面向火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)仿真研究
作者：韓瑞 廖志榮 于博旭 徐超 巨星
單位：華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院
引用：韓瑞, 廖志榮, 于博旭, 等. 面向火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)仿真研究[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(12): 3605-3615.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0547
本文亮點：1.重點分析了熱泵參數(shù)對熱泵性能系數(shù)（COP）和熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)往返效率（RTE）的影響 2.分析并比較了采用直接電加熱和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽兩種不同電轉(zhuǎn)熱形式的變工況系統(tǒng)效率。
摘 要 熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)將火電廠與儲能技術(shù)耦合，是實現(xiàn)機組靈活改造的有效途徑。該系統(tǒng)可采用新能源場站棄電或者電網(wǎng)低谷電直接或者通過熱泵循環(huán)間接加熱熔鹽，將電能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮艽鎯?，而后高溫熔鹽和鍋爐共同作為熱源來驅(qū)動汽輪機發(fā)電，從而達到減少煤炭使用甚至替代鍋爐的目的。為探究部件參數(shù)變化對火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的效率影響規(guī)律，本工作首先在Aspen Plus平臺中搭建了熱泵循環(huán)、熔鹽蒸發(fā)器以及典型600 MW亞臨界燃煤機組等模塊構(gòu)成的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)熱力學(xué)模型。其次，分析了熱泵的循環(huán)工質(zhì)、有/無回?zé)嵋约安考P(guān)鍵參數(shù)對熱泵制熱效率及系統(tǒng)儲能特性的影響規(guī)律。最后，比較了直接電加熱和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽的兩種不同電轉(zhuǎn)熱形式的儲能系統(tǒng)變工況效率。研究結(jié)果表明，有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)往返效率均高于無回?zé)嵯到y(tǒng)；對于有回?zé)嵯到y(tǒng)，氬氣作為熱泵循環(huán)工質(zhì)的回?zé)崞鳠嶝?fù)荷最低，然而氮氣作為熱泵循環(huán)工質(zhì)時，儲能系統(tǒng)的往返效率最高。在冷源溫度67 ℃、等熵效率0.9和機械效率1.0時，儲能系統(tǒng)額定工況的往返效率可達61.46%。此外，在額定工況下，采用熱泵的儲能系統(tǒng)相比于直接電加熱的系統(tǒng)往返效率提高了45.16%。本研究可為火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞 卡諾電池；火電廠改造；系統(tǒng)效率；熔鹽儲熱；數(shù)值模擬
隨著化石能源的逐步枯竭以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)火力發(fā)電為主的能源供應(yīng)體系正逐步過渡到以風(fēng)能和太陽能等清潔能源為主的新體系。為了緩解可再生能源高比例納入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成的沖擊，火電機組需靈活地變負(fù)荷來滿足供需平衡。耦合儲能技術(shù)的火電機組改造是實現(xiàn)機組靈活調(diào)峰的一種主要解決方案，其中，德國DLR學(xué)者提出可將火電機組改造成熔鹽卡諾電池(Carnot battery)的形式引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
