張留淦，周穎馳，孫文兵，葉 楷，陳龍祥,4

（1福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2中國科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究中心，福建 泉州 362200；3福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 泉州 362700；4中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

壓縮空氣儲能(CAES)是一種大規(guī)模、長時間的物理儲能技術(shù)，具有較高的儲能容量和發(fā)電容量，在電力系統(tǒng)調(diào)峰、解決可再生能源間歇性發(fā)電問題等方面發(fā)揮著重要作用[1]。傳統(tǒng)的CAES系統(tǒng)，又稱為非絕熱CAES 系統(tǒng)(D-CAES)，釋能過程中高壓空氣在膨脹發(fā)電前通過燃燒化石燃料來加熱，導(dǎo)致二氧化碳(CO2)排放[2]。因此，絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(A-CAES)引起了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3-4]。在A-CAES 中，使用人造儲罐代替地下洞穴，在儲能階段將空氣壓縮產(chǎn)生的壓縮熱儲存在額外的蓄熱系統(tǒng)(TES)中，用于在釋能階段膨脹之前重新加熱壓縮空氣，避免了化石燃料的消耗。因此其往返效率可達(dá)到70%以上[5]。雖然A-CAES 可以有效利用壓縮空氣產(chǎn)生的壓縮熱，但TES需要額外的地理空間，這使得A-CAES 整體系統(tǒng)體積龐大，且需要昂貴的設(shè)備或材料來存儲壓縮熱，導(dǎo)致CAES系統(tǒng)的投資成本顯著增加[6]。

為了克服傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)的缺點，使CAES系統(tǒng)更加緊湊，通常將CAES與其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，在釋能過程中利用其他形式的熱源來加熱空氣，如太陽能[7]、燃?xì)廨啓C(jī)抽氣回?zé)醄8]、尾氣余熱[9]等，這種形式的D-CAES既可以避免CO2排放，又不需要額外的TES。因此，由于不單獨存儲壓縮熱，在儲能過程中通常采用四級以上的多級壓縮過程壓縮空氣以減少壓縮功的消耗。這就導(dǎo)致空氣壓縮過程產(chǎn)生的低品位壓縮熱直接排放到環(huán)境中，造成大量能量損失。通過余熱回收技術(shù)將這部分能量利用起來可以進(jìn)一步提高CAES系統(tǒng)性能。

有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)保、運(yùn)行成本低，在余熱回收和能源可持續(xù)利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。Meng 等[12]提出了一種ORCCAES 集成系統(tǒng)，利用ORC 回收CAES 系統(tǒng)儲能過程中壓縮熱和釋能過程中的乏氣廢熱，對5種有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，ORC-CAES 系統(tǒng)的循環(huán)效率相比于常規(guī)D-CAES可以提高3.32%～3.95%。蒸汽壓縮制冷(VCR)是一種常用的制冷技術(shù)，同樣因其結(jié)構(gòu)簡單而在制冷領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。將其應(yīng)用到CAES系統(tǒng)中，可以用來降低壓縮機(jī)入口的進(jìn)氣溫度，減小壓縮機(jī)的功耗，從而提高CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率[13]。然而，VCR循環(huán)依賴高品位的電能驅(qū)動，如何降低循環(huán)能耗一直是VCR研究的核心問題。因此，ORC-VCR組合系統(tǒng)被提出，并被認(rèn)為是進(jìn)一步降低功耗，提高能源利用效率的有效解決方案[14]。在ORC-VCR 系統(tǒng)中，ORC 可以將低品位的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，直接驅(qū)動VCR 系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在不消耗外部電能的情況下滿足制冷需求。張偉明等[15]設(shè)計了一種利用ORC-VCR循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱為冷藏車提供冷量的耦合系統(tǒng)，用以減小冷藏車和制冷壓縮機(jī)的功耗。Jiang 等[16]對應(yīng)用于空分過程的ORC-VCR熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，該系統(tǒng)能在設(shè)計條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行，驗證了ORC-VCR 系統(tǒng)的有效性。雖然ORC-VCR組合系統(tǒng)在余熱回收利用方面已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，但目前對于將ORC-VCR組合應(yīng)用于CAES系統(tǒng)回收利用壓縮熱方面的研究還比較匱乏。

