明珈輝，吳偉亮

新型氫氧分級燃燒循環(huán)儲能系統(tǒng)

明珈輝，吳偉亮

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

針對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電存在波動性的問題，基于對電解水和簡單氫氧循環(huán)構(gòu)成的儲能系統(tǒng)效率受限原因分析，提出了一種結(jié)合電解高壓水和高溫高壓渦輪熱力循環(huán)技術(shù)的新型儲能系統(tǒng)構(gòu)架。該系統(tǒng)通過高壓水電解技術(shù)，將可再生能源在用電低谷期發(fā)出的電能轉(zhuǎn)化為氫氣、氧氣的化學能和壓力能儲存；在電網(wǎng)用電高峰期，將高壓氫氣和氧氣通入燃燒室進行分級燃燒，生成的蒸汽進入渦輪膨脹做功，所發(fā)電力補充回電網(wǎng)。分析計算表明，改進的新型儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率比簡單氫氧循環(huán)構(gòu)成的儲能系統(tǒng)效率提升約6%，效率增幅超過15%。

可再生能源；儲能；電解水；氫氣；熱力循環(huán)；分級燃燒；效率

面對傳統(tǒng)化石燃料帶來的能源危機和環(huán)境污染問題，開發(fā)清潔可再生能源已成為全球共識[1-2]。近年來，以風能、太陽能為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速[3]，然而由于風力變化、晝夜交替等因素影響，可再生能源電站的電力輸出存在較大的間歇性波動，這種波動不僅難以滿足大型工業(yè)和現(xiàn)代化城市的發(fā)展需求，也會對電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成威脅[4]。儲能系統(tǒng)可以將可再生能源的富余發(fā)電以一定方式儲存，并在需要時提取使用，起到平滑波動、削峰填谷的作用，是發(fā)展可再生能源發(fā)電的必要輔助系統(tǒng)[5]。

在目前的儲能系統(tǒng)中，抽水蓄能是應用最廣泛的技術(shù)之一。作為一種物理儲能技術(shù)，抽水蓄能電站將電網(wǎng)低負荷時多余的電能轉(zhuǎn)化為水的勢能并儲存，在高負荷時將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能，具有技術(shù)成熟、污染小、效率高、容量大、儲能周期長等優(yōu)點。聶金峰[6]建立了抽水蓄能與火電機組聯(lián)合運行模型，并對模型進行優(yōu)化，提高了電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。但是抽水蓄能系統(tǒng)對地理環(huán)境的要求高，選址困難，且初期投資巨大，建設(shè)周期長[7]。電化學儲能是另一種應用較廣泛儲能技術(shù)，它通過可逆的化學反應，以電池的形式來儲存或釋放電能，其特點是能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高、建設(shè)周期短、選址不受限制[8]。李建林等[9]提出了基于區(qū)間層次分析法的電化學儲能方案，針對不同工況下的需求，選取合適的電池系統(tǒng)和儲能方案，可用于發(fā)電量10MW的光伏電站中。然而，電化學儲能由于容量小，發(fā)電功率有限，同時在電池的制造、使用過程中會對環(huán)境造成潛在壓力，目前難以在大型電站中應用。相比以上2種儲能技術(shù)，氫作為一種二次能源，具有能量密度高、產(chǎn)物無污染、可再生等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，可用作新型儲能系統(tǒng)的優(yōu)良載體。

氫儲能技術(shù)主要由制氫技術(shù)、儲氫技術(shù)和氫能利用技術(shù)三部分組成。其中，制氫技術(shù)主要采用電解水方式，包括堿性電解、固體聚合物電解、固體氧化物電解等，電解制氫效率一般在40%～60%[10]。儲氫技術(shù)主要采用高壓氣態(tài)儲存的方式，將電解產(chǎn)生的氫氣加壓儲存在特定罐體中。對于氫能利用技術(shù)，近年來燃料電池發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，以其污染小、裝置靈活、效率高等優(yōu)點，引起廣泛關(guān)注。目前美、日、德等國家對氫燃料電池的研究已進入商業(yè)應用階段[11]。與氫燃料電池發(fā)電技術(shù)相比，氫氧熱力循環(huán)發(fā)電技術(shù)憑借系統(tǒng)容量大、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等特點，可用于大規(guī)?？稍偕茉措娬局小baid、Hammad等人[12]設(shè)計了光伏-氫能混合電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能光伏組件、電解水組件和燃氫燃氣輪機組成，輸出功率達100 MW，具有一定的經(jīng)濟性和可持續(xù)性。2018年1月，日本在神戶建成世界首個氫能市政供電設(shè)施，實現(xiàn)了氫氧熱力循環(huán)發(fā)電的商業(yè)化[13]。然而，傳統(tǒng)的基于簡單氫氧熱力循環(huán)的儲能系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)換效率低的問題，需做進一步的改進。

