壓縮空氣儲能與吸收式熱泵循環(huán)集成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

楊緒青，余真珠，楊肖虎，劉 展

（1青島科技大學機電工程學院，山東 青島266061；2西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，陜西 西安710049）

隨著傳統(tǒng)能源不斷枯竭與環(huán)境問題日益嚴重，可再生能源的應用得到迅速發(fā)展。然而，由于可再生能源的波動性與間歇性影響了可再生能源的利用率[1]。在這種背景下，能源儲存技術應運而生，將可再生能源與大規(guī)模儲能技術相結合，有助于增加間歇性能源的滲透率[2]。

壓縮空氣儲能(CAES)因具有使用壽命長、成本低、環(huán)境友好、儲能密度高等優(yōu)點而成為當前能量儲存領域的研究熱點[3-4]。如今在世界范圍內(nèi)已有兩座大規(guī)模商業(yè)運行的CAES 電站投入運營，第1 座是1978 年在德國投入運營的Huntorf 電站，第2 座是1991 年在美國阿拉巴馬州投入運營的McIntosh電站[5]。

Huntorf 電站與McIntosh 電站均屬于傳統(tǒng)的補燃型電站，在儲能過程中釋放的大量壓縮熱沒有得到合理利用，導致系統(tǒng)的循環(huán)效率較低[6]。因此，一些學者提出先進的絕熱壓縮空氣儲能(AACAES)，利用儲熱裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)CAES 中的燃燒室，從而實現(xiàn)化石燃料的零消耗和污染物的零排放[7]。然而，在AA-CAES中，儲熱裝置回收的壓縮熱限制了膨脹機進口空氣的溫度很難達到與傳統(tǒng)CAES同一水平。因此，AA-CAES中產(chǎn)生的電能有限，可能無法滿足客戶的需求[8]。近年來，將AACAES 與電加熱器集成(CH-CAES)被認為是解決上述問題、提高系統(tǒng)能量容量的一種很有前景的方法。將部分低質(zhì)量的高頻可再生能源通過電加熱器直接轉(zhuǎn)化為熱能儲存在儲熱裝置中，不僅提高了系統(tǒng)的能量容量，同時還進一步提高了可再生能源的利用率與并網(wǎng)可能性[9-10]。

由于系統(tǒng)集成了電加熱器，有大量余熱需要回收利用，因此有必要引入一個熱力循環(huán)子系統(tǒng)與CH-CAES 集成以提高系統(tǒng)效率。Razmi 等[11-12]提出了一個基于壓縮空氣儲能、有機朗肯循環(huán)和吸收式壓縮制冷循環(huán)的冷電聯(lián)供系統(tǒng)并對其進行?經(jīng)濟性分析，結果表明相較于單獨的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，新系統(tǒng)的循環(huán)效率提高了13.15%。蔡悠然等[13]以Huntorf 電站為原型，利用溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)回收壓縮過程產(chǎn)生的熱量進行制冷，并對新系統(tǒng)進行?分析。結果表明，聯(lián)合系統(tǒng)的?效率比原系統(tǒng)提高了0.88%。Ji等[14]提出了一種新型的混合風能-太陽能壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其中利用有機朗肯循環(huán)回收儲熱裝置中儲存的壓縮熱，實現(xiàn)了系統(tǒng)的能量梯級利用。在Mohammadi等[15]提出的基于壓縮空氣儲能的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中，膨脹機的高溫尾氣依次加熱有機朗肯循環(huán)與氨水吸收式制冷循環(huán)。

基于上述研究發(fā)現(xiàn)，吸收式循環(huán)被廣泛應用于回收系統(tǒng)余熱，但上述研究均用來制冷。本文提出一種CH-CAES與吸收式熱泵(AHP)聯(lián)合運行的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CH-CAES-AHP)，利用AA-CAES 儲熱裝置中的導熱油余熱提供生活熱水，實現(xiàn)了能量的梯級利用。相比于直接利用余熱回收熱交換器實現(xiàn)高溫余熱的直接再利用，AHP從發(fā)生器和蒸發(fā)器中吸熱，并從吸收器和冷凝器向用戶提供熱量，用戶獲得的熱量大于高溫熱源釋放的熱量，因此系統(tǒng)在供熱性能方面具有可觀的技術價值。

1 集成系統(tǒng)運行原理

圖1為本文提出的集成系統(tǒng)原理，儲能時，環(huán)境空氣被壓縮機壓縮至高壓狀態(tài)，壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱被來自冷罐的導熱油回收?；厥諌嚎s熱之后，導熱油匯合并被送至電加熱單元進一步加熱。此外，節(jié)流閥1被安裝在儲氣穴前用來維持壓縮機穩(wěn)定的背壓，以保證壓縮機工作在穩(wěn)定狀態(tài)。最后，高溫導熱油和高壓空氣分別被送至熱罐和儲氣穴儲存，儲能過程完成。

