絕熱-近等溫壓縮空氣耦合儲能過程熱壓匹配規(guī)律
作者：潘文1, 令蘭寧2, 李瑞雄2, 王海洋2, 陶瑞2, 金鵬2, 王煥然2
單位：1. 西安近代化學研究所；2. 西安交通大學能源與動力工程學院
引用：潘文, 令蘭寧, 李瑞雄, 等. 絕熱-近等溫壓縮空氣耦合儲能過程熱壓匹配規(guī)律[J]. 儲能科學與技術(shù), 2023, 12(11): 3425-3434.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0374
本文亮點：1、將近等溫壓縮與絕熱壓縮方式進行合理融合提出了復(fù)合壓縮空氣儲能；2、建立了不同壓縮空氣方式的熱力計算模型，明確了絕熱壓縮與近等溫壓縮耦合作用下的高效儲能特征；3、澄清了近等溫壓縮對儲能系統(tǒng)高效運行的驅(qū)動機制。
摘 要 利用液體活塞機構(gòu)強化儲能過程壓縮空氣與環(huán)境的熱量傳遞，可以有效降低壓縮熱耗散，提升儲能過程電能向空氣壓力勢能的轉(zhuǎn)換效率。考慮到絕熱壓縮與近等溫壓縮空氣儲能的優(yōu)勢，本工作將近等溫壓縮與絕熱壓縮方式進行合理融合提出了復(fù)合壓縮空氣儲能，通過建立不同壓縮空氣方式的熱力計算模型，深入分析了絕熱壓縮與近等溫壓縮耦合作用下的高效儲能特征，澄清了近等溫壓縮對儲能系統(tǒng)高效運行的驅(qū)動機制。研究結(jié)果表明：復(fù)合壓縮空氣儲能過程的?效率高于傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能；同時，近等溫壓縮空氣對復(fù)合壓縮空氣儲能性能的影響較為顯著，即變壓排氣液體活塞近等溫壓縮空氣儲能的?效率比恒壓排氣高3%，且變排氣壓工況下能夠更好適應(yīng)儲氣室內(nèi)壓力的變化，弱化儲氣室充氣過程的溫度效應(yīng)；近等溫壓縮空氣過程增加噴淋能夠使?效率提升3.3%，且不同時段噴淋對液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異。
關(guān)鍵詞 液體活塞；復(fù)合壓縮；空氣儲能；噴淋；恒壓與變壓排氣
電力儲能技術(shù)是能源轉(zhuǎn)換與緩沖的核心技術(shù)，將電力儲能技術(shù)應(yīng)用于可再生能源的積極有序發(fā)展中，不僅可以提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)能力，而且能夠有效解決可再生能源發(fā)電的消納難題。因此，儲能技術(shù)的創(chuàng)新突破必將帶動全球能源格局的革命性和顛覆性調(diào)整，是實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標的重要支撐。眾多儲能技術(shù)中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)具備輸出功率高、運行壽命長等優(yōu)勢，在儲能技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用和發(fā)展前景。
壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用空氣可壓縮特征實現(xiàn)能量的存儲與釋放，眾多學者從系統(tǒng)構(gòu)型與性能分析、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計與運行調(diào)控等多個角度對壓縮空氣儲能系統(tǒng)開展了大量研究工作。Zhao等通過對系統(tǒng)在設(shè)計工況和變工況運行條件下膨脹機入口空氣壓力勢能進行熱力學分析優(yōu)化，使系統(tǒng)?效率達到45.61%。