压缩空气储能与吸收式热泵循环集成的热电联产系统

2021-01-19杨绪青余真珠杨肖虎

储能科学与技术 2021年1期

杨绪青，余真珠，杨肖虎，刘展

（1青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061；2西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西西安710049）

随着传统能源不断枯竭与环境问题日益严重，可再生能源的应用得到迅速发展。然而，由于可再生能源的波动性与间歇性影响了可再生能源的利用率[1]。在这种背景下，能源储存技术应运而生，将可再生能源与大规模储能技术相结合，有助于增加间歇性能源的渗透率[2]。

压缩空气储能(CAES)因具有使用寿命长、成本低、环境友好、储能密度高等优点而成为当前能量储存领域的研究热点[3-4]。如今在世界范围内已有两座大规模商业运行的CAES 电站投入运营，第1 座是1978 年在德国投入运营的Huntorf 电站，第2 座是1991 年在美国阿拉巴马州投入运营的McIntosh电站[5]。

Huntorf 电站与McIntosh 电站均属于传统的补燃型电站，在储能过程中释放的大量压缩热没有得到合理利用，导致系统的循环效率较低[6]。因此，一些学者提出先进的绝热压缩空气储能(AACAES)，利用储热装置代替传统CAES 中的燃烧室，从而实现化石燃料的零消耗和污染物的零排放[7]。然而，在AA-CAES中，储热装置回收的压缩热限制了膨胀机进口空气的温度很难达到与传统CAES同一水平。因此，AA-CAES中产生的电能有限，可能无法满足客户的需求[8]。近年来，将AACAES 与电加热器集成(CH-CAES)被认为是解决上述问题、提高系统能量容量的一种很有前景的方法。将部分低质量的高频可再生能源通过电加热器直接转化为热能储存在储热装置中，不仅提高了系统的能量容量，同时还进一步提高了可再生能源的利用率与并网可能性[9-10]。

由于系统集成了电加热器，有大量余热需要回收利用，因此有必要引入一个热力循环子系统与CH-CAES 集成以提高系统效率。Razmi 等[11-12]提出了一个基于压缩空气储能、有机朗肯循环和吸收式压缩制冷循环的冷电联供系统并对其进行㶲经济性分析，结果表明相较于单独的压缩空气储能系统，新系统的循环效率提高了13.15%。蔡悠然等[13]以Huntorf 电站为原型，利用溴化锂吸收式制冷系统回收压缩过程产生的热量进行制冷，并对新系统进行㶲分析。结果表明，联合系统的㶲效率比原系统提高了0.88%。Ji等[14]提出了一种新型的混合风能-太阳能压缩空气储能系统，其中利用有机朗肯循环回收储热装置中储存的压缩热，实现了系统的能量梯级利用。在Mohammadi等[15]提出的基于压缩空气储能的冷热电三联供系统中，膨胀机的高温尾气依次加热有机朗肯循环与氨水吸收式制冷循环。

基于上述研究发现，吸收式循环被广泛应用于回收系统余热，但上述研究均用来制冷。本文提出一种CH-CAES与吸收式热泵(AHP)联合运行的热电联产系统(CH-CAES-AHP)，利用AA-CAES 储热装置中的导热油余热提供生活热水，实现了能量的梯级利用。相比于直接利用余热回收热交换器实现高温余热的直接再利用，AHP从发生器和蒸发器中吸热，并从吸收器和冷凝器向用户提供热量，用户获得的热量大于高温热源释放的热量，因此系统在供热性能方面具有可观的技术价值。

1 集成系统运行原理

图1为本文提出的集成系统原理，储能时，环境空气被压缩机压缩至高压状态，压缩过程中产生的压缩热被来自冷罐的导热油回收。回收压缩热之后，导热油汇合并被送至电加热单元进一步加热。此外，节流阀1被安装在储气穴前用来维持压缩机稳定的背压，以保证压缩机工作在稳定状态。最后，高温导热油和高压空气分别被送至热罐和储气穴储存，储能过程完成。

图1 集成系统运行原理Fig.1 Integration system operation schematic

释能时，高压空气首先经过节流阀2调整至一个稳定的压力。与此同时，高温导热油分成三股分别送入相应的再热器对膨胀机的进口空气进行加热。随后，高温高压的空气在膨胀机中膨胀做功。考虑到膨胀机3的排气温度仍较高，采用回热器对剩余热能进行回收，以减轻再热器1的热负荷。