圖1 集成系統(tǒng)運行原理Fig.1 Integration system operation schematic

釋能時，高壓空氣首先經(jīng)過節(jié)流閥2調(diào)整至一個穩(wěn)定的壓力。與此同時，高溫導熱油分成三股分別送入相應的再熱器對膨脹機的進口空氣進行加熱。隨后，高溫高壓的空氣在膨脹機中膨脹做功?？紤]到膨脹機3的排氣溫度仍較高，采用回熱器對剩余熱能進行回收，以減輕再熱器1的熱負荷。

本文采用氨水吸收式熱泵循環(huán)回收儲熱裝置中的導熱油余熱用來提供60 ℃生活熱水。在熱泵循環(huán)中，吸收器里的氨水濃溶液經(jīng)泵升壓后送至溶液熱交換器，被來自精餾塔底部的高溫氨水稀溶液預熱后送至精餾塔。氨水濃溶液在精餾塔內(nèi)經(jīng)過精餾被分離成純氨蒸氣與氨水稀溶液，純氨蒸氣在冷凝器內(nèi)被冷凝成飽和液體，其中一部分冷凝液回流至精餾塔而其余的經(jīng)節(jié)流閥降壓后在蒸發(fā)器吸熱變成飽和氨蒸氣。氨水稀溶液在溶液熱交換器內(nèi)釋放熱量后經(jīng)節(jié)流閥降壓流入吸收器。在吸收器內(nèi)，氨水稀溶液吸收來自蒸發(fā)器的飽和氨蒸氣再次形成氨水濃溶液?？紤]到導熱油在再沸器的出口溫度依然很高，所以環(huán)境水分別經(jīng)冷凝器、吸收器、加熱器三級加熱之后達到供熱要求，為用戶提供熱水。

2 集成系統(tǒng)熱力學分析與建模

表1列出了系統(tǒng)詳細的設計參數(shù)[10-15]。

表1 集成系統(tǒng)的設計參數(shù)Table 1 Design parameters of integration system

2.1 集成系統(tǒng)的數(shù)學模型

儲能過程中，壓縮機的出口溫度和功耗為[7]

式中，T為溫度，K；?為質(zhì)量流量，kg/s；h為比焓，kJ/kg。

壓縮機消耗的總功率為

通過電加熱器輸入系統(tǒng)的熱量可通過能量平衡方程獲得

式中，coil為導熱油的比熱容，kJ/(kg·K)。

釋能過程中，膨脹機的出口溫度和輸出功率可從下式獲得

膨脹機輸出的總功率為

空氣和導熱油的換熱過程滿足下式能量平衡方程

式中，cp,air為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

其中，回熱器中的冷熱工質(zhì)均為空氣，其換熱過程滿足

在氨水吸收式熱泵循環(huán)中，通過導熱油輸入熱泵系統(tǒng)的總熱量與熱泵系統(tǒng)輸出的總熱量可分別通過下式計算

氨水吸收式熱泵循環(huán)的凈放熱量為

在精餾塔與吸收器中，工質(zhì)的分離過程與混合過程不僅滿足質(zhì)量守恒定律，同時還滿足能量守恒定律

式中，R 為精餾塔回流比；X 為工作流體中氨的濃度。

蒸發(fā)器與溶液熱交換器中冷熱工質(zhì)的換熱過程滿足能量平衡方程

氨水吸收式熱泵循環(huán)中泵消耗的能量為

流體流經(jīng)節(jié)流閥的過程視為等焓過程，因此有

由于能量分析只注重描述能量傳遞與轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)量，而忽略了能量的品位。?分析方法則同時考慮了能量的數(shù)量和品味，被認為是評價能量轉(zhuǎn)換循環(huán)最有力的工具。為便于計算，本文?分析忽略了化學?、勢?和運動學?，只考慮物理?。工作流體在某一狀態(tài)點的?可以用下式計算

式中，s為比熵，kJ/(kg·K)。

氨水吸收式熱泵循環(huán)的供熱能力?為

2.2 系統(tǒng)性能評價指標

本文定義了系統(tǒng)循環(huán)效率、系統(tǒng)?效率、熱泵性能系數(shù)分別用于評價集成系統(tǒng)的整體性能與熱泵循環(huán)的供熱性能。

系統(tǒng)循環(huán)效率定義為系統(tǒng)釋能時輸出總能量與系統(tǒng)儲能時消耗總能量的比值。其中，系統(tǒng)中泵消耗的功量與系統(tǒng)輸入/輸出的能量相比太小而忽略不計。

