中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著“雙碳目標(biāo)”的提出，可再生能源發(fā)電部分替代傳統(tǒng)火力發(fā)電成本降低能源供應(yīng)中的碳含量，探索以可再生能源為主的電力系統(tǒng)已成為全球范圍內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)?？稍偕茉吹墓?yīng)本質(zhì)上是間歇性和分布不均的，儲(chǔ)能成為不可或缺的支撐技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一[1-2]。儲(chǔ)氣裝置是壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵部件，地下洞穴受到地理環(huán)境的限制，而地面儲(chǔ)氣裝置的設(shè)備成本較高[3]。液化空氣儲(chǔ)（Liquid Air Energy Storage，LAES）的基本原理是在電量富余時(shí)將空氣液化儲(chǔ)能，在用電高峰時(shí)利用液態(tài)空氣發(fā)電釋能[4]。
LAES系統(tǒng)的能量密度高于壓縮空氣，對(duì)地理環(huán)境的依賴較小，是一種新興的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的大規(guī)模儲(chǔ)能解決方案[5]。LAES系統(tǒng)不僅可以作為獨(dú)立的儲(chǔ)能電站，還能實(shí)現(xiàn)可再生能源的空間轉(zhuǎn)移。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出了一種解耦的LAES系統(tǒng)來(lái)利用海上可再生能源[6]。海上可再生能源就地產(chǎn)生液態(tài)空氣，然后利用液化天然氣槽船、罐車將液態(tài)空氣運(yùn)輸?shù)阶罱K使用地點(diǎn)，最后利用液態(tài)空氣發(fā)電。此外，LAES可以與燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，利用LAES技術(shù)提供燃?xì)廨啓C(jī)工作所需的高壓空氣，同時(shí)提高燃?xì)廨啓C(jī)的效能[7]。
盡管關(guān)于LAES的第一篇文獻(xiàn)出現(xiàn)在1974年，但該技術(shù)在最近幾年才得到世界各地眾多研究人員的關(guān)注，大多數(shù)研究工作通過(guò)過(guò)程建模和能量分析來(lái)研究LAES系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，相關(guān)模擬研究見(jiàn)表1。主流建模工具有Aspen HYSYS、Aspen Plus和MATLAB。前兩者是成熟的過(guò)程模擬軟件，自帶物性庫(kù)和單元模塊，無(wú)需編程操作簡(jiǎn)便；后者是通用的編程環(huán)境，需要從REFPROP或者EES等軟件調(diào)用物性庫(kù)，可以便捷地使用智能優(yōu)化算法。研究者們通過(guò)模擬不同的液化方式和儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷方式，使LAES的循環(huán)效率達(dá)到60%。近年來(lái)利用LNG冷能提升循環(huán)效率成為研究熱點(diǎn)。由于LNG冷能（110～300 K）覆蓋空氣液化溫區(qū)（80～300 K）的較大范圍，可以極大減少空氣液化耗能，使LAES的循環(huán)效率可以突破100%。
目前針對(duì)LAES系統(tǒng)級(jí)的實(shí)驗(yàn)研究還相當(dāng)缺乏，僅Highview Power LAES中試裝置公開(kāi)了一部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)[18]。該中試裝置于2010年在英國(guó)斯勞（Slough）開(kāi)始運(yùn)行，額定規(guī)模為350 kW/2.5MWh，隨后被搬遷到伯明翰大學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，于2015－2018年公開(kāi)了部分測(cè)試數(shù)據(jù)[19-20]。文章基于Highview Power LAES中試裝置建立熱力學(xué)建模，采用MATLAB+REFPROP作為建模工具，利用中試裝置公開(kāi)的測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分析該中試裝置的?損失以及關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程的影響規(guī)律，為提高LAES系統(tǒng)的循環(huán)效率提供參考依據(jù)。
