趙豫晉

(中國大唐集團科學技術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

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000)

先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)對于電網調峰意義重大，是未來電力工業(yè)重點發(fā)展方向之一。為研究壓氣機轉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，采用集中參數法進行建模，對儲能階段因擾動而產生的響應進行了仿真。結果表明：當轉速增大時，壓氣機出口壓力和溫度升高，效率降低，但各級換熱器內空氣放熱量有所提高；當入口流量增大時，壓氣機出口壓力和溫度降低，效率降低，各級換熱器內空氣放熱量減少。

絕熱壓縮空氣儲能；蓄熱換熱器；動態(tài)響應；集中參數法；仿真模擬

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭與環(huán)境保護的日益嚴格，太陽能、風能等清潔可再生能源得以大規(guī)模開發(fā)，應用前景廣闊。由于可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性的缺點導致其發(fā)電并網困難[1-2]，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術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，采用天然氣燃燒排放CO2等缺點，為此提出先進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，真正實現了污染物的零排放，被認為是電力行業(yè)最具市場潛力的儲能方式[3]。

先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)自從被提出來以后，諸多國內外學者對其進行了研究。Zunft等[4]論證了AA-CAES系統(tǒng)的技術可靠性和經濟可行性；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，對不同結構下的熱力系統(tǒng)進行了計算；韓中合等[6]對蓄熱系統(tǒng)結構布置進行優(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、釋能功率等參數對于系統(tǒng)性能的影響；文獻[8-10]主要集中在熱力模型建立、系統(tǒng)結構改進、參數影響分析等方面，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，采用集中參數法建立仿真模型，分析儲能階段轉速和流量發(fā)生變化時，壓縮與換熱子系統(tǒng)的響應過程，以期能夠對今后發(fā)展壓縮空氣儲能電站運行起到參考和借鑒作用。

1 TICC-500儲能系統(tǒng)與數學模型

1.1 TICC-500儲能系統(tǒng)介紹

TICC-500系統(tǒng)是由清華大學物理化學研究所、中國科學院和中國電力科學研究院共同研究開發(fā)的一種非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)，2014年12月，該系統(tǒng)成功通過了負載測試，并且組建了世界上第一個非補燃壓縮空氣儲能動態(tài)模擬發(fā)電系統(tǒng)。TICC-500系統(tǒng)包括五大關鍵設備：壓縮機、透平機、儲氣罐、蓄熱換熱器、發(fā)電機，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 仿真數學模型

在質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律的基礎上，采用集中參數法建立各個模塊的數學模型。

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

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

2 模型驗證

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

3 仿真分析

3.1 儲能階段轉速擾動分析

3.1.1 壓縮子系統(tǒng)轉速擾動響應過程

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)定運行一段時間后第1級壓氣機給予擾動，壓氣機轉速由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)數據和仿真數據對比Table 1 Comparison of data and simulation data of compression subsystem in actual power plant

圖2 壓氣機轉速擾動響應曲線Fig.2 Response curve of compressor speed disturbance

同時壓氣機出口空氣溫度也有上升，如圖2(b)所示。第1級壓氣機出口空氣溫度增加的原因是由進氣流量和轉速增加導致的，其變化比較迅速；由第2級開始，各級壓氣機的出口空氣溫度不僅受空氣流量的影響而且還受前1級壓氣機出口空氣溫度的變化而變化，而第1級以后的各級壓氣機進出口溫度變化比第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級壓氣機進口溫度不變，因為壓氣機進口溫度是大氣溫度，而其他4級有變化，轉速上升導致后4級壓氣機進口溫度處于上升趨勢，由圖2(c)可以明顯的觀察到后4級的壓氣機進氣溫度擾動后有個突然變小的情況，這是因為第1級壓氣機出口空氣流量和壓力同時增大所導致的，在壓氣機通流面積一定的情況下，壓氣機的轉速增大速度大于流量，導致壓氣機出口流量會有個突然減小的情況，這就導致?lián)Q熱器冷卻工質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；仔細觀察可以發(fā)現每級壓氣機進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是以串聯(lián)的形式工作，前一級會影響后一級；隨著壓氣機進口空氣溫度和流量的增大，會導致壓氣機耗功增加，從總體實際效果來看，見圖2(d)壓氣機效率變化曲線，壓氣機轉速的擾動對整個壓縮系統(tǒng)的運行是不利的，由壓氣機通用曲線[8]可以側面驗證到這些模擬結果是與實際過程是相符合的。