卡諾電池，又名熱泵儲電技術(shù)，由電轉(zhuǎn)熱(P2H)、儲電(TES)和熱轉(zhuǎn)電(H2P)三部分組成。面向火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)，即保留原有的發(fā)電循環(huán)作為熱轉(zhuǎn)電部分，新增電加熱/逆布雷頓循環(huán)等作為電轉(zhuǎn)熱部分，同時引入低成本的熔鹽儲熱作為大規(guī)模儲電部分。因改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)利用了現(xiàn)有的燃煤電廠，故減少了工程的前期投資成本，這種極具潛力的儲能系統(tǒng)有望成為大規(guī)模電力存儲的新型儲能系統(tǒng)，促進電力系統(tǒng)對可再生能源發(fā)電的規(guī)?；{。
國內(nèi)外對熔鹽卡諾電池的研究主要涉及不同集成系統(tǒng)的構(gòu)建及效率分析、系統(tǒng)經(jīng)濟可行性和調(diào)峰性能等方面。Vinnemeier等研究了以環(huán)境為熱源，有回?zé)釤岜貌煌h(huán)工質(zhì)時的熱泵性能，分析了熱泵集成不同類型熱電廠的系統(tǒng)效率以及熱泵與電加熱器串聯(lián)的系統(tǒng)性能。Geyer等研究了電加熱熔鹽改造即將退役的煤電廠，分析了不同充放電時間、不同儲熱容量的改造成本和系統(tǒng)往返效率。Mahdi等集成了布雷頓循環(huán)熱泵、聚光太陽能發(fā)電和光伏發(fā)電(PV-CSP)混合發(fā)電廠，分析比較了不同循環(huán)工質(zhì)對系統(tǒng)的影響，最后分析了不同集成模式下的熱泵性能和系統(tǒng)往返效率。Wang等將熔融鹽蓄熱系統(tǒng)集成到燃煤電廠，提出抽取主蒸汽或再熱蒸汽儲存熱量和循環(huán)蒸汽返回低壓汽輪機或冷凝器的四種集成模式，并分析了四種集成模式的調(diào)峰性能。赫廣迅等基于300 MW等級亞臨界參數(shù)燃煤電站向儲能電站轉(zhuǎn)型的應(yīng)用場景，搭建了超高溫?zé)岜眉叭埯}儲換熱系統(tǒng)，并系統(tǒng)性研究了循環(huán)壓力區(qū)間和低溫?zé)嵩礈囟葘Τ邷責(zé)岜弥茻嵯禂?shù)的影響。
上述文獻表明，火電廠改造熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的研究主要集中于不同儲能系統(tǒng)效率比較、系統(tǒng)成本分析和調(diào)峰性能三個方面，而對熱泵參數(shù)變化下的系統(tǒng)性能分析不深入且不全面。對此，本工作在Aspen Plus平臺中搭建了含電轉(zhuǎn)熱、儲電、熱轉(zhuǎn)電三個子系統(tǒng)的熔鹽卡諾電池。在驗證模型之后，著重分析循環(huán)工質(zhì)、熱源入口溫度、壓縮機/膨脹機的等熵效率和機械效率以及冷源入口溫度等熱泵參數(shù)對熱泵性能系數(shù)(COP)的影響和熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)往返效率(RTE)的影響，最后分析并比較了直接電加熱和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽兩種不同電轉(zhuǎn)熱形式的儲能系統(tǒng)變工況效率。本研究可為面向火電廠改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供理論依據(jù)。
1 儲能系統(tǒng)物理及數(shù)學(xué)模型
1.1 熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)