1、Highview Power LAES中試裝置
Highview Power LAES中試裝置的流程如圖1(a)所示，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖1(b)所示。空氣液化部分由成都空分公司提供，采用改進(jìn)的克勞德循環(huán)。循環(huán)壓縮機(jī)和主壓縮機(jī)均為螺桿式壓縮機(jī)，由阿特拉斯·科普柯提供，兩臺(tái)壓縮機(jī)由變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量流量。冷箱低溫端設(shè)置了一個(gè)液體浸沒(méi)式過(guò)冷換熱器，旨在降低局部富氧液體蒸發(fā)導(dǎo)致的碳?xì)浠衔镏鸬娘L(fēng)險(xiǎn)[19]。蓄冷器由8個(gè)石英巖填充床組成，這些填充床可以串聯(lián)或并聯(lián)，安裝在集裝箱內(nèi)，采用珍珠巖絕熱[9]。冷量通過(guò)釋能后的干空氣從汽化器中回收。釋能部分由往復(fù)式低溫泵、換熱器和四級(jí)膨脹機(jī)組成。低溫泵同樣由變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可控制釋能壓力。膨脹機(jī)前的加熱器為逆流式換熱器，由水-乙二醇加熱低溫空氣，熱量來(lái)自鄰近發(fā)電站的余熱，使各級(jí)膨脹機(jī)入口溫度維持在288～343 K。四級(jí)串聯(lián)的膨脹機(jī)由Concepts NREC提供，實(shí)現(xiàn)近似等溫膨脹。
在儲(chǔ)能高壓為12 bar、釋能壓力為56 bar的操作條件下，釋能功率210 kW，儲(chǔ)能循環(huán)效率僅8%[19]。效率低的原因有待進(jìn)一步分析。目前僅公開(kāi)了中試裝置儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程分開(kāi)測(cè)試的數(shù)據(jù)，且儲(chǔ)能過(guò)程使用空氣、釋能過(guò)程使用液氮作為工質(zhì)。因此，文章將分別對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)建模與分析。
2、熱力學(xué)模型及其驗(yàn)證
2.1 儲(chǔ)能過(guò)程熱力學(xué)模型
Highview Power LAES中試裝置的儲(chǔ)能過(guò)程如圖2所示。
針對(duì)各個(gè)部件建立質(zhì)量平衡與能量平衡方程，根據(jù)已知的部分條件求解19個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的溫度、壓力、質(zhì)量流量等熱力學(xué)狀態(tài)。進(jìn)料空氣以室溫常壓狀態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)組，經(jīng)主壓縮機(jī)和增壓機(jī)絕熱壓縮到指定壓力然后冷卻至室溫；未液化的回流空氣經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)和增壓機(jī)絕熱壓縮到指定壓力然后冷卻至室溫。主壓縮機(jī)的功率和放熱量為：
式中：
Wc,m——主壓縮機(jī)功率（kW）；
mm——主壓縮機(jī)質(zhì)量流量（kg/s）；
h——空氣比焓（kJ/kg）；
ηc——壓縮機(jī)等熵效率；
Qc,m——主壓縮機(jī)放熱量（kW）。