因此，本工作提出了一種采用ORC-VCR循環(huán)回收壓縮熱的預(yù)冷式壓縮空氣儲能系統(tǒng)(ORCVCR-CAES)。通過回收壓縮機(jī)組產(chǎn)生的低品位壓縮熱并對壓縮機(jī)組入口空氣進(jìn)行預(yù)冷，可以有效降低壓縮機(jī)組的功耗，提高系統(tǒng)循環(huán)效率。從熱力學(xué)角度對ORC-VCR-CAES系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析、?分析和經(jīng)濟(jì)性分析。為進(jìn)一步提升常規(guī)D-CAES的性能，增強(qiáng)系統(tǒng)能源利用效率提供了一種新的研究思路。

1 系統(tǒng)描述

圖1 為本工作提出的ORC-VCR-CAES 耦合系統(tǒng)儲能過程。該系統(tǒng)與常規(guī)D-CAES系統(tǒng)主要區(qū)別在于儲能過程。在儲能過程中，對于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)，壓縮過程由壓縮機(jī)組和多個冷卻器組成。壓縮機(jī)組由低谷電力驅(qū)動，空氣在經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮之后(3，7，11，15)，溫度和壓力會急劇上升。因此，空氣在進(jìn)入下一級壓縮機(jī)之前由冷卻器冷卻到接近環(huán)境溫度(4，8，12，16)，以降低壓縮機(jī)的功耗。最后，經(jīng)過冷卻后的高壓空氣儲存在儲氣罐內(nèi)。ORC-VCR-CAES 耦合系統(tǒng)在常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)冷卻過程的基礎(chǔ)上，增加了多個發(fā)生器和預(yù)冷器。發(fā)生器用于回收壓縮機(jī)的壓縮熱，預(yù)冷器則是用于在常規(guī)D-CAES系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低壓縮機(jī)入口的溫度(2，6，10，14)，通過ORC-VCR子系統(tǒng)實現(xiàn)熱制冷能量轉(zhuǎn)換過程。

圖1 ORC-VCR-CAES系統(tǒng)儲能過程Fig.1 Schematic diagram of energy storage process of the ORC-VCR-CAES system

ORC-VCR 子系統(tǒng)由ORC 和VCR 兩個熱力循環(huán)組成。在ORC 循環(huán)中，液態(tài)有機(jī)工質(zhì)(1b)首先被ORC泵加壓，然后在發(fā)生器1～4中吸收壓縮機(jī)組的壓縮熱(4b，6b，8b，10b)完成氣化。之后，高溫高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)在ORC 膨脹機(jī)中膨脹，膨脹后的有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中冷凝至液態(tài)。VCR與ORC 共用一個冷凝器，以減少系統(tǒng)成本。在VCR循環(huán)中，冷凝器出口的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)(1c)通過節(jié)流閥節(jié)流至氣液兩相區(qū)(2c)，隨后，在預(yù)冷器中蒸發(fā)以產(chǎn)生冷量。在本系統(tǒng)中，預(yù)冷器1～4 被視為蒸發(fā)器，因此，預(yù)冷器進(jìn)口的壓縮空氣會被冷卻至環(huán)境溫度或更低。預(yù)冷器1～4 出口的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)混合后(11c)在制冷壓縮機(jī)中壓縮，并通過冷凝器冷凝至液態(tài)，以形成一個完整的循環(huán)。

ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)釋能過程與常規(guī)DCAES 系統(tǒng)一致，如圖2 所示，儲氣罐內(nèi)的高壓空氣首先通過節(jié)流閥降壓(19)，以保持高壓膨脹機(jī)的入口壓力恒定。節(jié)流后的高壓空氣在預(yù)熱器1中預(yù)熱，以提高高壓空氣的溫度(20)，從而提升膨脹機(jī)的輸出功率。預(yù)熱器1、2 的熱量來自于燃煤電廠的排氣余熱，高壓膨脹機(jī)出口的空氣仍有一定的壓力，因此，在預(yù)熱器2中加熱后繼續(xù)在低壓膨脹機(jī)中膨脹以輸出更多的電力。