本文采用氨水吸收式热泵循环回收储热装置中的导热油余热用来提供60 ℃生活热水。在热泵循环中，吸收器里的氨水浓溶液经泵升压后送至溶液热交换器，被来自精馏塔底部的高温氨水稀溶液预热后送至精馏塔。氨水浓溶液在精馏塔内经过精馏被分离成纯氨蒸气与氨水稀溶液，纯氨蒸气在冷凝器内被冷凝成饱和液体，其中一部分冷凝液回流至精馏塔而其余的经节流阀降压后在蒸发器吸热变成饱和氨蒸气。氨水稀溶液在溶液热交换器内释放热量后经节流阀降压流入吸收器。在吸收器内，氨水稀溶液吸收来自蒸发器的饱和氨蒸气再次形成氨水浓溶液。考虑到导热油在再沸器的出口温度依然很高，所以环境水分别经冷凝器、吸收器、加热器三级加热之后达到供热要求，为用户提供热水。

2 集成系统热力学分析与建模

表1列出了系统详细的设计参数[10-15]。

表1 集成系统的设计参数Table 1 Design parameters of integration system

2.1 集成系统的数学模型

储能过程中，压缩机的出口温度和功耗为[7]

式中，T为温度，K；ṁ为质量流量，kg/s；h为比焓，kJ/kg。

压缩机消耗的总功率为

通过电加热器输入系统的热量可通过能量平衡方程获得

式中，coil为导热油的比热容，kJ/(kg·K)。

释能过程中，膨胀机的出口温度和输出功率可从下式获得

膨胀机输出的总功率为

空气和导热油的换热过程满足下式能量平衡方程

式中，cp,air为空气的定压比热容，kJ/(kg·K)。

其中，回热器中的冷热工质均为空气，其换热过程满足

在氨水吸收式热泵循环中，通过导热油输入热泵系统的总热量与热泵系统输出的总热量可分别通过下式计算

氨水吸收式热泵循环的净放热量为

在精馏塔与吸收器中，工质的分离过程与混合过程不仅满足质量守恒定律，同时还满足能量守恒定律

式中，R 为精馏塔回流比；X 为工作流体中氨的浓度。

蒸发器与溶液热交换器中冷热工质的换热过程满足能量平衡方程

氨水吸收式热泵循环中泵消耗的能量为

流体流经节流阀的过程视为等焓过程，因此有

由于能量分析只注重描述能量传递与转化过程中的数量，而忽略了能量的品位。㶲分析方法则同时考虑了能量的数量和品味，被认为是评价能量转换循环最有力的工具。为便于计算，本文㶲分析忽略了化学㶲、势㶲和运动学㶲，只考虑物理㶲。工作流体在某一状态点的㶲可以用下式计算

式中，s为比熵，kJ/(kg·K)。

氨水吸收式热泵循环的供热能力㶲为

2.2 系统性能评价指标

本文定义了系统循环效率、系统㶲效率、热泵性能系数分别用于评价集成系统的整体性能与热泵循环的供热性能。

系统循环效率定义为系统释能时输出总能量与系统储能时消耗总能量的比值。其中，系统中泵消耗的功量与系统输入/输出的能量相比太小而忽略不计。

集成系统的㶲效率定义为输出系统总㶲与输入系统总㶲的比值。其中，泵消耗的能量忽略不计。

热泵性能系数定义为氨水吸收式热泵循环中热泵系统输出的总热量与输入热泵系统的总热量的比值。

3 模拟结果与分析

本部分首先比较了CH-CAES-AHP 系统与CHCAES 系统在基本工况下的运行性能，然后研究了释能压力、电加热温度、精馏塔压力、精馏塔回流比对系统性能的影响。在分析过程中，当一个物理参数发生变化时，其他参数保持不变。

3.1 基本工况下系统分析

基本工况下，CH-CAES-AHP系统与CH-CAES系统的性能比较见表2。在储能过程中消耗相同的压缩机功率与电加热器功率的情况下，CH-CAESAHP 系统相比于CH-CAES 系统额外输出了5790.53 kW 热功率，使得系统的循环效率从51.74%提升到81.70%。AHP 循环输出的热量用来提供生活热水，其供热能力㶲为361.13 kW，使得系统的㶲效率提升了1.87%。同时，采用AHP循环可以实现净放热1301.43 kW，在吸收相同热量的情况下，AHP循环的供热量相比于直接利用余热回收热交换器提升了29%。此外，AHP子循环在基本工况下的热力学状态点参数见表3。

表2 CH-CAES-AHP系统与CH-CAES系统性能比较Table 2 Comparison of performance between CH-CAESAHP system and CH-CAES system

