压气储能系统中储气装置的性能分析与改进
发布时间：2019-09-13 03:09
【摘要】：压缩空气储能系统是一种大规模的能量存储技术,在可再生能源利用以及调峰领域发挥重要作用。储气室作为系统中主要的储能设备,其特性对系统运行有重要影响。为了研究储气室热力特性对AA-CAES系统性能的影响,设计能够提高系统性能的新型储气装置,建立实际、绝热、恒温3种储气室模型,并结合其他部件模型,对系统进行联合求解。分析求解结果发现,储气室绝热模型具有最高的储能效率,可以达到68.97%,恒温模型的储能密度最高,为2.4706kW·h/m3,实际模型的储能效率和储能密度都较低;恒温模型下系统的性能受到环境温度的影响,提高环境温度可以使储能效率上升,但会导致储能密度下降;改进的储气装置能够结合绝热模型与恒温模型的优点,使系统性能获得改善。
【图文】：
统，并在此基础上提出一种改进的储气装置。１储气室热力学模型ＡＡ－ＣＡＥＳ系统主要包括压缩机、膨胀机、储气室、换热器、冷罐、热罐、发电机、电动机等设备，系统结构如图１所示。储气室一般采用天然的盐岩洞、硬岩层结构的矿井或洞穴、地下含水层、人工储气罐等［１２］。现有的两座储能电站都是采用天然的盐洞，对于小型的储能系统，也可以采用人造高压储气罐。空气在储气室内存储以及释放的过程中会与壁面进行热量交换，以储气室内的空气为控制体，根据热力学第一定律，可得式（１）。图１ＡＡ－ＣＡＥＳ系统结构示意图δＱ＝ｄＵＣＶ＋ｈｏｕｔδｍｏｕｔ－ｈｉｎδｍｉｎ＋δＷ（１）式中，δＱ为储气室内空气与壁面换热量，Ｊ；ｄＵＣＶ为储气室空气热力学能变化，Ｊ；δｍｉｎ、δｍｏｕｔ为进、出储气室的空气质量，ｋｇ；ｈｉｎ、ｈｏｕｔ为进、出储气室空气焓值，Ｊ／ｋｇ；δＷ为空气与环境交换的功量，Ｊ。假设储气室内的空气为理想气体，由理想气体状态方程可得式（２）。Ｖｄｐ＝Ｒｇ（ｍｄＴ＋Ｔｄｍ）（２）以环境温度Ｔ０时空气焓值为基准点，空气的焓以及热力学能可表示为式（３）、式（４）。ｈ＝ｃｐ（Ｔ－Ｔ０）（３）ｕ＝ｈ－ｐｖ＝ｃｖＴ－ｃｐＴ０（４）式中，ｃｐ为定压比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；ｃｖ为定容比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；Ｔ０为环境温度，Ｋ。根据式（１）～式（４）可得储气室内空气压力和温度随时间变化的微分关系式，如式（５）、式（６）。ｄｐｄｔ
致存储的空气质量减少，，储能密度逐渐降低。３储气装置的改进对比３种储气室模型下系统性能参数，可以发现，储气室为实际模型时，系统的储能效率和储能密度均较低。恒温模型具有最高的储能密度，但由于在环境温度下储气室内的高温空气会向外界释放大量的热量，导致储能效率较低。绝热模型储能效率最高，但由于空气温度和压力上升速度最快，导致储、释能时间缩短，储能密度较低。为了结合绝热模型和恒温模型的优点，使ＡＡ－ＣＡＥＳ系统的储能效率和储能密度同时获得提高，对实际的储气装置进行改进，如图４所示。图４改进的储气装置结构图１—保温绝热层；２—钢制筒体；３—蓄热换热管束；４—蓄热介质；５—环形肋板；６—空气出口；７—安全阀；８—空气进口该储气装置的部件主要包括：外层的绝热保温材料、钢制筒体、进气口和出气口、带有肋板的蓄热换热管束、相变蓄热材料、安全阀。在储能阶段，温度较高的压缩空气进入储气装置，与蓄热换热管束以及金属筒体进行对流换热，·７８·化工进展２０１６年第３５卷
【作者单位】： 华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室;
【基金】：国家科技支撑计划项目(2014BAA06B01)
【分类号】：TK02
本文编号：2535531
【图文】：
统，并在此基础上提出一种改进的储气装置。１储气室热力学模型ＡＡ－ＣＡＥＳ系统主要包括压缩机、膨胀机、储气室、换热器、冷罐、热罐、发电机、电动机等设备，系统结构如图１所示。储气室一般采用天然的盐岩洞、硬岩层结构的矿井或洞穴、地下含水层、人工储气罐等［１２］。现有的两座储能电站都是采用天然的盐洞，对于小型的储能系统，也可以采用人造高压储气罐。空气在储气室内存储以及释放的过程中会与壁面进行热量交换，以储气室内的空气为控制体，根据热力学第一定律，可得式（１）。图１ＡＡ－ＣＡＥＳ系统结构示意图δＱ＝ｄＵＣＶ＋ｈｏｕｔδｍｏｕｔ－ｈｉｎδｍｉｎ＋δＷ（１）式中，δＱ为储气室内空气与壁面换热量，Ｊ；ｄＵＣＶ为储气室空气热力学能变化，Ｊ；δｍｉｎ、δｍｏｕｔ为进、出储气室的空气质量，ｋｇ；ｈｉｎ、ｈｏｕｔ为进、出储气室空气焓值，Ｊ／ｋｇ；δＷ为空气与环境交换的功量，Ｊ。假设储气室内的空气为理想气体，由理想气体状态方程可得式（２）。Ｖｄｐ＝Ｒｇ（ｍｄＴ＋Ｔｄｍ）（２）以环境温度Ｔ０时空气焓值为基准点，空气的焓以及热力学能可表示为式（３）、式（４）。ｈ＝ｃｐ（Ｔ－Ｔ０）（３）ｕ＝ｈ－ｐｖ＝ｃｖＴ－ｃｐＴ０（４）式中，ｃｐ为定压比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；ｃｖ为定容比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；Ｔ０为环境温度，Ｋ。根据式（１）～式（４）可得储气室内空气压力和温度随时间变化的微分关系式，如式（５）、式（６）。ｄｐｄｔ
致存储的空气质量减少，，储能密度逐渐降低。３储气装置的改进对比３种储气室模型下系统性能参数，可以发现，储气室为实际模型时，系统的储能效率和储能密度均较低。恒温模型具有最高的储能密度，但由于在环境温度下储气室内的高温空气会向外界释放大量的热量，导致储能效率较低。绝热模型储能效率最高，但由于空气温度和压力上升速度最快，导致储、释能时间缩短，储能密度较低。为了结合绝热模型和恒温模型的优点，使ＡＡ－ＣＡＥＳ系统的储能效率和储能密度同时获得提高，对实际的储气装置进行改进，如图４所示。图４改进的储气装置结构图１—保温绝热层；２—钢制筒体；３—蓄热换热管束；４—蓄热介质；５—环形肋板；６—空气出口；７—安全阀；８—空气进口该储气装置的部件主要包括：外层的绝热保温材料、钢制筒体、进气口和出气口、带有肋板的蓄热换热管束、相变蓄热材料、安全阀。在储能阶段，温度较高的压缩空气进入储气装置，与蓄热换热管束以及金属筒体进行对流换热，·７８·化工进展２０１６年第３５卷
【作者单位】： 华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室;
【基金】：国家科技支撑计划项目(2014BAA06B01)
【分类号】：TK02
本文编号：2535531
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