本文分析了傳統(tǒng)的利用電解水技術(shù)、儲氫技術(shù)和氫氧熱力循環(huán)發(fā)電技術(shù)的儲能系統(tǒng)中影響儲能效率的主要因素，提出了在制氫和氫能利用階段分別采用電解高壓水和氫氧分級燃燒技術(shù)的改進措施，并對新構(gòu)建的儲能系統(tǒng)性能進行理論計算和性能分析。

1 簡單氫氧熱力循環(huán)的儲能系統(tǒng)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1為簡單氫氧熱力循環(huán)儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。儲能系統(tǒng)由電解水系統(tǒng)、氫氧儲存系統(tǒng)和氫氧熱力循環(huán)系統(tǒng)3部分組成。系統(tǒng)的整體工作方式為：通過電解水系統(tǒng)生成氫氣和氧氣，將可再生能源產(chǎn)生的富余電能轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的化學能并加以儲存。當電網(wǎng)需要電力補充時，將儲存的氫氣和氧氣通入氫氧熱力循環(huán)系統(tǒng)，將氫能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能輸出。

圖1 簡單氫氧熱力循環(huán)的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of the energy storage system with simple hydrogen-oxygen thermodynamic cycle

作為氫能在傳統(tǒng)渦輪熱力循環(huán)中的應用，國內(nèi)外主要采用簡單氫氧循環(huán)方式[14-15]，如圖2所示。該循環(huán)將壓縮儲存的氫氣、氧氣等當量通入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，經(jīng)過必要的冷卻后推動渦輪做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。從渦輪出來的水蒸氣經(jīng)冷凝器冷卻后，一部分通入燃燒室對熱蒸汽進行冷卻，另一部分經(jīng)過一定處理返回電解池再利用。簡單氫氧循環(huán)可以看作以氫氣、氧氣為燃料體系，將燃氣輪機與蒸汽輪機技術(shù)串聯(lián)結(jié)合成的熱力循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 簡單氫氧循環(huán)系統(tǒng)

1.2 性能計算

根據(jù)熱力學計算，簡單氫氧循環(huán)系統(tǒng)中壓氣機耗功為

進入該循環(huán)系統(tǒng)的熱量由氫氧燃燒提供，

式中，LHV為氫氣的低位熱值，kJ/kg。

由于氫氣的熱值高，為了防止渦輪過熱損壞，必須加入一定量的冷卻水對燃燒產(chǎn)物進行降溫。

冷卻水量的計算式為

系統(tǒng)的渦輪做功為

忽略給水泵對水的壓縮耗功，簡單氫氧熱力循環(huán)系統(tǒng)的效率為

式中，渦輪做功T與壓氣機耗功C的差表示循環(huán)系統(tǒng)輸出的有用功。

整個儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率可表示為

式中：e為水電解制氫效率，本文取40%~60%；m和g分別為機械效率和發(fā)電機效率，通常可 達99%。

儲能系統(tǒng)的運行參數(shù)設(shè)定見表1，圖3給出了渦輪進口壓力為5MPa、進口溫度為1 273~1 673K時儲能系統(tǒng)的整體效率隨電解效率和氫氧循環(huán)中燃燒室溫度的關(guān)系。由圖3可見，當電解水效率或氫氧燃燒室的溫度增加時，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率提高。但是，即使當水的電解制氫效率高達60%且氫氧燃燒室處于極限溫度1 673 K的條件下，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率僅為33.4%。通過分析可知，制約傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的因素是冷卻水會對熱蒸汽冷卻過程產(chǎn)生一定?損失。在燃燒室溫度為1 673 K時，計算得到冷卻?損失占系統(tǒng)總損失的54.5%，冷卻?損失導致系統(tǒng)整體循環(huán)效率偏低[16-17]。此外，計算表明壓氣機對氫氣與氧氣的壓縮耗功約占渦輪做功的20%，大幅影響了循環(huán)系統(tǒng)輸出有用功，也使循環(huán)效率偏低。基于此，本文提出采用高壓電解技術(shù)與氫氧分級燃燒技術(shù)提高能量轉(zhuǎn)換效率的新型儲能系統(tǒng)構(gòu)架。

表1 儲能系統(tǒng)運行參數(shù)

Tab.1 Operation parameters of the energy storage system

圖3 基于簡單氫氧循環(huán)的儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率

2 新型電解高壓水與氫氧分級燃燒循環(huán)儲能系統(tǒng)