Wolf等提出了一種低溫絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收壓縮過程的壓縮熱從而避免系統(tǒng)對化石燃料的依賴，優(yōu)化后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量效率為60%。梅生偉等在安徽省蕪湖市建成了500 kW先進絕熱壓縮空氣儲能實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收再利用空氣的壓縮熱使得系統(tǒng)的綜合能量效率達到41.03%。陳海生等提出了一種超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，該技術(shù)利用空氣在超臨界狀態(tài)下的特殊物性，將空氣以液態(tài)形式儲存，大幅降低了儲氣庫體積，該系統(tǒng)理論效率可達67.14%。盡管眾多學者從系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、過程分析以及新型系統(tǒng)構(gòu)建等多個角度對壓縮空氣儲能技術(shù)開展了大量研究工作，但是壓縮空氣儲能技術(shù)在壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱仍未能充分利用。
液體活塞是通過將液體泵入密閉壓力容器實現(xiàn)空氣增壓的技術(shù)，由于在壓縮過程中空氣產(chǎn)生的熱量可以被壓力容器內(nèi)液體吸收，從而降低了空氣在壓縮過程的溫升效應(yīng)，因此液體活塞近等溫壓縮空氣可以有效降低壓縮空氣儲能過程產(chǎn)生的壓縮熱耗散，提升儲能系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化效率。Ven等通過建立非噴淋式液體活塞壓縮過程相應(yīng)的理論模型表明液體活塞壓縮過程的能量轉(zhuǎn)換效率與相同尺寸的常規(guī)活塞相比提高13%。姜彤等在熱力分析的基礎(chǔ)上利用主動調(diào)控模型確立了非噴淋式液體活塞等溫壓縮空氣儲能過程設(shè)計工況的運行策略。張立偉等采用宏觀能流表示法仿真建模并確立了壓縮轉(zhuǎn)換最大效率點的運行工況。Kermani等通過離散-差分方法解析了非噴淋式液體活塞腔體壁面換熱過程的時變特征。為進一步實現(xiàn)液體活塞內(nèi)空氣溫度的精準調(diào)控，噴淋式液體活塞技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，許未晴等發(fā)現(xiàn)在采用液體噴霧技術(shù)后，可將非噴淋式液體活塞的壓縮效率由61.6%提升到88.7%。Patil等指出當壓比為2.5時，噴淋式液體活塞壓縮過程空氣溫度比非噴淋式降低7～20 ℃。Odukomaiya等用數(shù)值方法擬合了噴淋式液體活塞裝置內(nèi)的溫度變化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的整體能量運行效率可達82%。國內(nèi)外學者從多個角度針對液體活塞壓縮空氣儲能進行了系統(tǒng)性的熱力性能探索，表明液體活塞設(shè)備能夠有效降低壓縮空氣過程中壓縮熱的產(chǎn)生。為此，考慮到傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮熱的高效利用難題，本工作將絕熱壓縮空氣儲能與等溫壓縮空氣儲能進行融合，以壓縮空氣儲能過程為研究對象，通過建立詳細的熱力學模型，分析不同關(guān)鍵參數(shù)對儲能熱力學性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為系統(tǒng)的高效運行提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。