圖2 ORC-VCR-CAES系統(tǒng)釋能過程Fig.2 Schematic diagram of energy release process of the ORC-VCR-CAES system

2 系統(tǒng)分析方法

2.1 基本假設(shè)

采用MATLAB 仿真軟件對壓縮空氣儲能系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)和蒸汽壓縮循環(huán)進(jìn)行程序模擬和計算，并通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的REFPROP熱物性計算軟件獲取系統(tǒng)所有工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)。為簡化提出的ORC-VCR-CAES系統(tǒng)模型，本工作做出以下假設(shè)：

（1）空氣由78.12%的氮氣、20.96%的氧氣和0.92%的氬氣組成。

（2）環(huán)境溫度和環(huán)境壓力分別為25 ℃和101.3 kPa。

（3）連接所有部件的管道中的熱壓損失忽略不計。

（4）系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，忽略所有動能和勢能效應(yīng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 能量分析模型壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的等熵效率定義為：

式中，hin和hout分別表示壓縮機(jī)或膨脹機(jī)的進(jìn)口和出口處的氣體比焓；下標(biāo)iso 表示等熵比焓。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的功率計算如下：

式中，?為壓縮機(jī)或膨脹機(jī)入口處的氣體質(zhì)量流量。

換熱器中熱流體與冷流體換熱能量守恒方程可計算為：

式中，下標(biāo)hot 和cold 表示換熱器的熱流體和冷流體。

循環(huán)效率(RTE)是評價能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)，定義為系統(tǒng)釋能過程凈輸出能量與儲能過程凈輸入能量的比值：

式中，Wcom為壓縮機(jī)組的輸入功；Wexp為膨脹機(jī)組的輸出功；WORC-VCR為ORC-VCR 循環(huán)的輸出功，若其為負(fù)值，則代表輸入功。

2.2.2 ?分析模型

?分析基于熱力學(xué)第二定律，可以比能量分析提供更有意義和有價值的信息，以揭示系統(tǒng)能量利用的全過程。在本系統(tǒng)中，工質(zhì)的組分在充放電過程中沒有發(fā)生化學(xué)變化，因此只考慮工質(zhì)的物理?，狀態(tài)點i處的工質(zhì)的?可表示為：

式中，s為工質(zhì)的比熵；下標(biāo)0 表示環(huán)境狀態(tài)(25 ℃，101.3 kPa)。

系統(tǒng)部件的?平衡方程可表示為：

式中，ExQ和ExW為設(shè)備輸入或輸出的熱量?和機(jī)械?；ExD為設(shè)備的?損失。由于系統(tǒng)釋能過程中的外部熱源采用的是電廠廢熱，可以被視為免費(fèi)利用。當(dāng)需要考慮廢熱的能量輸入時，系統(tǒng)?效率可計算為：

式中，Exwaste為系統(tǒng)釋能過程中外部廢熱能量輸入。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)性分析模型

經(jīng)濟(jì)分析對評價兩種CAES 系統(tǒng)具有重要意義。兩種系統(tǒng)的投資成本主要區(qū)別在于壓縮機(jī)組和冷卻器改變的成本以及耦合ORC-VCR系統(tǒng)增加的成本。項目初始投資總成本(INC)定義為：

式中，Chex為換熱器的成本；Ctank為儲氣罐的成本；CORC-VCR為ORC-VCR 系統(tǒng)的總成本，對于常規(guī)DCAES系統(tǒng)來說，CORC-VCR=0。系統(tǒng)設(shè)備投資成本計算方法見附錄表A1。

采用凈現(xiàn)值(NPV)和動態(tài)投資回收期(DPP)[17]來評估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。凈現(xiàn)值是項目未來現(xiàn)金流入與流出的差值，定義為：