下標(biāo)s表示等熵過(guò)程，2'表示壓縮終了狀態(tài)。循環(huán)壓縮機(jī)的功率Wc,r和放熱量Qc,r計(jì)算方法與主壓縮機(jī)相同，兩臺(tái)壓縮機(jī)的功率之和為壓縮機(jī)組總功率。增壓機(jī)由低溫膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮終了壓力p4由低溫膨脹機(jī)的輸出功率確定，反過(guò)來(lái)p4又決定了低溫膨脹機(jī)的入口壓力p6，即低溫膨脹機(jī)的做功能力。計(jì)算過(guò)程中，4點(diǎn)的熱力學(xué)狀態(tài)需要迭代求解，使低溫膨脹機(jī)的傳動(dòng)功率等于增壓機(jī)的耗功，即同時(shí)滿足下列兩個(gè)式子：
式中：
Wc,b——增壓機(jī)功率（kW）；
mb——增壓機(jī)質(zhì)量流量（kg/s）；
We——低溫膨脹機(jī)輸出功率（kW）；
ηe,b——低溫膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)增壓機(jī)的傳動(dòng)效率；
ηb——增壓機(jī)等熵效率。
低溫膨脹機(jī)輸出功率為：
式中：
me——低溫膨脹機(jī)質(zhì)量流量（kg/s）；
ηe——膨脹機(jī)等熵效率。
低溫膨脹機(jī)的制冷量與輸出功率相等，即Qe=We。
壓縮后的空氣經(jīng)冷卻器降溫至室溫：
式中：
Qc,b——冷卻器放熱量（kW）。
低溫膨脹機(jī)出口空氣被少量液化，進(jìn)入氣液分離器，分離后的氣體進(jìn)入主換熱器為其提供冷量，液體進(jìn)入過(guò)冷換熱器為其提供冷量，狀態(tài)點(diǎn)7的干度x7決定了氣體和液體的質(zhì)量。
主換熱器為三股流體的逆流式換熱器。熱流體為壓縮后的空氣，從室溫被冷卻至100 K左右，一股冷流體為未液化空氣，另一股冷流體來(lái)自蓄冷換熱器。主換熱器能量守恒和質(zhì)量守恒分別為：
式中：
Qcs——蓄冷器帶走的熱量（kW）。
過(guò)冷換熱器為兩股流體的逆流式換熱器，其中熱流體為壓縮后經(jīng)主換熱器冷卻后的空氣，冷流體來(lái)自節(jié)流閥和氣液分離器。過(guò)冷換熱器能量守恒和質(zhì)量守恒分別為：
空氣經(jīng)主換熱器和過(guò)冷換熱器預(yù)冷到轉(zhuǎn)化溫度以下，此時(shí)焦耳-湯姆遜系數(shù)為正，節(jié)流后空氣壓力和溫度均降低，空氣被部分液化。節(jié)流為等焓過(guò)程
根據(jù)19點(diǎn)的比焓和壓力可以確定該點(diǎn)的干度x19，即確定了液態(tài)空氣量mliq和液化率y：
式中：
mliq——液體質(zhì)量流量（kg/s）；
y——液化率。
液化耗能為每千克液態(tài)空氣消耗的電能，即
式中：
wliq——液化能耗（kJ/kg）。
2.2 釋能過(guò)程熱力學(xué)模型
釋能過(guò)程如圖3所示。針對(duì)各個(gè)部件建立質(zhì)量平衡與能量平衡方程，求解16個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的溫度、壓力、質(zhì)量流量等熱力學(xué)狀態(tài)。
釋能過(guò)程中，液體經(jīng)低溫泵加壓至釋能壓力，低溫泵消耗的能量和功率分別為：
式中：
wp——低溫泵能耗（kJ/kg）；
p——壓力（kPa）；
ηp——低溫泵等熵效率；
ρl——液體密度（kg/m3）；
Wp——低溫泵功率（kW）；
mdis——釋能過(guò)程液體質(zhì)量流量（kg/s）。
汽化器和回?zé)崞鞫际悄媪魇綋Q熱器。換熱器的熱力學(xué)狀態(tài)受到能量平衡和夾點(diǎn)溫差的限制，以汽化器為例，其能量平衡方程為
液空復(fù)溫后以高溫高壓氣體狀態(tài)進(jìn)入膨脹機(jī)組，經(jīng)絕熱膨脹帶動(dòng)發(fā)電機(jī)完成釋能。膨脹機(jī)組總輸出功率為四臺(tái)膨脹機(jī)輸出功率之和，每級(jí)膨脹機(jī)做功
式中：
wt——膨脹機(jī)輸出比功（kJ/kg）；
Wt——膨脹機(jī)輸出功率（kW）；
ηt——膨脹機(jī)等熵效率。
系統(tǒng)的循環(huán)效率定義為單位質(zhì)量液體在釋能階段輸出能量與儲(chǔ)能階段消耗的能量之比，代表著系統(tǒng)的綜合儲(chǔ)能效率。
式中：
ηcyc——循環(huán)電電效率。
2.3 模型驗(yàn)證
將熱力學(xué)模型在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行編程求解，儲(chǔ)能過(guò)程工質(zhì)為空氣，釋能過(guò)程工質(zhì)為液氮，采用以下假設(shè)條件：（1）空氣為氮?dú)?、氧氣、氬氣的混合物，物理性質(zhì)從REFPROP軟件調(diào)用；（2）管道無(wú)壓降，主換熱器中存在0.2 bar壓降，汽化器中存在3.5%壓降；（3）不存在漏熱；（4）氣液分離器視為理想分離器，不考慮氣液夾帶。