1 系統(tǒng)描述
圖1(a)為傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能過程設(shè)備連接示意圖，圖1(b)為復(fù)合壓縮空氣儲能過程示意圖。復(fù)合壓縮空氣儲能過程中，富余電能驅(qū)動絕熱壓縮機組首先將環(huán)境空氣壓縮為高溫高壓空氣(A1→A2，A3→A4，A5→A6)，高壓空氣經(jīng)冷卻后(A6→A7)進入液體活塞機構(gòu)進行近等溫壓縮增壓(A7→A8)。液體活塞壓縮空氣儲能過程中，電能驅(qū)動水泵將水抽入液體活塞腔內(nèi)(W1→W2)，空氣壓力逐漸升高，待升至設(shè)定值后單向閥打開，高壓氣體被排入儲氣室內(nèi)(A8→A9)，完成一次儲能。
圖1 絕熱壓縮空氣儲能與復(fù)合壓縮空氣儲能
2 系統(tǒng)模型
復(fù)合壓縮空氣儲能過程設(shè)備主要包括壓縮機組、中冷器、液體活塞腔體、水泵、節(jié)流閥和儲氣罐，假設(shè)液體活塞壓縮過程中空氣溫度均勻分布、水和壁面溫度恒定、空氣為理想氣體、液滴和空氣充分換熱、空氣物性為常數(shù)，且不考慮液體活塞壓縮過程中界面波動、氣體溶解等不穩(wěn)定因素的復(fù)雜影響。
2.1 熱力學模型
壓縮機的絕熱效率ηCOMP可以表示為
式中，Q為壓力容器內(nèi)空氣吸熱量，J；UCV為壓力容器內(nèi)空氣熱力學能，J；mo為流出空氣質(zhì)量，kg；ho為流出空氣焓值，J/kg；mi為流入空氣質(zhì)量，kg；hi為流入空氣焓值，J/kg；W為空氣所作內(nèi)部功，J。
其中
式中，mCV為壓力容器內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；uCV為壓力容器內(nèi)空氣比熱力學能，J；cV為空氣的比定容熱容，J/(kg·K)；TCV為壓力容器內(nèi)空氣溫度，K。
根據(jù)式(4)～式(6)可求解得到
壓力容器內(nèi)壓力pCV可以表示為
式中，Z為壓縮因子；Rg為空氣氣體常數(shù)，J/(kg·K)；VCV為壓力容器容積，m3。
壓力容器和外界換熱量為
式中，h'A,W為空氣與壓力容器壁面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；AW為與空氣接觸的罐壁與水面積之和，m2；TW為壓力容器壁面溫度K；t為換熱時間，s。
將壓力容器簡化為圓柱，無進排氣時采用自然對流換熱模型，努塞爾數(shù)Nu可以表示為
式中，Ra*為修正的瑞利數(shù)；F為形狀系數(shù)。
修正的瑞利數(shù)Ra*可以表示為
式中，ρA為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；αV為空氣體積膨脹系數(shù)，K-1；H為壓力容器內(nèi)空氣高度，m；μA為空氣動力黏度，kg/(m·s)；λA為空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)。
形狀系數(shù)F可以表示為
式中，D為壓力容器內(nèi)徑，m。
空氣與壁面的對流換熱系數(shù)可以表示為
壓力容器有進排氣時采用混合對流換熱模型，努塞爾數(shù)可以表示為
式中，Red為壓力容器入口空氣雷諾數(shù)；Ra為瑞利數(shù)。
雷諾數(shù)可以表示為
式中，vA為壓力容器入口空氣流速，m/s；d為壓力容器入口直徑，m。
式中，cp為空氣的比定壓熱容，J/(kg·K)。
