趙豫晉

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000)

TICC-500系統(tǒng)儲能階段動態(tài)熱力特性分析

趙豫晉

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000)

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)對于電網(wǎng)調(diào)峰意義重大，是未來電力工業(yè)重點發(fā)展方向之一。為研究壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和入口流量變化時各子系統(tǒng)的熱力特性，以TICC-500儲能系統(tǒng)為研究對象，采用集中參數(shù)法進(jìn)行建模，對儲能階段因擾動而產(chǎn)生的響應(yīng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，壓氣機(jī)出口壓力和溫度升高，效率降低，但各級換熱器內(nèi)空氣放熱量有所提高；當(dāng)入口流量增大時，壓氣機(jī)出口壓力和溫度降低，效率降低，各級換熱器內(nèi)空氣放熱量減少。

絕熱壓縮空氣儲能；蓄熱換熱器；動態(tài)響應(yīng)；集中參數(shù)法；仿真模擬

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭與環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)格，太陽能、風(fēng)能等清潔可再生能源得以大規(guī)模開發(fā)，應(yīng)用前景廣闊。由于可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性的缺點導(dǎo)致其發(fā)電并網(wǎng)困難[1-2]，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)雖然可以很好地解決上述問題，但是自身也存在諸如沒有對壓縮熱有效利用造成熱量浪費(fèi)，采用天然氣燃燒排放CO2等缺點，為此提出先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用儲熱裝置回收壓縮熱，釋能時利用壓縮熱加熱空氣，儲能效率提高的同時擺脫了對天然氣的依賴，真正實現(xiàn)了污染物的零排放，被認(rèn)為是電力行業(yè)最具市場潛力的儲能方式[3]。

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)自從被提出來以后，諸多國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了研究。Zunft等[4]論證了AA-CAES系統(tǒng)的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)可行性；郭歡等[5]建立了AA-CAES系統(tǒng)各單元模塊和系統(tǒng)熱力模型，對不同結(jié)構(gòu)下的熱力系統(tǒng)進(jìn)行了計算；韓中合等[6]對蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化，提出了帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES；李雪梅等[7]分析了儲氣壓力、釋能功率等參數(shù)對于系統(tǒng)性能的影響；文獻(xiàn)[8-10]主要集中在熱力模型建立、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、參數(shù)影響分析等方面，很少涉及系統(tǒng)動態(tài)熱力特性的研究。

本文以TICC-500系統(tǒng)為研究對象，采用集中參數(shù)法建立仿真模型，分析儲能階段轉(zhuǎn)速和流量發(fā)生變化時，壓縮與換熱子系統(tǒng)的響應(yīng)過程，以期能夠?qū)窈蟀l(fā)展壓縮空氣儲能電站運(yùn)行起到參考和借鑒作用。

1 TICC-500儲能系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型

1.1 TICC-500儲能系統(tǒng)介紹

TICC-500系統(tǒng)是由清華大學(xué)物理化學(xué)研究所、中國科學(xué)院和中國電力科學(xué)研究院共同研究開發(fā)的一種非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2014年12月，該系統(tǒng)成功通過了負(fù)載測試，并且組建了世界上第一個非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能動態(tài)模擬發(fā)電系統(tǒng)。TICC-500系統(tǒng)包括五大關(guān)鍵設(shè)備：壓縮機(jī)、透平機(jī)、儲氣罐、蓄熱換熱器、發(fā)電機(jī)，其系統(tǒng)簡圖如1所示。

圖1 TICC-500系統(tǒng)圖Fig.1 TICC-500 system

1.2 仿真數(shù)學(xué)模型

在質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律的基礎(chǔ)上，采用集中參數(shù)法建立各個模塊的數(shù)學(xué)模型。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：m1、m2為進(jìn)出口質(zhì)量流量，kg/s；V為流道體積，m3；t為時間，s；ρ2為出口工質(zhì)密度，kg/m3；A1、A2為進(jìn)出口通流面積，m2；u1，u2為進(jìn)出口工質(zhì)軸向速度，m/s；P1、P2為進(jìn)出口工質(zhì)壓力，Pa；F為葉片對工質(zhì)的作用力，N；Q為工質(zhì)對外傳熱量，kJ；Ws為消耗軸功，kJ；H1、H2為進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

2 模型驗證

在TICC-500系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真建模，并對系統(tǒng)釋能階段冷態(tài)啟動進(jìn)行了仿真，以最后穩(wěn)定時的仿真值和設(shè)計工況下的參數(shù)進(jìn)行驗證和比較，見表1。由表1可知，模型的仿真值與電站設(shè)計值有較高的吻合度，模型精度均在±3%以內(nèi)，說明仿真模型能夠正確反映機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行過程以及機(jī)組熱力系統(tǒng)動態(tài)特性，所建模型可以被用來進(jìn)行研究。

