage technology[J].North China Electric Power，2017（3）：46-52.

[16]Chino K，Araki H.Evaluation of energy storage method using liquid air[J].Heat Transfer Asian Res. ，2000，29（5）：347-357.

[17]Antonelli M，Desideri U，Giglioli R，et al.Liquid air energy storage：a potential low emissions and efficient storage system[J].Energy Procedia，2016，88：693-697.

[18]Guizzi G L，Manno M，Tolomei L M，et al.Thermodynamic analysis of a liquid air energy storage system[J].Energy，2015，93（2）：1639-1647.

[19]Morgan R，Nelmes S，Gibson E，et al.Liquid air energy storage analysis and first results from a pilot scale demonstration plant[J].Applied Energy，2015，137：845-853.

[20]Kantharaj B，Garvey S D，Pimm A J.Compressed air energy storage with liquid air capacity extension[J].Applied Energy，2015，157：152-164.

[21]Sciacovelli A，Vecchi A，Ding Y.Liquid air energy storage（LAES）with packed bed cold thermal storage from component to system level performance through dynamic modelling[J].Applied Energy，2017，190：84-98.

[22]任 彥，黃葆華，徐桂芝，等.基于一種深冷液化空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的多系統(tǒng)耦合啟動(dòng)研究[J].華北電力技術(shù)，2017（4）：38-43.

REN Yan，HUANG Bao hua，XU Gui zhi，et al.Study on multi system coupling start based on cryogenic liquefied air energy storage and power generation system[J].North China Electric Power，2017（4）：38-43.

[23]何 青，王立健，劉文毅.深冷液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)建模及分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（10）：127-132.

HE Qing，WANG Li jian，LIU Wei yi.Thermodynamic model and exergy analysis of cryogenic liquefied air energy storage system[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2018，46（10）：127-132.

[24]Guo H， Xu Y， Chen H， et al.Thermodynamic characteristics of a novel supercritical compressed air energy storage system[J].Energy Conversion and Management，2016，115：167-177.

[25]Borri E，Tafone A，Romagnoli A.A preliminary study on the optimal configuration and operating range of a “microgrid scale” air liquefaction plant for Liquid Air Energy Storage[J].Energy Conversion and Management，2017，143：275-285.