根據(jù)文獻(xiàn)[20]公開(kāi)的中試裝置實(shí)測(cè)參數(shù)設(shè)定模型的入口空氣參數(shù)、高壓壓力、節(jié)流后壓力、釋能壓力等部分參數(shù)，根據(jù)熱力學(xué)模型計(jì)算其余狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)。儲(chǔ)能過(guò)程各狀態(tài)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果列于表2，釋能過(guò)程計(jì)算結(jié)果列于表3。計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果比較接近，表明熱力學(xué)模型能較好地反映中試裝置的運(yùn)行情況。
表2和表3對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能、釋能過(guò)程中各主要設(shè)備的能耗與做功功率計(jì)算結(jié)果列于表4。儲(chǔ)能過(guò)程液化率僅0.17，液化能耗0.69 kWh/kg，而克勞德循環(huán)的液化率通常在0.6以上，液化能耗約0.3 kWh/kg[21]。釋能過(guò)程低溫泵耗功10.87 kW，四級(jí)膨脹機(jī)共輸出248.75 kW，單位質(zhì)量液氮做功0.041 kWh/kg。若忽略儲(chǔ)能和釋能過(guò)程工質(zhì)的差異，則循環(huán)效率ηcyc=0.041/0.69×100%=6%。文獻(xiàn)報(bào)道該中試裝置的循環(huán)效率為5%～8%[19]。這么低的循環(huán)效率使該中試裝置的實(shí)用性很低，有必要對(duì)循環(huán)的?損失及關(guān)鍵參數(shù)的影響進(jìn)行分析，尋求提升循環(huán)效率的方法。
3、結(jié)果與分析
3.1 ?分析
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，能量并不總是全部轉(zhuǎn)換為功。其中可轉(zhuǎn)換為功的能量被稱為?，能量中?的比例越大表示其品味越高。?在不可逆過(guò)程中會(huì)損耗。?分析通過(guò)揭示各個(gè)過(guò)程存在的?損，反映各環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換與傳遞的完善程度，其中?損最大的環(huán)節(jié)是最需要優(yōu)化的。機(jī)械能和電能原則上可以全部轉(zhuǎn)化為功，因此全為?。流動(dòng)的流體所具有的?稱為焓?，可表示為：
式中：
Ei——第i個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的焓?（kW）；
Ta——環(huán)境溫度（K）；
si——第i個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的比熵[kJ/(kg·K)]；
sa——環(huán)境狀態(tài)比熵[kJ/(kg·K)]。
文章中環(huán)境狀態(tài)的溫度和壓力分別為300 K和1 bar。熱量不能全部轉(zhuǎn)化為功，其具有的?可表示為：
式中：
Eh,j——第j個(gè)加熱器的熱量?（kW）；
ˉTh,j——第j個(gè)加熱器的平均溫度（K）；
Qh,j——第j個(gè)加熱器的熱量（kW）。
各個(gè)設(shè)備的?平衡方程為：
式中：
ΔE——?損（kW）。
下標(biāo)in表示輸入，out表示輸出。輸入或輸出的?包括機(jī)械能、電能、焓?和熱量?。分別計(jì)算各個(gè)設(shè)備的?損，所有設(shè)備的?損之和為該過(guò)程的總?損。?效率定義為系統(tǒng)有效利用的?和外界輸入系統(tǒng)的?的比值。儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程的?效率表達(dá)式如下：
式中：
ηE——?效率。
表2和表3對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能、釋能過(guò)程中主要設(shè)備的?損如圖4所示。