3 仿真分析

3.1 儲能階段轉(zhuǎn)速擾動分析

3.1.1 壓縮子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速擾動響應(yīng)過程

在擾動前系統(tǒng)的各個階段(儲氣罐除外)都處于穩(wěn)定階段，穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后第1級壓氣機(jī)給予擾動，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速由3 000 r/min瞬間增加到3 100 r/min，其中各級換熱器的冷卻工質(zhì)流量保持不變，通過計算系統(tǒng)流量由原來的1 668 kg/h增加到3 008 kg/h，各級壓氣機(jī)出口壓力有個突然階躍上升，然后增加速度減小，見圖2(a)。

表1 實際電站壓縮子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of data and simulation data of compression subsystem in actual power plant

圖2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速擾動響應(yīng)曲線Fig.2 Response curve of compressor speed disturbance

同時壓氣機(jī)出口空氣溫度也有上升，如圖2(b)所示。第1級壓氣機(jī)出口空氣溫度增加的原因是由進(jìn)氣流量和轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致的，其變化比較迅速；由第2級開始，各級壓氣機(jī)的出口空氣溫度不僅受空氣流量的影響而且還受前1級壓氣機(jī)出口空氣溫度的變化而變化，而第1級以后的各級壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度變化比第1級平緩，主要是因為換熱器金屬有蓄熱能力，金屬的蓄熱變化相對平緩，從而換熱器金屬傳熱也就相對平緩。

此外，第1級壓氣機(jī)進(jìn)口溫度不變，因為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度是大氣溫度，而其他4級有變化，轉(zhuǎn)速上升導(dǎo)致后4級壓氣機(jī)進(jìn)口溫度處于上升趨勢，由圖2(c)可以明顯的觀察到后4級的壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度擾動后有個突然變小的情況，這是因為第1級壓氣機(jī)出口空氣流量和壓力同時增大所導(dǎo)致的，在壓氣機(jī)通流面積一定的情況下，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速增大速度大于流量，導(dǎo)致壓氣機(jī)出口流量會有個突然減小的情況，這就導(dǎo)致?lián)Q熱器冷卻工質(zhì)的冷卻能力相對大于之前空氣的放熱能力，只不過這個過程時間是很短的；仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)每級壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度的階躍程度不一樣，越往后階躍的幅度越大，這是因為各級壓氣機(jī)是以串聯(lián)的形式工作，前一級會影響后一級；隨著壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度和流量的增大，會導(dǎo)致壓氣機(jī)耗功增加，從總體實際效果來看，見圖2(d)壓氣機(jī)效率變化曲線，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動對整個壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行是不利的，由壓氣機(jī)通用曲線[8]可以側(cè)面驗證到這些模擬結(jié)果是與實際過程是相符合的。

圖3 換熱器轉(zhuǎn)速擾動響應(yīng)曲線Fig.3 Speed disturbance response curve of heat exchanger

3.1.2 換熱子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速擾動響應(yīng)過程

圖4 高溫水罐、中溫水罐溫度的轉(zhuǎn)速擾動響應(yīng)曲線Fig.4 Speed disturbance response curve of high temperature and medium temperature water tank temperature

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動導(dǎo)致壓氣機(jī)空氣流量的增大，而換熱器中冷卻工質(zhì)流量保持不變，加上壓氣機(jī)出口空氣溫度的升高，勢必會導(dǎo)致各級換熱器內(nèi)空氣的放熱量增大，其出口冷卻工質(zhì)溫度升高(見圖3(a))。壓氣機(jī)出口空氣溫度變化趨勢有個微小的下降過程，導(dǎo)致各級換熱器的出口冷卻工質(zhì)對此有響應(yīng)。由圖3(b)可以看出第1級換熱器出口吸熱工質(zhì)溫度達(dá)到穩(wěn)定的時間較短，其他級換熱器變化平緩。高溫、中溫水罐的吸熱工質(zhì)溫度都處于上升趨勢，如圖4所示，最后達(dá)到另外一個穩(wěn)定狀態(tài)，此擾動響應(yīng)符合理論和實際的運(yùn)行情況[9]。

3.2 系統(tǒng)儲能階段流量擾動分析

此過程是系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作時給予一個流量增加擾動，此擾動是在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和各級換熱器內(nèi)冷卻工質(zhì)流量不變的情況下進(jìn)行的，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，各個熱力參數(shù)處于不變狀態(tài)。其中第1級壓氣機(jī)進(jìn)口流量由穩(wěn)定時的1 668 kg/h增加到2 200 kg/h。

3.2.1 壓縮子系統(tǒng)流量擾動響應(yīng)過程

由圖5(a)看到各級壓氣機(jī)的壓比都處于減小趨勢，其中第1級下降幅度最大，第5級下降幅度最小。各級壓氣機(jī)的出口空氣壓力變化對應(yīng)于各級壓比的變化，第1級變化趨勢在圖中較小是因為縱坐標(biāo)的影響，第1級相比于其他級出口壓力比較小。由于壓比的減小各級壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度也有所響應(yīng)，第1級進(jìn)氣溫度始終為大氣溫度，第1級以后各級壓氣機(jī)溫度都以相對平緩的趨勢下降，級數(shù)越大，下降的幅度越大，原因是上1級的壓氣機(jī)出口空氣經(jīng)過換熱器換熱后稱為下1級的進(jìn)口。