集成系統(tǒng)的?效率定義為輸出系統(tǒng)總?與輸入系統(tǒng)總?的比值。其中，泵消耗的能量忽略不計。

熱泵性能系數(shù)定義為氨水吸收式熱泵循環(huán)中熱泵系統(tǒng)輸出的總熱量與輸入熱泵系統(tǒng)的總熱量的比值。

3 模擬結果與分析

本部分首先比較了CH-CAES-AHP 系統(tǒng)與CHCAES 系統(tǒng)在基本工況下的運行性能，然后研究了釋能壓力、電加熱溫度、精餾塔壓力、精餾塔回流比對系統(tǒng)性能的影響。在分析過程中，當一個物理參數(shù)發(fā)生變化時，其他參數(shù)保持不變。

3.1 基本工況下系統(tǒng)分析

基本工況下，CH-CAES-AHP系統(tǒng)與CH-CAES系統(tǒng)的性能比較見表2。在儲能過程中消耗相同的壓縮機功率與電加熱器功率的情況下，CH-CAESAHP 系統(tǒng)相比于CH-CAES 系統(tǒng)額外輸出了5790.53 kW 熱功率，使得系統(tǒng)的循環(huán)效率從51.74%提升到81.70%。AHP 循環(huán)輸出的熱量用來提供生活熱水，其供熱能力?為361.13 kW，使得系統(tǒng)的?效率提升了1.87%。同時，采用AHP循環(huán)可以實現(xiàn)凈放熱1301.43 kW，在吸收相同熱量的情況下，AHP循環(huán)的供熱量相比于直接利用余熱回收熱交換器提升了29%。此外，AHP子循環(huán)在基本工況下的熱力學狀態(tài)點參數(shù)見表3。

表2 CH-CAES-AHP系統(tǒng)與CH-CAES系統(tǒng)性能比較Table 2 Comparison of performance between CH-CAESAHP system and CH-CAES system

表3 AHP在基本工況下的熱力學狀態(tài)點參數(shù)Table 3 Thermodynamic state point parameters under basic conditions for AHP

3.2 操作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

3.2.1 釋能壓力對系統(tǒng)性能的影響

如圖2所示，當釋能壓力增加時，CH-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率逐漸增大，而集成系統(tǒng)的循環(huán)效率逐漸減小且大于CH-CAES 系統(tǒng)的循環(huán)效率。這主要是由于一方面釋能壓力的增加增大了空氣在膨脹機進出口的比焓降，導致空氣與導熱油的質(zhì)量流量均下降，使得儲能過程中系統(tǒng)消耗的總能量減??；另一方面熱泵系統(tǒng)回收導熱油余熱后輸出的熱量在逐漸減小且其對集成系統(tǒng)循環(huán)效率的影響大于儲能過程中系統(tǒng)消耗總能量的減小量。釋能壓力的變化對熱泵系統(tǒng)性能的影響如圖3所示，可以看出隨著釋能壓力的增加，熱泵吸收的熱量與凈輸出熱量均減小。由于熱泵系統(tǒng)輸出熱量的減小量大于熱泵系統(tǒng)吸收熱量的減小量，使得熱泵性能系數(shù)也逐漸減小。最后，增大釋能壓力對熱泵循環(huán)供熱能力?的影響較小，導致集成系統(tǒng)的?效率不斷增加。3.2.2 電加熱溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖2 釋能壓力對系統(tǒng)性能的影響Fig.2 Effect of discharging pressure on systemper formance

圖3 釋能壓力對熱泵循環(huán)性能的影響Fig.3 Effect of discharging pressure on heat pump cycle performance

當電加熱溫度增加時，釋能過程中空氣在膨脹機進出口的比焓降增加，從而降低了空氣與導熱油的質(zhì)量流量。這時儲能過程中系統(tǒng)消耗的總能量受導熱油質(zhì)量流量變化的影響較小且主要取決于電加熱溫度，導致系統(tǒng)消耗的總能量增加，從而降低了CH-CAES 系統(tǒng)的循環(huán)效率(圖4)。集成系統(tǒng)由于采用了熱泵循環(huán)回收導熱油豐富的余熱，在吸收熱量不斷增加的情況下向外輸出了更多的凈放熱量，使得集成系統(tǒng)的循環(huán)效率和熱泵性能系數(shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢(圖5)。由于熱泵循環(huán)供熱能力?的增量小于儲能過程中消耗總能量的增量，集成系統(tǒng)的?效率隨電加熱溫度的增加逐漸降低。

圖4 電加熱溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.4 Effect of electrical heating temperature on system performance

圖5 電加熱溫度對熱泵循環(huán)性能的影響Fig.5 Effect of electrical heating temperature on heat pump cycle performance