如圖1所示，該系統(tǒng)主要由充電、儲電、放電三部分組成。充電部分所需要的電力可來源于太陽能/風(fēng)能等新能源場站的棄電或電網(wǎng)的低谷電，通過由壓縮機C1、膨脹機T1、冷源換熱器Hc、回?zé)崞鱄r和熱源換熱器Hh組成的熱泵循環(huán)將電能高效地轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的熱能；儲電部分中低溫熔鹽儲熱工質(zhì)經(jīng)過Hh被加熱成高溫熔鹽，并存儲在高溫熔鹽罐HT中，實現(xiàn)規(guī)?；瘍﹄?；電轉(zhuǎn)熱部分則由典型的600 MW亞臨界朗肯循環(huán)火電廠構(gòu)成。詳細(xì)的系統(tǒng)儲/釋電流程及原理介紹如下。
圖1 基于火力電站改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)示意圖
（1）充電過程：電力驅(qū)動熱泵循環(huán)壓縮機C1將工質(zhì)壓縮至高溫高壓狀態(tài)，高溫高壓工質(zhì)在熱源換熱器Hh和儲電介質(zhì)換熱，工質(zhì)溫度降低，將工質(zhì)熱量傳遞給儲電介質(zhì)。之后中溫循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過回?zé)崞鱄r和冷源換熱器Hc出口的低溫循環(huán)工質(zhì)換熱，溫度進一步降低，接著低溫高壓的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過膨脹機T1做功變?yōu)榈蜏氐蛪籂顟B(tài)。隨后，循環(huán)工質(zhì)進入冷源換熱器Hc和冷源換熱，溫度升高，而后進入回?zé)崞鱄r進一步升溫，最后中溫低壓的工質(zhì)進入壓縮機C1進入下一次熱力循環(huán)。經(jīng)過上述熱泵循環(huán)，將電能轉(zhuǎn)化成儲電介質(zhì)的熱能，實現(xiàn)電轉(zhuǎn)熱。
（2）放電過程：高溫熔鹽罐HT中泵出的高溫熔鹽分為兩股，其中一股高溫熔鹽進入過熱器SH和來自蒸發(fā)器EV的蒸汽進行換熱，使得蒸汽達到所需的主蒸汽溫度，此過程蒸汽溫度升高，熔鹽溫度降低。隨后高溫高壓的蒸汽進入高壓缸HPT，沖擊高壓缸HPT內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉片，推動軸承旋轉(zhuǎn)，在高壓缸HPT中將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機械能；另一股高溫熔鹽進入再熱器RH和高壓缸HPT部分抽汽進行換熱，使得蒸汽達到所需的再熱蒸汽溫度。此過程蒸汽溫度升高，熔鹽溫度降低，再熱后的部分高溫抽汽進入中壓缸IPT。隨后在中壓缸IPT和低壓缸LPT中將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機械能。換熱后的兩股中溫熔鹽合并為一股進入蒸發(fā)器EV和預(yù)熱器PH進一步與低溫蒸汽換熱，溫度較低的低溫熔鹽回到低溫熔鹽罐TH中進行下一次熱力循環(huán)。最后，通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。上述放電過程中，高溫熔鹽用來驅(qū)動朗肯循環(huán)發(fā)電，實現(xiàn)熱轉(zhuǎn)電。
需要補充說明的是，實際應(yīng)用中，充電過程也可以通過直接電加熱熔鹽來完成，本工作后續(xù)會具體分析變工況下的電加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)效率的區(qū)別。此外，假如電站作為電力系統(tǒng)基礎(chǔ)負(fù)荷，鍋爐持續(xù)運行時，當(dāng)電網(wǎng)處于谷電且鍋爐不能適時地變負(fù)荷來滿足供需平衡時，系統(tǒng)可通過適量抽取汽輪機中的蒸汽，并將高溫蒸汽熱量用來加熱熔鹽儲電工質(zhì)，減小汽輪機的輸出功率，以達到調(diào)峰和儲熱的作用。而當(dāng)電網(wǎng)處于峰電且鍋爐負(fù)荷不能實時地變負(fù)荷來滿足供需平衡時，可通過釋放高溫儲罐中的熱鹽與鍋爐共同作用，來增加汽輪機的輸出功率。由于本工作重點討論熱泵循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)影響，因此下述分析中熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的鍋爐均無負(fù)載，不參加儲能過程。