圖5 壓氣機(jī)流量擾動響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of compressor flow disturbance

各級壓氣機(jī)的出口溫度經(jīng)過擾動后都有下降的幅度，見圖5(b)，各級達(dá)到穩(wěn)定的時間也不一樣，級數(shù)越大，達(dá)到穩(wěn)定花費(fèi)的時間越長。導(dǎo)致壓氣機(jī)出口空氣溫度下降的原因是壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不變而流量又增大，這就相當(dāng)于出力不變負(fù)荷增大，根據(jù)多變壓縮過程壓力和溫度的關(guān)系式可以得出壓氣機(jī)出口溫度下降。

圖6 換熱器流量擾動響應(yīng)曲線Fig.6 Flow disturbance response curve of heat exchanger

如圖5(c)所示，第1級壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度始終是大氣溫度，由第2級壓氣機(jī)開始進(jìn)口溫度受前面換熱器換熱的影響導(dǎo)致其有所減小。各級壓氣機(jī)的耗功本應(yīng)減小，但由圖5(d)看出壓氣機(jī)的耗功是增大的，其中第1級壓氣機(jī)的耗功增加幅度最大，第5級最小，這也就說明流量對壓氣機(jī)的耗功影響大于壓氣機(jī)進(jìn)口溫度的影響；且從各級壓氣機(jī)效率變化趨勢可以看出各級壓氣機(jī)的效率都有所下降，原因是壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，流量增大導(dǎo)致機(jī)組偏離了設(shè)計工況。

3.2.2 換熱子系統(tǒng)流量擾動響應(yīng)過程

流量擾動時，各級換熱器出口空氣溫度都有所下降，第1級和第5級下降趨勢平緩，中間3級相對劇烈(見圖6(a))；各級換熱器出口吸熱介質(zhì)溫度也都處于下降趨勢(見圖6(b))，由于壓氣機(jī)空氣流量的增大和出口溫度的減小，而換熱器內(nèi)的冷卻工質(zhì)流量不變，對于各級換熱器放熱流體的放熱量就減小了，導(dǎo)致各級換熱器出口冷卻工質(zhì)溫度和焓值下降，進(jìn)而使高溫水罐中和溫水罐的溫度都減小(見圖7)。

圖7 高溫水罐、中溫水罐溫度的流量擾動響應(yīng)曲線Fig.7 Flow disturbance response curve of high temperature and medium temperature water tank temperature

4 結(jié)論

(1) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高，系統(tǒng)流量增大，各級壓氣機(jī)出口壓力有個突然階躍上升，然后增加速度減小，進(jìn)出口空氣溫度也有所上升(第1級壓氣機(jī)進(jìn)口溫度不變)，壓氣機(jī)效率降低，但是各級換熱器內(nèi)空氣的放熱量增大，高溫、中溫水罐的吸熱工質(zhì)溫度都處于上升趨勢。

(2) 流量增大，各級壓氣機(jī)的出口空氣壓力減小，進(jìn)出口溫度也會有下降的幅度，轉(zhuǎn)速不變，流量增大導(dǎo)致機(jī)組偏離了設(shè)計工況，效率降低。各級換熱器放熱空氣的放熱量減小，進(jìn)而使高溫水罐和中溫水罐的溫度都處于下降趨勢。

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DynamicThermalCharacteristicsofTICC-500SystemDuringEnergyStorage

ZHAO Yujin

(Huazhong Branch, China Datang Group Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450000, Henan Province, China)

Advanced adiabatic compressed air energy storage system is of great significance for power grid peaking, and it is one of the key development directions of power industry in the future. In order to study the thermodynamic characteristics of each subsystem when the compressor speed and inlet flow rate change, taking the TICC-500 energy storage system as the research object, this paper uses the lumped parameter method to model the response of the energy storage stage caused by the disturbance. The results show that, when the speed increases, the outlet pressure and temperature of the compressor increase, the efficiency decreases, and the heat release of the air in the heat exchanger at various levels increases; when the inlet flow increases, the outlet pressure and temperature of the compressor decrease, the efficiency decreases, and the heat release of the air in the heat exchanger at various levels decreases.

adiabatic compressed air energy storage; regenerative heat exchanger; dynamic response; lumped parameter method; simulation

TK 02

A

2096-2185(2017)06-0072-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.012

趙豫晉

趙豫晉(1992—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為汽輪機(jī)熱力性能與故障診斷及新能源開發(fā)利用等，zhao_yujin@163.com。

2017-09-12

(編輯 蔣毅恒)