2.1 新型儲能系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

李俊榮等[18]對高壓質(zhì)子交換膜水電解（PEM）技術(shù)進行研究，產(chǎn)生的氫氣與氧氣壓力可達5 MPa，且電解壓力的提高對制氫效率的影響不大，能夠滿足實際應用需要。Sartory等人[19]將高壓PEM的電解壓力提高至15.5 MPa，直接產(chǎn)生相應壓力的氫氣。以電解高壓水的方式產(chǎn)生氫氣和氧氣，用液態(tài)水增壓過程取代壓縮氫氣與氧氣過程，省去氣體壓縮功耗，有效提高儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。然而，相比常壓電解，PEM高壓水電解產(chǎn)生的氣體純度會隨電解壓力的增加而降低，需要進行相應純化處理，增加了工序和成本。

此外，針對簡單氫氧循環(huán)系統(tǒng)部分冷卻?損失過大的情況，本文擬采用分級燃燒代替簡單氫氧循環(huán)的方式。徐鴻和荊汝林等[16]的研究成果表明，在特定工況下采用氫氧分級燃燒可使系統(tǒng)循環(huán)效率提升約4%。Stathopoulos及Sleem等人[20]對氫氧分級燃燒與燃煤鍋爐聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進行了分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)使循環(huán)效率和輸出功率均有所提升?；诖耍疚慕⒌臍溲醴旨壢紵h(huán)如圖4所示。與簡單氫氧循環(huán)相比，該循環(huán)增加了多組燃燒室與渦輪。在該氫氧分級燃燒循環(huán)中，首先將部分氫氣和氧氣加入第1燃燒室，生成高溫高壓水蒸氣，經(jīng)第1級渦輪做功后通入第2燃燒室；在第2燃燒室中再加入一部分氫氣和氧氣燃燒，同時對前一級的水蒸氣再熱，使蒸汽溫度達到與第1級相同的水平；再熱后的蒸汽在第2級渦輪中膨脹做功，之后進入第3燃燒室，進行與前一級類似的燃燒、再熱、做功過程。

圖4 氫氧分級燃燒循環(huán)示意

Fig.4 Schematic diagram of the hydrogen and oxygen staged combustion cycle

與簡單氫氧燃燒相比，氫氧分級燃燒過程會對前一級的水蒸氣再熱，既增加渦輪的輸出功，同時也會使冷卻燃燒室所需的冷卻水量減少，從而降低循環(huán)?損失。整體上膨脹過程向等溫膨脹過程靠攏，有利于提高熱力循環(huán)效率。

2.2 新型儲能系統(tǒng)性能計算

新型儲能系統(tǒng)中氫氧熱力循環(huán)的溫度、壓力等運行參數(shù)與表1基本一致。由于新型儲能系統(tǒng)采用電解高壓水方法，初始參數(shù)中電解壓力由原儲能系統(tǒng)的0.1 MPa變?yōu)?~5 MPa，同時在新型儲能系統(tǒng)中省去原系統(tǒng)中壓氣機的壓縮氣體過程。

進入系統(tǒng)的熱量為

式中，C1、C2、C3分別為3個燃燒室的氫氣和氧氣質(zhì)量流量。

系統(tǒng)總輸出功為：

由于高壓電解技術(shù)回避了氫氧熱力循環(huán)中的壓縮氣體功C，因此氫氧分級燃燒系統(tǒng)的循環(huán)效率直接表示為總輸出功與進入系統(tǒng)熱量之比

儲能系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率仍用式(6)表示。

3 新型儲能系統(tǒng)性能分析

在電解制氫效率為60%、電解壓力為5 MPa時，新型儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)的氫氧熱力循環(huán)效率對比和能量轉(zhuǎn)換效率對比曲線如圖5所示。由圖5可見，氫氧燃燒室溫度在1 273～1 673 K時，熱力循環(huán)效率從簡單氫氧循環(huán)時的44.1%~55.6%提高到采用分級燃燒循環(huán)的57.5%~65.5%，熱力循環(huán)效率增加約10%，增幅約達20%。儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率也從26.5%~33.4%提高到33.2%~39.3%，能量轉(zhuǎn)換效率增加約6%，增幅超過15%。

圖5 氫氧分級燃燒與簡單氫氧循環(huán)系統(tǒng)效率對比

與傳統(tǒng)簡單氫氧循環(huán)的儲能系統(tǒng)相比，新型儲能系統(tǒng)省去壓縮耗功，使熱力循環(huán)輸出的有用功增加；而分級燃燒減少了燃燒熱量的散失，使冷卻?損失降低。在電解壓力為5 MPa、氫氧燃燒室溫度為1 673 K的工況下，新型儲能系統(tǒng)在該工況下的輸出有用功增加了10.4%，同時冷卻?損失降低了8.7%，說明在實際生產(chǎn)應用過程中，高壓電解技術(shù)和氫氧分級燃燒對儲能系統(tǒng)的性能有明顯提升。