式中，n為項目生命周期；AIi為第i年的現(xiàn)金流入；d為貼現(xiàn)率。

動態(tài)投資回收期是考慮資金的時間價值時收回初始投資所需的時間，可表示為：

對于一個項目來說，DPP 值越低，NPV 值越高，項目的經(jīng)濟(jì)效益越好。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 系統(tǒng)性能分析

ORC-VCR循環(huán)的性能主要取決于有機(jī)工質(zhì)的熱物理性質(zhì)，因此需要選擇合適的有機(jī)工質(zhì)以獲取最佳的系統(tǒng)性能提升。本工作對一些常見的純組分和混合組分有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行了對比研究，系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表1。設(shè)計CAES 系統(tǒng)規(guī)模為50 MW/200 MWh，釋能過程中電廠廢氣溫度為175 ℃[18]。

表1 ORC-VCR-CAES系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters for the ORC-VCR-CAES system

表2給出了相關(guān)有機(jī)工質(zhì)的主要特性數(shù)據(jù)，不同工質(zhì)的臨界溫度不同，ORC 循環(huán)輸出功受發(fā)生器內(nèi)有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)壓力影響，通過改變發(fā)生器出口空氣溫度使發(fā)生器內(nèi)空氣與有機(jī)工質(zhì)的對流傳熱滿足換熱器夾點限制。圖3為采用不同有機(jī)工質(zhì)的ORC-VCR-CAES 能夠?qū)崿F(xiàn)的最大循環(huán)效率。從圖中可以看出，循環(huán)效率最高的3 種工質(zhì)分別為R134a、R152a、R32。其中，采用R134a 的系統(tǒng)循環(huán)效率最高，但R134a的GWP值高達(dá)1370，根據(jù)相關(guān)法規(guī)將逐步被淘汰。其次為R152a，循環(huán)效率與R134a幾乎相等。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，R152a具有較低的GWP 值(133)，且其價格低于R134a，因此可以作為R134a 的替代品。雖然R32 價格很低，其循環(huán)效率也可接受，但其的GWP值為716，且安全性低于R152a。綜上所述，本研究選取采用R152a作為ORC-VCR循環(huán)的工質(zhì)，因為R152a具有優(yōu)良的制冷性能和環(huán)境可接受的特性，但在使用過程中也必須采取嚴(yán)格的措施以避免火災(zāi)和爆炸。

表2 不同有機(jī)工質(zhì)的主要特性對比[19]Table 2 Comparison of main characteristics of different organic working substances

為了進(jìn)一步分析ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的性能，給出了系統(tǒng)主要狀態(tài)點的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，見表3。其中，狀態(tài)點1～23表示的工質(zhì)為空氣，狀態(tài)點1b～12b、1c～12c 表示的工質(zhì)為R152a。需要注意的是，由于預(yù)冷器出口空氣溫度為25 ℃，與環(huán)境溫度相等，因此預(yù)冷器1實際上是不需要的，本工作后續(xù)的研究分析也不包括預(yù)冷器1。

表3 ORC-VCR-CAES系統(tǒng)中主要工質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 3 Thermodynamic data for main working fluid in ORC-VCR-CAES system

表4 為兩個CAES 系統(tǒng)的仿真對比結(jié)果，其中正值表示輸出功率，負(fù)值表示輸入功率。由于壓縮機(jī)組入口空氣溫度的降低，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的壓縮機(jī)組功率比常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)減少了1.76 MW，且ORC-VCR系統(tǒng)增加了3.55 MW的功率輸出，使得ORC-VCR-CAES系統(tǒng)充電過程總輸入功率為51.96 MW，系統(tǒng)循環(huán)效率為64.15%，比常規(guī)D-CAES系統(tǒng)提高了5.94%。此外，當(dāng)釋能過程中廢熱利用不視為免費(fèi)時，需要考慮外部廢熱能量輸入，此時ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的?效率為51.90%，比常規(guī)D-CAES提高了4.81%。