液體活塞機構(gòu)在壓縮空氣過程中腔內(nèi)液體體積逐漸增加，空氣側(cè)溫度隨之升高，導(dǎo)致液體活塞機構(gòu)的近等溫壓縮效果弱化。腔內(nèi)噴淋液體是目前應(yīng)用廣泛的一種控溫方式，本工作針對噴淋和非噴淋兩種狀態(tài)下的復(fù)合儲能過程分別進行深入分析。以下是液體活塞機構(gòu)腔內(nèi)噴淋液體的熱力學模型。
2.2 ?模型
3 結(jié)果與分析
絕熱壓縮空氣儲能過程與復(fù)合壓縮空氣儲能過程具有較大差異，表1為兩種儲能過程各設(shè)備典型工況參數(shù)，表2中為絕熱壓縮與非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲能過程各設(shè)備輸入?和輸出?對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，在總壓縮比和儲氣流量恒定的情況下，絕熱壓縮空氣儲能過程的?效率比復(fù)合儲能過程的?效率低3%，其主要原因是液體活塞機構(gòu)在近等溫壓縮空氣過程中電能主要轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫菽?，此過程產(chǎn)生的熱能損失較少。
表1 典型工況參數(shù)選取
表2 絕熱壓縮與混合壓縮對比
值得注意的是，復(fù)合壓縮空氣儲能過程的運行模式可以分為兩種：變壓排氣運行和恒壓排氣運行。變壓排氣運行主要是指液體活塞壓縮空氣過程中排氣壓力隨儲氣庫壓力的增加而逐漸增加，而恒壓排氣運行是指液體活塞機構(gòu)的排氣壓力保持恒定。所以，變壓排氣復(fù)合壓縮空氣儲能過程中機組的總壓縮比隨儲氣庫壓力的增加逐漸升高，而恒壓排氣過程的總壓縮比保持恒定。
3.1 無噴淋復(fù)合壓縮空氣儲能恒壓排氣與變壓排氣對比
復(fù)合壓縮空氣儲能過程中液體活塞壓縮空氣裝置對儲能過程性能會產(chǎn)生較大影響，帶有噴淋和無噴淋液體活塞機構(gòu)壓縮空氣儲能過程的熱力性能表現(xiàn)出巨大差異，因此本工作針對這兩種不同復(fù)合儲能(絕熱壓縮+帶有噴淋的近等溫壓縮、絕熱壓縮+無噴淋近等溫壓縮)方式分別進行分析。
表3中為無噴淋條件下液體活塞排氣壓力恒定與變排氣壓力下的?分析結(jié)果對比。相同儲能條件下，變排氣壓力壓縮空氣儲能過程的?效率比恒壓排氣壓縮空氣儲能高3%，同時儲能密度保持在較高的數(shù)值。
表3 無噴淋條件下液體活塞恒壓排氣與變壓排氣?分析結(jié)果對比
圖2為無噴淋液體活塞不同排氣壓力下腔內(nèi)氣體溫度的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，恒定排氣壓力下液體活塞LP1和LP2的腔內(nèi)空氣溫度變化趨勢保持一致。然而，變排氣壓力下液體活塞腔內(nèi)的最高壓力隨時間的增加逐漸遞增，壓縮過程腔內(nèi)氣體的最高溫度同樣呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。首次壓縮空氣過程中，變排氣壓力液體活塞腔內(nèi)空氣的最大溫度為318 K，而恒定排氣壓力的液體活塞腔內(nèi)的溫度為327 K，這種溫度差隨著時間的增加逐漸減小，所以變排氣壓力液體活塞在一定程度上能夠有效降低腔體內(nèi)空氣溫度的增加，而隨著時間的增加這種效果逐漸減弱。
圖2 無噴淋液體活塞恒壓與變壓排氣儲能過程腔內(nèi)溫度變化