表3 AHP在基本工况下的热力学状态点参数Table 3 Thermodynamic state point parameters under basic conditions for AHP

3.2 操作参数对系统性能的影响

3.2.1 释能压力对系统性能的影响

如图2所示，当释能压力增加时，CH-CAES系统的循环效率逐渐增大，而集成系统的循环效率逐渐减小且大于CH-CAES 系统的循环效率。这主要是由于一方面释能压力的增加增大了空气在膨胀机进出口的比焓降，导致空气与导热油的质量流量均下降，使得储能过程中系统消耗的总能量减小；另一方面热泵系统回收导热油余热后输出的热量在逐渐减小且其对集成系统循环效率的影响大于储能过程中系统消耗总能量的减小量。释能压力的变化对热泵系统性能的影响如图3所示，可以看出随着释能压力的增加，热泵吸收的热量与净输出热量均减小。由于热泵系统输出热量的减小量大于热泵系统吸收热量的减小量，使得热泵性能系数也逐渐减小。最后，增大释能压力对热泵循环供热能力㶲的影响较小，导致集成系统的㶲效率不断增加。3.2.2 电加热温度对系统性能的影响

图2 释能压力对系统性能的影响Fig.2 Effect of discharging pressure on systemper formance

图3 释能压力对热泵循环性能的影响Fig.3 Effect of discharging pressure on heat pump cycle performance

当电加热温度增加时，释能过程中空气在膨胀机进出口的比焓降增加，从而降低了空气与导热油的质量流量。这时储能过程中系统消耗的总能量受导热油质量流量变化的影响较小且主要取决于电加热温度，导致系统消耗的总能量增加，从而降低了CH-CAES 系统的循环效率(图4)。集成系统由于采用了热泵循环回收导热油丰富的余热，在吸收热量不断增加的情况下向外输出了更多的净放热量，使得集成系统的循环效率和热泵性能系数均呈现上升的趋势(图5)。由于热泵循环供热能力㶲的增量小于储能过程中消耗总能量的增量，集成系统的㶲效率随电加热温度的增加逐渐降低。

图4 电加热温度对系统性能的影响Fig.4 Effect of electrical heating temperature on system performance

图5 电加热温度对热泵循环性能的影响Fig.5 Effect of electrical heating temperature on heat pump cycle performance

3.2.3 精馏塔压力对系统性能的影响

图6 精馏塔压力对系统性能的影响Fig.6 Effect of rectification column pressure on system performance

图7 精馏塔压力对热泵循环性能的影响Fig.7 Effect of rectification column pressure on heat pump cycle performance

精馏塔压力对集成系统性能的影响如图6、图7所示，因为精馏塔压力的变化不影响CH-CAES 系统运行的参数，所以CH-CAES 系统的循环效率与输入热泵系统的热量始终保持不变。精馏塔分离出的氨蒸气的温度随着精馏塔压力的升高不断增加，同时分离出的氨蒸气的质量流量却不断减少，导致工质在冷凝器与吸收器中放出的热量不断降低。尽管供热水在加热器中吸收了更多的热量，但热泵循环向外输出的总热量却不断降低，导致热泵循环净放热量、热泵性能系数、集成系统循环效率逐渐下降。热泵循环输出热量的减小直接影响了热泵循环的供热能力㶲，但对集成系统的㶲效率影响较小。

3.2.4 精馏塔回流比对系统性能的影响

精馏塔回流比对系统性能的影响如图8、图9所示，随着精馏塔回流比从0.2增加到0.6，更多的冷凝氨液回流至精馏塔内，意味着氨水工质在再沸器中将吸收更多的热量，进而使得精馏塔内产生更多的氨蒸气，导致氨蒸气在冷凝器中放出的热量不断增加。因为精馏塔回流比对CH-CAES 系统没有影响，CH-CAES 系统循环效率、输入热泵循环的总热量不发生改变，则供热水在加热器中吸收的热量随导热油在再热器释放热量的增加而减小。同时，随着回流比的增加，流出冷凝器用于供热的氨液逐渐减小，降低了工质在吸收器中放出的热量。综上，虽然随着精馏塔回流比的增加，工质在冷凝器中释放的热量不断增加，但热泵循环输出的总热量不断降低，导致热泵循环净输出热量、热泵性能系数逐渐降低。另一方面，热泵输出总热量的减小导致热泵循环供热能力㶲下降，但从图9中可以看出这种趋势对集成系统的㶲效率影响较小。