儲(chǔ)能過(guò)程的總?損為767 kW，外界輸入儲(chǔ)能過(guò)程的?為1029 kW，可得儲(chǔ)能過(guò)程?效率為25.5%。如圖4(a)所示，?損最大的設(shè)備是循環(huán)壓縮機(jī)，占總?損的比例達(dá)55.7%。一方面是因?yàn)?8%的空氣由循環(huán)壓縮機(jī)增壓，而且787.68 kW的壓縮熱未被回收利用；另一方面循環(huán)壓縮機(jī)的等熵效率僅63%，不可逆損失較大。降低儲(chǔ)能過(guò)程?損可以從回收壓縮熱[22]、提升壓縮機(jī)等熵效率著手。此外，可以嘗試將合適的冷源引入系統(tǒng)，用來(lái)降低壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫度，減少壓縮機(jī)的功耗[17]。
釋能過(guò)程的總?損為611.7 kW，外界輸入釋能過(guò)程的?為1.102 MW，釋能?效率為44.5%。如圖4(b)所示，?損最大的設(shè)備是汽化器，占總?損的比例達(dá)42%。汽化器中冷熱兩股流體在汽化器熱端（狀態(tài)點(diǎn)23和35）的溫差達(dá)到約140 K，如此巨大的換熱溫差使得該換熱器不可逆損失較大。降低釋能過(guò)程?損可以從優(yōu)化換熱物流匹配，減小換熱溫差入手。
3.2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程的影響
Highview Power LAES中試裝置在不改變工藝流程的情況下，影響儲(chǔ)能過(guò)程效率的獨(dú)立變量有以下6個(gè)：高壓壓力p2、節(jié)流后壓力p19、增壓膨脹機(jī)分流量m6、增壓膨脹機(jī)入口溫度T6、節(jié)流分流量m13、蓄冷器回收冷量Qcs。本節(jié)通過(guò)控制變量法逐一分析6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)液化率和液化能耗的影響，6組參數(shù)的設(shè)置范圍見(jiàn)表5。
高壓壓力p2對(duì)液化率和液化能耗的影響規(guī)律如圖5所示。隨著p2增大，液化率和液化能耗同時(shí)增加。當(dāng)p2超過(guò)13 bar時(shí)，液化率增速放緩，而液化能耗幾乎線性增加，如圖5(a)所示。圖5(b)解釋了液化率和液化能耗增加的原因。p2增加意味著壓縮后比焓h2降低，從而使節(jié)流后比焓h19顯著減低，狀態(tài)點(diǎn)19為氣液兩相，其他條件不變時(shí)，比焓越低液化率越高。另一方面，p2增加使主壓縮機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī)功率均增加。p2從7 bar增加至20 bar，液化率增加48%，壓縮機(jī)組功率增加了84%，兩者綜合的結(jié)果導(dǎo)致液化能耗增加24%。因此不宜依靠增加p2來(lái)提升液化率，對(duì)于此中試裝置，10 bar左右是較合適的。
中試裝置節(jié)流后（狀態(tài)點(diǎn)19）的氣液兩相空氣全部進(jìn)入儲(chǔ)罐，因此要求19點(diǎn)的干度低于0.1（即液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.9），否則無(wú)法有效利用儲(chǔ)罐容積。節(jié)流后的干度由壓力p19及其比焓h19共同決定。h19主要受高壓壓力p2影響，保持其他變量不變，p19對(duì)液化率和液化能耗的影響規(guī)律如圖6所示。隨著p19增大，液化率增加、液化能耗降低。這是由空氣的等焓線所決定的。圖6(b)為空氣的溫熵圖，其中紅色等焓線表示節(jié)流過(guò)程，壓力越高，等焓線越靠近左側(cè)飽和液線，即液化率越高。p19增大不影響壓縮機(jī)組的功率，因此液化能耗隨液化率升高而降低。需要注意的是，節(jié)流后壓力越高越好僅適用于節(jié)流后氣液兩相全部進(jìn)入儲(chǔ)罐這種情況。實(shí)際上更為常見(jiàn)的做法是節(jié)流至更低壓力（如3 bar）氣液分離后僅液態(tài)空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐，氣態(tài)空氣返流至換熱器提供冷量[23]。因?yàn)檩^低的液空壓力對(duì)應(yīng)著較低的溫度，有利于更長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)。