圖3為液體活塞和儲氣室腔內(nèi)的壓力隨時間的變化。圖中變排氣壓力壓縮空氣過程儲氣室內(nèi)部的空氣壓力與液體活塞的出口壓力吻合較好，而在恒定排氣壓力下液體活塞出口壓力與儲氣室內(nèi)部的壓力差隨著時間的增加逐漸減小，這證實了液體活塞在變排氣壓力工況下能夠更好適應(yīng)儲氣室內(nèi)壓力的變化，有效降低高壓空氣進入儲氣室所造成的局部壓力降損失。對比恒壓和變壓排氣工況下儲氣室內(nèi)壓力的變化，在初次充氣中變壓力儲氣過程儲氣室內(nèi)壓力增加較為緩慢，而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，充氣過程儲氣室內(nèi)壓力的提升速度增快，這與變壓排氣持續(xù)時間密切相關(guān)。結(jié)合圖2中的溫度曲線，液體活塞裝置變壓排氣進入儲氣室的溫度較低，同時這種變壓排氣在一定程度上能夠有效減弱儲氣室充氣過程的溫度效應(yīng)。
圖3 無噴淋液體活塞恒壓與變壓排氣儲能過程腔內(nèi)壓力變化
液體活塞入口壓力(即絕熱壓縮與液體活塞近等溫壓縮的中間壓力)對壓縮空氣儲能過程熱能與壓力勢能的匹配具有重大影響，圖4(a)為變排氣壓工況下中間壓力對儲能過程能量存儲密度與?效率的影響曲線。存儲能量密度隨著中間壓力的增加逐漸增加，而?效率出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當中間壓力為1.2 MPa時，儲能過程可用能利用率達到最佳。圖4(b)中為壓縮空氣儲能過程各設(shè)備輸入?與?損失的變化，結(jié)合圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，液體活塞腔和驅(qū)動水泵的可用能損失是造成儲能過程?效率降低的主要因素。
圖4 液體活塞進氣壓力的影響規(guī)律分析
3.2 帶噴淋復(fù)合壓縮空氣儲能恒壓排氣與變壓排氣
表4為液體活塞機構(gòu)噴淋壓力為1 MPa、恒壓排氣時，復(fù)合壓縮空氣儲能過程各設(shè)備?分析結(jié)果。相比于非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲能，?效率提升3.3%。所以，液體活塞機構(gòu)加裝噴淋可以進一步提升復(fù)合壓縮空氣儲能過程的?效率。
表4 噴淋壓力為1 MPa時復(fù)合儲能設(shè)備?分析結(jié)果
圖5為變壓排氣下帶有噴淋與無噴淋液體活塞壓縮空氣儲能過程氣相溫度的變化，可以發(fā)現(xiàn)帶有噴淋液體活塞排氣最大壓縮溫差僅為18 K，遠低于非噴淋液體活塞腔內(nèi)溫度的變化。值得注意的是，在每次循環(huán)中液體活塞排氣過程的最低溫度出現(xiàn)了較大差異，這與每次循環(huán)中的噴淋吸熱差異密切相關(guān)。噴淋耗功與水泵耗功是液體活塞壓縮空氣儲能過程的主要耗功元件，圖6中為不同噴淋壓力下液體活塞壓縮空氣過程的耗功變化。隨著噴淋壓力的增加，噴淋耗功隨之增加，而水泵耗功出現(xiàn)急劇下降并逐漸趨于穩(wěn)定；這主要是由于增加噴淋量可以提升近等溫壓縮空氣效能，從而有效降低水泵耗功。這兩類功耗的變化對壓縮空氣過程中?效率的影響較大，圖7中顯示出了隨著噴淋壓力的增加，壓縮?效率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這與噴淋耗功、水泵耗功的綜合表現(xiàn)密切相關(guān)，即當液體活塞結(jié)構(gòu)尺寸與壓縮參數(shù)確定后存在最佳的噴淋壓力可以使壓縮?效率達到最佳。
圖5 1 MPa噴淋與無噴淋工況下液體活塞腔內(nèi)空氣溫度變化
圖6 無噴淋壓縮空氣過程水泵和噴淋耗功
圖7 不同噴淋壓力下噴淋質(zhì)量與?效率變化
圖8為不同噴淋壓力下液體活塞腔體內(nèi)氣相最高溫度的變化。當腔內(nèi)無噴淋時，氣相側(cè)的溫度在壓縮過程中變化劇烈，且該工況下氣相側(cè)溫度遠高于噴淋環(huán)境下的壓縮溫度。此外，隨著噴淋壓力的增加，氣相側(cè)最高溫度首先出現(xiàn)急劇下降，并逐漸趨于平緩；這說明當噴淋壓力高于0.6 MPa后，噴淋壓力對液體活塞的近等溫壓縮效能的影響不再顯著。