表4 兩種CAES系統(tǒng)的性能對比Table 4 Comparison with performance of two CAES systems

3.2 ?分析

為了更全面地展示ORC-VCR-CAES系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞情況，圖4 給出了使用R152a 作為ORCVCR 循環(huán)有機(jī)工質(zhì)的ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)在設(shè)計工況下的充電過程?流圖?？梢钥闯觯琌RCVCR-CAES 系統(tǒng)充電過程的總輸入?為311.78 MWh，其中234.03 MWh 的?被壓縮空氣回收，7.5 MWh的?被冷卻水回收，系統(tǒng)充電過程總?損失為70.25 MWh。其中壓縮機(jī)組的?損失占比最大，為35.7 MWh。而對于常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)來說，系統(tǒng)充電過程的總輸入?為343.62 MWh，其中234.03 MWh的?被壓縮空氣回收，系統(tǒng)充電過程總?損失為109.59 MWh。常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)壓縮機(jī)組的?損失與ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)相近，其充電過程大部分?損失由冷卻器組產(chǎn)生。因此，通過耦合ORC-VCR循環(huán)回收壓縮熱的CAES系統(tǒng)可以有效減少冷卻器的?損失，但壓縮機(jī)組的?損失仍然較大，是耦合系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵設(shè)備。

圖4 ORC-VCR-CAES系統(tǒng)充電過程?流圖Fig.4 Exergy flow diagram of the ORC-VCR-CAES system in the charging process

3.3 參數(shù)分析

3.3.1 預(yù)冷器蒸發(fā)溫度的影響

預(yù)冷器蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)充電過程輸入功率的影響如圖5所示。隨著預(yù)冷器蒸發(fā)溫度的提高，壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度相應(yīng)提高，導(dǎo)致壓縮機(jī)組消耗功率逐漸增加。由于壓縮機(jī)的壓比保持不變，因此壓縮機(jī)出口空氣溫度也會升高，使得ORC 循環(huán)熱源溫度增加，輸出功率也隨之增加。此外，預(yù)冷器蒸發(fā)壓力也同樣隨著預(yù)冷器蒸發(fā)溫度的增加而增加，而冷凝器冷凝壓力保持不變，制冷壓縮機(jī)進(jìn)出口壓比減小，導(dǎo)致VCR 循環(huán)功率消耗減小。因此，ORCVCR 循環(huán)輸出功率呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，其負(fù)值表示VCR-ORC循環(huán)需要消耗的功率。當(dāng)蒸發(fā)溫度較低時，ORC-VCR循環(huán)增加的輸出功率大于壓縮機(jī)組增加的輸入功率，系統(tǒng)充電過程總輸入功率減小。隨著蒸發(fā)溫度的增加，系統(tǒng)總輸入功率降低到最小值，然后開始反彈，此時壓縮機(jī)組增加的功率消耗開始大于ORC-VCR 循環(huán)輸出的功率。因此，系統(tǒng)循環(huán)效率會隨著蒸發(fā)溫度的增加先上升后下降，當(dāng)預(yù)冷器蒸發(fā)溫度為15 ℃時，系統(tǒng)循環(huán)效率最高，如圖6 所示。ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)?效率變化趨勢與循環(huán)效率一致，同樣隨著蒸發(fā)溫度的增加先上升后下降。

圖5 預(yù)冷器蒸發(fā)溫度對充電過程輸入功率的影響Fig.5 Effect of evaporation temperature of precooler on input/output power of different subsystems

圖6 預(yù)冷器蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響Fig.6 Effect of evaporation temperature of precooler on system cycle efficiency

3.3.2 環(huán)境溫度的影響

冷卻器出口空氣的溫度與環(huán)境溫度有關(guān)，且VCR 制冷循環(huán)的性能受冷凝器冷凝溫度的影響，而冷凝溫度又依賴于環(huán)境溫度，因此有必要分析環(huán)境溫度的變化對ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的影響。圖7為廣東省廣州市2022年1～12月份平均環(huán)境溫度的變化趨勢，其中2 月份的平均環(huán)境溫度最低，為12.3 ℃。7 月份的平均環(huán)境溫度最高，為30.4 ℃。在此基礎(chǔ)上計算了常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)和ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)在1～12 月份的平均循環(huán)效率變化趨勢，如圖8所示。