3.2.3 精餾塔壓力對系統(tǒng)性能的影響

圖6 精餾塔壓力對系統(tǒng)性能的影響Fig.6 Effect of rectification column pressure on system performance

圖7 精餾塔壓力對熱泵循環(huán)性能的影響Fig.7 Effect of rectification column pressure on heat pump cycle performance

精餾塔壓力對集成系統(tǒng)性能的影響如圖6、圖7所示，因為精餾塔壓力的變化不影響CH-CAES 系統(tǒng)運行的參數(shù)，所以CH-CAES 系統(tǒng)的循環(huán)效率與輸入熱泵系統(tǒng)的熱量始終保持不變。精餾塔分離出的氨蒸氣的溫度隨著精餾塔壓力的升高不斷增加，同時分離出的氨蒸氣的質(zhì)量流量卻不斷減少，導致工質(zhì)在冷凝器與吸收器中放出的熱量不斷降低。盡管供熱水在加熱器中吸收了更多的熱量，但熱泵循環(huán)向外輸出的總熱量卻不斷降低，導致熱泵循環(huán)凈放熱量、熱泵性能系數(shù)、集成系統(tǒng)循環(huán)效率逐漸下降。熱泵循環(huán)輸出熱量的減小直接影響了熱泵循環(huán)的供熱能力?，但對集成系統(tǒng)的?效率影響較小。

3.2.4 精餾塔回流比對系統(tǒng)性能的影響

精餾塔回流比對系統(tǒng)性能的影響如圖8、圖9所示，隨著精餾塔回流比從0.2增加到0.6，更多的冷凝氨液回流至精餾塔內(nèi)，意味著氨水工質(zhì)在再沸器中將吸收更多的熱量，進而使得精餾塔內(nèi)產(chǎn)生更多的氨蒸氣，導致氨蒸氣在冷凝器中放出的熱量不斷增加。因為精餾塔回流比對CH-CAES 系統(tǒng)沒有影響，CH-CAES 系統(tǒng)循環(huán)效率、輸入熱泵循環(huán)的總熱量不發(fā)生改變，則供熱水在加熱器中吸收的熱量隨導熱油在再熱器釋放熱量的增加而減小。同時，隨著回流比的增加，流出冷凝器用于供熱的氨液逐漸減小，降低了工質(zhì)在吸收器中放出的熱量。綜上，雖然隨著精餾塔回流比的增加，工質(zhì)在冷凝器中釋放的熱量不斷增加，但熱泵循環(huán)輸出的總熱量不斷降低，導致熱泵循環(huán)凈輸出熱量、熱泵性能系數(shù)逐漸降低。另一方面，熱泵輸出總熱量的減小導致熱泵循環(huán)供熱能力?下降，但從圖9中可以看出這種趨勢對集成系統(tǒng)的?效率影響較小。

圖8 精餾塔回流比對系統(tǒng)性能的影響Fig.8 Effect of rectifier reflux ratio on system performance

圖9 精餾塔回流比對熱泵循環(huán)性能的影響Fig.9 Effect of rectifier reflux ratio on heat pump cycle performance

4 結 論

提出一種壓縮空氣儲能與氨水吸收式熱泵循環(huán)集成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，通過對集成系統(tǒng)進行建模，比較了CH-CAES-AHP 系統(tǒng)與CH-CAES 系統(tǒng)在基本工況下的運行性能并研究了系統(tǒng)關鍵操作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，研究結果如下。

（1）基本工況下，CH-CAES-AHP 系統(tǒng)循環(huán)效率為81.70%，?效率為53.61%，額外輸出的供熱功率達5790.53 kW。與CH-CAES 系統(tǒng)相比，集成系統(tǒng)的循環(huán)效率提升了29.96%，系統(tǒng)?效率提升了1.87%。

（2）隨著系統(tǒng)釋能壓力的增加，集成系統(tǒng)的循環(huán)效率與熱泵性能系數(shù)不斷降低，集成系統(tǒng)的?效率不斷升高。

（3）電加熱溫度對系統(tǒng)性能有顯著影響，提高電加熱溫度一方面導致CH-CAES 系統(tǒng)循環(huán)效率與集成系統(tǒng)?效率顯著下降。另一方面使得導熱油儲存的熱量增加，有利于熱泵循環(huán)輸出更多的熱量，導致熱泵性能系數(shù)與集成系統(tǒng)的循環(huán)效率不斷增加。

（4）精餾塔壓力、精餾塔回流比對CH-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率沒有影響，降低精餾塔壓力、回流比將有利于熱泵性能系數(shù)，集成系統(tǒng)的循環(huán)效率、?效率提高。