1.2 儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
在建立能量分析過程中，本工作設(shè)立幾點假設(shè)：
① 其中忽略換熱器和管道的壓降；
② 所有操作過程均達到穩(wěn)定狀態(tài)；
③ 壓縮過程和膨脹過程均是絕熱；
④ 放電過程中膨脹機的等熵效率和機械效率是恒定的。
1.2.1 儲電部分
初始循環(huán)工質(zhì)為氬氣，無回?zé)岬臒岜醚h(huán)壓比為12.4，壓縮機與膨脹機的等熵效率為0.88、機械效率為0.98；有回?zé)岬臒岜醚h(huán)壓比為3，壓縮機與膨脹機的等熵效率為0.88、機械效率為0.98。壓縮機出口溫度均為589 ℃，冷源入口溫度均為27 ℃，熔鹽入口和出口溫度分別為290 ℃和560 ℃。
壓縮機出口壓力、壓縮機出口溫度、壓縮機耗功為：
式中，pcomp,out為壓縮機出口壓力，Pa；βcomp為壓縮機壓比；pcomp,in為壓縮機入口壓力，Pa；Tcomp,out為壓縮機出口溫度，K；Tcomp,in為壓縮機入口溫度，K；n為多變指數(shù)；Wcomp為壓縮機功率，kW；m為質(zhì)量流量，kg/s；hcomp,out為壓縮機出口比焓，kJ/kg；hcomp,in為壓縮機入口比焓，kJ/kg。
膨脹機出口壓力、膨脹機出口溫度、膨脹機做功為：
式中，ptur,out為膨脹機出口壓力，Pa；βtur為膨脹機壓比；ptur,in為膨脹機入口壓力，Pa；Ttur,out為膨脹機出口溫度，K；Ttur,in為膨脹機入口溫度，K；n為多變指數(shù)；Wtur為膨脹機功率，kW；htur,out為膨脹機出口比焓，kJ/kg；htur,in為膨脹機入口比焓，kJ/kg。
換熱器能量平衡方程為：
式中，m1為熱流股質(zhì)量流量，kg/s；m2為冷流股質(zhì)量流量，kg/s；h1,in為熱流股入口比焓，kJ/kg；h1,out為熱流股出口比焓，kJ/kg；h2,in為冷流股入口比焓，kJ/kg；h2,out為冷流股出口比焓，kJ/kg。
1.2.2 放電部分
汽輪機等熵膨脹過程中做功為：
式中，Wj為機組j的等熵膨脹輸出功率，kW；ηs為等熵效率；ηm為機械效率；m為進入各機組的工質(zhì)流量；圖片為等效焓降，kJ/kg。
整個汽輪機的出力可通過累加得到：
式中，W即為整個汽輪機的輸出功率，kW。
鍋爐換熱模型為：
式中，Qb為鍋爐熱負(fù)荷，kJ/s；m為質(zhì)量流量，kg/s；H為焓值，kJ/kg；ms為主蒸汽；rh為再熱蒸汽；crh為再熱冷端蒸汽；bfw為鍋爐給水。
加熱器模型為：
式中，hj為j級抽汽比焓，kJ/kg；hd, j為j級加熱器疏水比焓，kJ/kg；hw, j為j級加熱器出口水比焓，kJ/kg；h圖片為j級加熱器進口水比焓，kJ/kg；Ej為j級加熱器的類型。
1.2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)
充電熱泵循環(huán)性能通過制熱系數(shù)(COP)來衡量，其定義為熱泵的供熱量與運行消耗的功量之比，即
汽輪機組熱耗率q0是指汽輪發(fā)電機組每發(fā)一千瓦時電量耗用的熱量，反映汽輪發(fā)電機組熱力循環(huán)的完善程度，表示為：
式中，q0為機組熱耗率；D為流量，t/h；h為焓值，MJ/t；ms為主蒸汽；rh為再熱蒸汽；jw為減溫水；crh為再熱冷端蒸汽；bfw為鍋爐給水。
汽輪機的絕對電效率ηe為：
機組總熱效率η機組的定義為機組總發(fā)電量與鍋爐輸入燃料熱值之比，即