圖7 廣東省廣州市2022年1—12月份平均環(huán)境溫度Fig.7 The average ambient temperature from January to December 2022 in Guangzhou,Guangdong Province

結(jié)合圖7、圖8 可以看出，常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)和ORC-VCR-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率均隨著環(huán)境溫度的升高而降低。對于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)，環(huán)境溫度越高，壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫度越高，壓比不變，因此消耗的功率越高。而ORC-VCR-CAES系統(tǒng)由于引入了ORC-VCR循環(huán)，在預(yù)冷器蒸發(fā)溫度不變的情況下，壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度不變，壓縮機(jī)組消耗的功率不變。但是ORC循環(huán)輸出的功率和VCR循環(huán)消耗的功率會隨著冷凝器冷凝溫度的提高而分別減小和增大，導(dǎo)致充電過程中ORC-VCR循環(huán)輸出功率減小，系統(tǒng)總輸入功率增加，因此ORC-VCRCAES系統(tǒng)的循環(huán)效率也呈現(xiàn)下降趨勢。但不論環(huán)境溫度如何變化，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)循環(huán)效率始終比常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)高5%以上。另一方面，由于兩個CAES系統(tǒng)的壓縮功耗和釋能過程中的外熱源能量輸入均隨環(huán)境溫度的變化而變化，使得兩個CAES系統(tǒng)的?效率對環(huán)境溫度的變化不敏感。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

雖然ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)相比于常規(guī)DCAES 系統(tǒng)在循環(huán)效率上有顯著提升，但是ORCVCR 系統(tǒng)的集成會帶來額外的投資成本。因此，有必要對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以評估耦合ORCVCR 系統(tǒng)是否有利于常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)的發(fā)展。本節(jié)將對假設(shè)運(yùn)行在廣東省的兩種CAES系統(tǒng)案例進(jìn)行對比分析。兩個CAES系統(tǒng)的支出包括系統(tǒng)投資成本和運(yùn)維成本，收入為調(diào)峰發(fā)電收入。表5列出了兩種CAES項目的經(jīng)濟(jì)性相關(guān)參數(shù)，項目的運(yùn)行周期設(shè)置為30 年，每年運(yùn)行350 次，系統(tǒng)運(yùn)維成本為初始投資成本的6%，貼現(xiàn)率為5%，峰谷電價參考廣東省珠三角五市分時電價。

表5 兩種CAES項目的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)Table 5 Economic parameters of two CAES projects

圖9 為兩個CAES 系統(tǒng)部件的投資成本對比，可以看出，渦輪機(jī)械(壓縮機(jī)組、膨脹機(jī)組)的投資成本是CAES系統(tǒng)投資成本的主要部分。兩個系統(tǒng)的儲氣罐和膨脹機(jī)組投資成本相同，但是ORCVCR-CAES 系統(tǒng)壓縮機(jī)組的投資成本低于常規(guī)DCAES系統(tǒng)，這得益于壓縮機(jī)組功率的降低。此外，ORC-VCR-CAES系統(tǒng)的換熱器(冷卻器、預(yù)熱器)成本也略低于常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)，這是因為ORCVCR-CAES系統(tǒng)的壓縮機(jī)組的入口空氣溫度降低，相應(yīng)的出口溫度也會降低，使得冷卻器換熱量減少，成本降低。ORC-VCR系統(tǒng)的總成本低于壓縮機(jī)組的15%，這是因為ORC-VCR子系統(tǒng)的渦輪機(jī)械功率遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)組。由此可見，將ORC-VCR循環(huán)與CAES系統(tǒng)耦合并不會帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

圖9 兩種CAES系統(tǒng)部件的投資成本對比Fig.9 Comparison of investment cost of two CAES system components