圖3 換熱器轉速擾動響應曲線Fig.3 Speed disturbance response curve of heat exchanger

3.1.2 換熱子系統(tǒng)轉速擾動響應過程

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

壓氣機轉速的擾動導致壓氣機空氣流量的增大，而換熱器中冷卻工質流量保持不變，加上壓氣機出口空氣溫度的升高，勢必會導致各級換熱器內空氣的放熱量增大，其出口冷卻工質溫度升高(見圖3(a))。壓氣機出口空氣溫度變化趨勢有個微小的下降過程，導致各級換熱器的出口冷卻工質對此有響應。由圖3(b)可以看出第1級換熱器出口吸熱工質溫度達到穩(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溫度都處于上升趨勢，如圖4所示，最后達到另外一個穩(wěn)定狀態(tài)，此擾動響應符合理論和實際的運行情況[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，此擾動是在壓氣機轉速和各級換熱器內冷卻工質流量不變的情況下進行的，當系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，各個熱力參數處于不變狀態(tài)。其中第1級壓氣機進口流量由穩(wěn)定時的1 668 kg/h增加到2 200 kg/h。

3.2.1 壓縮子系統(tǒng)流量擾動響應過程

由圖5(a)看到各級壓氣機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。各級壓氣機的出口空氣壓力變化對應于各級壓比的變化，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進氣溫度也有所響應，第1級進氣溫度始終為大氣溫度，第1級以后各級壓氣機溫度都以相對平緩的趨勢下降，級數越大，下降的幅度越大，原因是上1級的壓氣機出口空氣經過換熱器換熱后稱為下1級的進口。

圖5 壓氣機流量擾動響應曲線Fig.5 Response curve of compressor flow disturbance

各級壓氣機的出口溫度經過擾動后都有下降的幅度，見圖5(b)，各級達到穩(wěn)定的時間也不一樣，級數越大，達到穩(wěn)定花費的時間越長。導致壓氣機出口空氣溫度下降的原因是壓氣機的轉速不變而流量又增大，這就相當于出力不變負荷增大，根據多變壓縮過程壓力和溫度的關系式可以得出壓氣機出口溫度下降。

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

如圖5(c)所示，第1級壓氣機進氣溫度始終是大氣溫度，由第2級壓氣機開始進口溫度受前面換熱器換熱的影響導致其有所減小。各級壓氣機的耗功本應減小，但由圖5(d)看出壓氣機的耗功是增大的，其中第1級壓氣機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的耗功影響大于壓氣機進口溫度的影響；且從各級壓氣機效率變化趨勢可以看出各級壓氣機的效率都有所下降，原因是壓氣機的轉速不變，流量增大導致機組偏離了設計工況。

3.2.2 換熱子系統(tǒng)流量擾動響應過程

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溫度也都處于下降趨勢(見圖6(b))，由于壓氣機空氣流量的增大和出口溫度的減小，而換熱器內的冷卻工質流量不變，對于各級換熱器放熱流體的放熱量就減小了，導致各級換熱器出口冷卻工質溫度和焓值下降，進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曲線Fig.7 Flow disturbance response curve of high temperature and medium temperature water tank temperature

4 結論

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

(2) 流量增大，各級壓氣機的出口空氣壓力減小，進出口溫度也會有下降的幅度，轉速不變，流量增大導致機組偏離了設計工況，效率降低。各級換熱器放熱空氣的放熱量減小，進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)