增壓膨脹機(jī)分流量m6和入口溫度T6是影響儲(chǔ)能過(guò)程制冷量的關(guān)鍵參數(shù)。圖7(a)表明隨著m6增大，液化率幾乎線性增加，液化能耗下降且下降速率逐漸減小。m6增加使增壓膨脹機(jī)的制冷量增加，從而將節(jié)流前的空氣（狀態(tài)點(diǎn)12）預(yù)冷至更低溫度，使液化率更高。同時(shí)，m6增加使循環(huán)壓縮機(jī)流量增加、主壓縮機(jī)流量減少，總體來(lái)看壓縮機(jī)組功率略微下降。得益于液化率升高，因此液化能耗降低。值得注意的是，1.83 kg/s是m6的上限，再增加m6將導(dǎo)致節(jié)流前溫度低于空氣轉(zhuǎn)化曲線的下限，導(dǎo)致節(jié)流產(chǎn)生制熱效應(yīng)。中試裝置將m6設(shè)置為1.8 kg/s是合適的選擇。保持m6為1.8 kg/s，逐漸增大T6，液化率近似線性增加，同時(shí)液化能耗線性下降，如圖7(b)所示。增壓膨脹機(jī)入口溫度越高使其制冷量增加、做功能力增強(qiáng)，有利于空氣液化。中試裝置增壓膨脹機(jī)入口溫度為130.55 K，在不影響主換熱器傳熱溫差的前提下可以適當(dāng)提高該溫度。
中試裝置區(qū)別于克勞德循環(huán)的另一獨(dú)特之處在于分出一小股流體節(jié)流制冷（狀態(tài)點(diǎn)13），將高壓空氣在過(guò)冷換熱器中進(jìn)一步預(yù)冷。節(jié)流制冷流量m13對(duì)液化率和液化能耗的影響如圖8(a)所示，隨著m13增大，液化率線性增加，液化能耗逐漸降低。對(duì)比圖8(a)和圖7(a)，不難發(fā)現(xiàn)m13和m6的影響規(guī)律是一致的。分流的m13和m6都發(fā)揮制冷作用，由于增壓膨脹機(jī)的不可逆損失比節(jié)流閥更小，因此大部分制冷量由增壓膨脹機(jī)提供。除上述兩部分制冷量之外，儲(chǔ)能過(guò)程還有一部分制冷量為蓄冷量Qcs。蓄冷量越大則液化率越高、液化能耗越低，如圖8(b)所示。蓄冷量來(lái)自釋能過(guò)程的汽化器，僅回收了110 K到180 K的冷量88.4 kW，被儲(chǔ)能過(guò)程利用了77.1 kW?；?zé)崞魉哂械?80 K到254 K的冷量（35.6 kW）被加熱器6消耗，實(shí)際上被浪費(fèi)了。若將釋能過(guò)程回?zé)崞鞯睦淞炕厥眨蛇M(jìn)一步提升液化率、降低液化能耗。
為方便比較上述具有不同量綱的參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程的影響程度，將這些參數(shù)無(wú)量綱化，用液化能耗的變化率和參數(shù)變化率比值的絕對(duì)值來(lái)表示各關(guān)鍵參數(shù)的影響程度。這些無(wú)量綱比值越大說(shuō)明該參數(shù)。系統(tǒng)性能的影響程度越大。如表6所示，儲(chǔ)能過(guò)程中對(duì)液化能耗影響最大的關(guān)鍵參數(shù)是增壓膨脹機(jī)分流量m6，影響最小的參數(shù)是節(jié)流后壓力p19。在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證增壓膨脹機(jī)分流量m6在最優(yōu)取值區(qū)間。
釋能高壓壓力p22直接決定了膨脹機(jī)組的入口壓力，圖9(a)表明p22越高釋能過(guò)程輸出功率越大，循環(huán)效率越高。同時(shí)，p22越高將使?fàn)顟B(tài)點(diǎn)22的比焓越大，導(dǎo)致汽化器可回收的冷量越少，因此循環(huán)效率的增速逐漸減緩。圖9(b)表明膨脹機(jī)入口溫度越高，釋能過(guò)程輸出功率越大，循環(huán)效率越高。同時(shí)，對(duì)加熱量的需求也越大。中試裝置的膨脹機(jī)級(jí)間再熱由60℃的發(fā)電廠余熱供熱，因此膨脹機(jī)入口溫度不到330 K，限制了膨脹機(jī)的輸出功率。另一方面，壓縮機(jī)組的放熱量（972 kW）并未加以利用。將壓縮機(jī)組放熱量中高于60℃的部分加以利用，提高膨脹機(jī)入口溫度，可以有效提升釋能輸出功率和循環(huán)效率。