表6 給出了兩種CAES 項目的經(jīng)濟(jì)性結(jié)果進(jìn)行了對比，從表中可以看出，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)總成本為20 346 萬元，相比于常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)增加了399 萬元，相應(yīng)的年度運(yùn)維成本增加了24 萬元。但ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)循環(huán)效率的顯著提升使得年度電力支出相比于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)減少了334萬元。電力收入方面，考慮到廢熱通常采用ORC 循環(huán)發(fā)電利用，因此將外部輸入的廢熱量轉(zhuǎn)換為ORC 循環(huán)發(fā)電量從電力收入中扣除。在這種情況下，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期比常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)縮短了0.58 年。動態(tài)投資回收期越短，說明項目能夠?qū)崿F(xiàn)盈利的時間越短，項目凈現(xiàn)值越高。在30年的項目運(yùn)行周期內(nèi)，ORC-VCR-CAES系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為51 914萬元，比常規(guī)D-CAES系統(tǒng)增加了12.48%。

表6 兩種CAES項目的經(jīng)濟(jì)性結(jié)果對比Table 6 Comparison of economic results of two CAES projects

CAES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與峰谷電價有關(guān)，圖10展示了不同低谷電價下的常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)和ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期和項目凈現(xiàn)值。假設(shè)高峰電價一定，低谷電價越高代表峰谷電價差越小。當(dāng)?shù)凸入妰r從0.20 元增加到0.40 元時，常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)動態(tài)投資回收期從5.09 年增長到12.96 年，而ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)從4.96年增長到10.44 年。ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)項目凈現(xiàn)值相比于常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)的增加百分比從5.07%提升到35.77%。因此，ORC-VCR-CAES系統(tǒng)在峰谷電價差較小時相比于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢更明顯。

圖10 不同低谷電價下的兩種CAES系統(tǒng)動態(tài)投資回收期和項目凈現(xiàn)值Fig.10 Dynamic payback period and project net present value of two kinds of CAES system under different valley price

4 結(jié) 論

本工作提出了一種利用ORC-VCR循環(huán)回收壓縮熱的預(yù)冷式CAES系統(tǒng)，通過回收CAES系統(tǒng)儲能過程中壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱來對壓縮機(jī)入口空氣進(jìn)行預(yù)冷，從而降低壓縮機(jī)組的功耗，提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。對耦合系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，主要結(jié)論如下：

（1）ORC-VCR 循環(huán)性能受其工作介質(zhì)的影響，對6 種不同工質(zhì)進(jìn)行了研究分析，建議采用R152a作為循環(huán)工作介質(zhì)，此時ORC-VCR-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率為64.15%，顯著高于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)(58.21%)。當(dāng)廢熱不視為免費(fèi)時，系統(tǒng)?效率為51.90%，同樣明顯優(yōu)于常規(guī)D-CAES(47.09%)。

（2）?分析結(jié)果表明通過壓縮熱的回收可以顯著減小CAES系統(tǒng)冷卻器的?損失，但壓縮機(jī)組的?損失并沒有降低，需要進(jìn)一步優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。

（3）壓縮機(jī)入口空氣溫度受預(yù)冷器蒸發(fā)溫度的影響。隨著預(yù)冷器蒸發(fā)溫度的增加，壓縮機(jī)組功耗和ORC-VCR循環(huán)輸出功均增加，系統(tǒng)循環(huán)效率和?效率均先增加后減小。

（4）隨著環(huán)境溫度的升高，ORC-VCR-CAES系統(tǒng)和常規(guī)D-CAES系統(tǒng)循環(huán)效率均降低。但不論環(huán)境溫度如何變化，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)循環(huán)效率始終比常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)高5%以上。兩個CAES系統(tǒng)的?效率對環(huán)境溫度的變化不敏感。

（5）經(jīng)濟(jì)性分析表明，當(dāng)峰谷電價為1.26 元和0.30元時，ORC-VCR-CAES系統(tǒng)項目凈現(xiàn)值為51 914 萬元，在常規(guī)D-CAES 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高了12.48%。系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益受峰谷電價差的影響，峰谷電價差越小，ORC-VCR-CAES 系統(tǒng)相比于常規(guī)D-CAES系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益提升越高。