圖6表示電解壓力為5 MPa、電解效率為40%~60%時，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率隨氫氧燃燒室溫度變化曲線。由圖6可見，隨著電解水效率的增大，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高。同時，能量轉(zhuǎn)換效率也隨氫氧燃燒室溫度的提高而升高。對新型儲能系統(tǒng)而言，電解制氫效率為60%，燃燒室溫度從1 273 K增加至1 673 K時，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率由33.1%增大至39.8%，提升超過6%。而受到渦輪葉片材料強度、冷卻技術(shù)等條件制約，燃燒室溫度不能過高。如果渦輪材料及冷卻技術(shù)取得突破，燃燒室的出口溫度會進一步提高，該儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率將會更高。

圖6 不同電解效率下能量轉(zhuǎn)換效率與燃燒室溫度關(guān)系曲線

圖7給出了氫氧燃燒室溫度在1 673 K時，40%~60%的電解效率下儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率隨電解壓力的變化關(guān)系。

圖7 不同電解效率下能量轉(zhuǎn)換效率與電解壓力關(guān)系曲線

由圖7可見：隨著電解壓力的增加，儲能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率有所提高。電解壓力從2 MPa增加到5 MPa，能量轉(zhuǎn)換效率提升約2%。雖然提升幅度不明顯，但電解壓力的提高還會使生成的氫氣和氧氣體積減小，有利于縮小儲氣罐體積。然而，受儲氣罐材料與罐體結(jié)構(gòu)強度的限制，壓力不宜過高。因此在強度允許的條件下，為提高儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，應選取盡可能高的電解壓力。

在經(jīng)濟性和環(huán)保性方面，該儲能系統(tǒng)通過電解產(chǎn)生的氫氣儲存在高壓罐體中，系統(tǒng)容量大，穩(wěn)定性強；儲能系統(tǒng)不受地域限制；以純氫純氧為燃料，燃燒產(chǎn)物為水蒸氣，不會對環(huán)境造成污染，同時做功后的蒸汽經(jīng)處理可以循環(huán)再利用，實現(xiàn)了水的可持續(xù)性利用。

4 結(jié) 論

1）在傳統(tǒng)的電解水和簡單氫氧循環(huán)儲能系統(tǒng)中，壓氣機的氣體壓縮耗功和向氫氧燃燒室注入冷卻水過程帶來的?損失是影響儲能系統(tǒng)效率提升的重要原因。

2）經(jīng)過改進的新型儲能系統(tǒng)采用電解高壓水的方法生成氫氣，省去氣體壓縮過程，有效減少了壓縮耗功；而氫氧分級燃燒的方式降低了燃燒室冷卻過程的?損失，進一步提高了氫氧熱力循環(huán)的效率。在特定工況下，新型儲能系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率可提升約6%，效率增幅超過15%。

3）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能允許的條件下，增加氫氧燃燒室溫度，或提高電解高壓水系統(tǒng)的電解壓力，均可進一步提升新型儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

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An improved energy storage system with novel hydrogen-oxygen staged combustion cycle

MING Jiahui, WU Weiliang

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to solve the volatility problem of renewable energy grid-connected power generation, based on the reason analysis for low efficiency of the energy storage system composed of water electrolysis and simple hydrogen-oxygen cycle, a new type of energy storage system framework which combines high-pressure water electrolysis and high-pressure, high-temperature turbine cycle technology is proposed. This system converts the electric energy generated by renewable energy during low period into the chemical and pressure energy of hydrogen and oxygen and stores the energy by means of high-pressure water electrolysis technology. During the peak period of grid power consumption, the compressed hydrogen and oxygen enter the combustor for staged combustion, and the generated steam passes through the turbine to do work, driving the generator to generate electricity, thereby replenishing the electricity back to grid. The analysis shows that the energy conversion efficiency of the improved energy storage system is 6% higher than that of the simple hydrogen-oxygen cycle, which increases by more than 15%.

renewable energy, energy storage, water electrolysis, hydrogen, thermodynamic cycle, staged combustion, efficiency

TM619

A

10.19666/j.rlfd.201812189

明珈輝, 吳偉亮. 新型氫氧分級燃燒循環(huán)儲能系統(tǒng)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 155-160. MING Jiahui, WU Weiliang. An improved energy storage system with novel hydrogen-oxygen staged combustion cycle[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 155-160.

2018-12-22

明珈輝(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向為新型熱力系統(tǒng)設(shè)計與分析，mingjiahui518@sjtu.edu.cn。

（責任編輯 杜亞勤）