上述分析中可以看出，腔內(nèi)噴淋能夠有效提升液體活塞壓縮空氣過程的熱力效能，然而結(jié)合圖2和圖5可以發(fā)現(xiàn)液體活塞壓縮過程空氣溫度呈現(xiàn)非線性變化，即在壓縮初期和后期氣相側(cè)溫度上升較快，而在壓縮中期氣相側(cè)的溫度變化較為平穩(wěn)。圖9和圖10為不同時段噴淋時噴淋壓力對功耗和?效率的影響。不同時段噴淋對液體活塞整體的耗功趨勢與圖6基本相似，然而當噴淋出現(xiàn)在液體活塞后期壓縮過程時，水泵和噴淋耗功遠低于后期噴淋的耗功，而壓縮?效率較高，且隨著噴淋壓力的增加這種差異更為顯著。另外，前期噴淋的壓縮?效率在噴淋壓力為0.2 MPa時達到最大，而后期噴淋時的最大壓縮?效率出現(xiàn)在噴淋壓力為0.6 MPa。
圖11為噴淋壓力為0.2 MPa時，不同噴淋時段液體活塞內(nèi)氣相側(cè)溫度的變化。圖中前期噴淋對液體活塞腔內(nèi)的降溫效果并不顯著，且在壓縮后期氣相側(cè)溫度急劇升高，無法達到近等溫壓縮的效果；而在后期噴淋過程中可以顯著觀察到氣相側(cè)的升溫現(xiàn)象受到嚴重抑制。
不同時段噴淋對液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異，圖12為壓縮前期與后期不同噴淋量壓力的液體活塞耗功、?效率、噴淋量對比。當噴淋前期壓力恒定，水泵耗功隨后期噴淋壓力的增加逐漸減小，而噴嘴噴淋耗功逐漸增加。前期噴淋壓力為0.2 MPa時，水泵耗功最大，此時噴淋耗功最低，壓縮?效率達到最大[圖12(b)]；當前期噴淋壓力為0.8 MPa時，水泵耗功最低，噴淋耗功最大，壓縮過程可用能利用率最低。此外，當前期噴淋壓力為0.2 MPa時，壓縮過程最大?效率接近72%，此時的噴淋總量達到1.59 kg。
圖12 液體活塞噴淋策略對壓縮空氣過程性能影響分析
4 結(jié)論
液體活塞壓縮空氣裝置通過加強壓縮空氣與環(huán)境的熱交換，將氣體壓縮時溫度的變化控制在一個較小的范圍，減少過程功耗，實現(xiàn)高效近等溫壓縮空氣儲能。利用液體活塞機構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)絕熱壓縮機，可以有效降低壓縮熱耗散，提升壓縮空氣儲能過程電能向空氣壓力勢能的轉(zhuǎn)換效率。本工作將絕熱壓縮與液體活塞近等溫壓縮過程進行合理融合，建立了該復(fù)合壓縮空氣儲能過程的熱力學模型，研究了無噴淋與有噴淋策略對整體壓縮過程熱力學性能的影響規(guī)律，獲得了復(fù)合壓縮空氣儲能過程的高效運行策略。主要結(jié)論如下。
（1）復(fù)合儲能過程的?效率比絕熱壓縮空氣儲能過程的?效率高3%；相同儲能條件下，液體活塞變排氣壓力壓縮空氣儲能過程的?效率比恒壓排氣壓縮空氣儲能高3%，同時儲能密度保持在較高的數(shù)值。
（2）變壓排氣液體活塞在一定程度上能夠有效降低腔內(nèi)空氣溫度的增加，然而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種效果逐漸減弱。液體活塞在變壓排氣工況下能夠更好地適應(yīng)儲氣室內(nèi)壓力的變化，有效降低高壓空氣進入儲氣室所造成的局部壓力降損失，此時進入儲氣室的空氣溫度較低，同時這種變壓排氣在一定程度上能夠有效減弱儲氣室充氣過程的溫度效應(yīng)。
（3）相比于非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲能，噴淋能夠使?效率提升3.3%；帶有噴淋液體活塞排氣最大壓縮溫差僅為18 K，遠低于非噴淋液體活塞腔內(nèi)溫度的變化。腔內(nèi)噴淋能夠有效提升液體活塞壓縮空氣過程的熱力效能，且不同時段噴淋對液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異。