用單位做功量的變化率和參數(shù)變化率的比值表示各關(guān)鍵參數(shù)的影響程度。計(jì)算結(jié)果如表8所示，釋能過(guò)程中對(duì)單位做功量影響最大的關(guān)鍵參數(shù)是膨脹機(jī)入口溫度Tt,in，在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證Tt,in在最優(yōu)取值區(qū)間。
在上述控制變量法的基礎(chǔ)上，中試裝置8個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的初步優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表9。優(yōu)化后的儲(chǔ)能過(guò)程運(yùn)行在更低壓力，一方面降低了壓縮機(jī)能耗，另一方面以更低壓力儲(chǔ)存液空更安全可靠；優(yōu)化后的釋能過(guò)程運(yùn)行在更高的壓力和溫度，以增加做功量。中試裝置的循環(huán)效率從6%提高到8.4%。盡管循環(huán)效率有了一定程度的提升，但仍然很低，主要受限于工藝流程，比如壓縮熱未利用、180 K到254 K的冷量被浪費(fèi)等。參考表1中所列循環(huán)效率超過(guò)40%的LAES系統(tǒng)，中試裝置的流程可以在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）液化循環(huán)由克勞德循環(huán)調(diào)整為卡皮查循環(huán)；（2）增加儲(chǔ)熱循環(huán)，用以回收主壓縮機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī)的熱量，提升膨脹機(jī)入口溫度；（3）調(diào)整蓄冷循環(huán)，用單獨(dú)的蓄冷回路替代排出氣蓄冷的方案，使蓄冷溫度不再受限于排出氣溫度，進(jìn)一步回收冷量。
4、結(jié)論
文章根據(jù)Highview Power液化空氣儲(chǔ)能中試裝置的工藝流程建立了熱力學(xué)建模，利用公開(kāi)的測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了熱力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。該中試裝置循環(huán)效率僅6%，通過(guò)?分析發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能過(guò)程?損最大的設(shè)備是循環(huán)壓縮機(jī)，其?損占儲(chǔ)能過(guò)程總?損的55.7%；釋能過(guò)程?損最大的設(shè)備是汽化器，其?損占釋能過(guò)程總?損的42%?；厥諌嚎s熱、提升壓縮機(jī)等熵效率、優(yōu)化汽化器換熱溫差等措施將有效改善循環(huán)效率。
通過(guò)控制變量法探究關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程液化率、液化能耗、釋能過(guò)程輸出功率、循環(huán)效率的影響。結(jié)果表明盡量提升增壓膨脹機(jī)入口溫度、回收釋能過(guò)程回?zé)崞鞯睦淞坑兄谔嵘齼?chǔ)能過(guò)程液化率、降低液化能耗；提高釋能高壓壓力和膨脹機(jī)組入口溫度有助于提升系統(tǒng)的輸出功率和循環(huán)效率?？偨Y(jié)了一組優(yōu)化后的關(guān)鍵操作參數(shù)，使循環(huán)效率從6%提高到8.4%。
盡管控制變量法是揭示LAES關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律的常用方法，但其局限性在于無(wú)法對(duì)同類型變量進(jìn)行優(yōu)化分配。針對(duì)LAES系統(tǒng)開(kāi)展多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化值得進(jìn)一步的研究。此外，中試裝置的工藝流程存在一些不足，可以在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：將液化循環(huán)調(diào)整為卡皮查循環(huán)；增加儲(chǔ)熱循環(huán)回收壓縮熱；設(shè)置單獨(dú)的蓄冷循環(huán)。
作者：孫瀟，蔡春榮，羅志斌，王小博，朱光濤，裴愛(ài)國(guó)