式中，B為鍋爐燃料量，t/h；QLHV為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg。
儲能系統(tǒng)的往返效率RTE可以通過能量的總輸出與能量的總輸入之比來表示，在穩(wěn)態(tài)的情況下，可以考慮為幾個部件效率的累積[10]，即
2 模型驗證與參數(shù)分析
2.1 系統(tǒng)建模與驗證
本工作在Aspen Plus平臺中分別搭建了熱泵、熔鹽蒸發(fā)器和燃煤電廠等子系統(tǒng)，模擬獲得系統(tǒng)的熱力參數(shù)及性能。對于發(fā)電部分，研究對象是國產(chǎn)亞臨界600 MW機組，型號為N600-16.7/537/537，機組回?zé)岵捎谩叭?、四低、一除氧”。對于汽輪機部分，流程組分選擇Water工質(zhì)，物性方法選擇STEAM-TA。為驗證Aspen軟件模擬火電廠熱力性能的準(zhǔn)確性，對三種典型工況(100%額定工況、75%額定工況和30%額定工況)進行了模擬，將三個工況下汽輪機的電功率、熱耗率及熱效率等熱力指標(biāo)與設(shè)計值進行了對比，見表1。結(jié)果表明，模擬值與電廠的汽輪機設(shè)計值具有高度的一致性，不同工況下的電功率、熱耗率和熱效率模擬值與設(shè)計值誤差均低于0.1%。上述對比表明，本工作模型具有較高的準(zhǔn)確性。
表1 典型工況下系統(tǒng)熱力指標(biāo)與模擬值對比
對于熔鹽蒸發(fā)器系統(tǒng)，換熱器用HeatX模塊進行搭建，換熱器熔鹽側(cè)物性選擇WILSON，汽水側(cè)選擇STEAM-TA。熔鹽蒸發(fā)器中熔鹽側(cè)和汽水側(cè)的溫度和流量等參數(shù)見表2。此模型和文獻[21]關(guān)系吻合。
表2 熔鹽蒸發(fā)器熱力參數(shù)
對于熱泵系統(tǒng)，循環(huán)工質(zhì)選用氬氣、儲熱介質(zhì)選擇太陽鹽(60% NaNO3-40% KNO3)，另一側(cè)介質(zhì)選用甲醇的無回?zé)岬哪Ｐ团c文獻[22]進行對比驗證，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，熱泵模型具有較高的準(zhǔn)確性。
表3 熱泵參數(shù)對比
2.2 熱泵參數(shù)影響分析
由于熱泵的設(shè)計對充電和整個儲能系統(tǒng)的往返效率起著決定性的作用。因此，本節(jié)分析有回?zé)岷蜔o回?zé)岬臒岜脴?gòu)型及熱泵參數(shù)對熱泵制熱系數(shù)和整個儲能系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。本工作首先分析不同熱泵循環(huán)工質(zhì)的影響并確定合適的循環(huán)工質(zhì)；而后分析熱泵熱源入口溫度的影響，確定熔鹽進出口溫度，進而確定熱泵制熱量。在此基礎(chǔ)上分析熱泵循環(huán)中壓縮機/膨脹機的等熵效率/機械效率、冷源入口溫度、壓縮機入口溫度和熱泵工質(zhì)流量的影響規(guī)律。
為了控制變量的原則，在各變量的參數(shù)分析過程中，系統(tǒng)其他固定變量的取值匯總?cè)绫?所示。
表4 熱泵參數(shù)中變量和固定變量的取值匯總表
2.2.1 循環(huán)工質(zhì)
由于循環(huán)工質(zhì)的物理性質(zhì)不同，工質(zhì)的選取會直接影響熱泵的制熱系數(shù)和整個儲能系統(tǒng)效率。本研究選取了氬氣、氮氣和二氧化碳等3種代表性氣體作為熱泵系統(tǒng)中的循環(huán)工質(zhì)。計算過程中，系統(tǒng)有回?zé)崆义仩t無負(fù)載，壓縮機的壓比為3，壓縮機出口溫度為589 ℃，冷源入口溫度均為27 ℃，熱源換熱器Hh熔鹽側(cè)進出口溫度分別為290 ℃和560 ℃。表5給出了3種熱泵循環(huán)的工質(zhì)流量、COP、回?zé)崞鳠嶝?fù)荷Qr及儲能系統(tǒng)RTE的模擬結(jié)果。結(jié)果表明，氬氣、氮氣和二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)時，熱泵COP分別為1.299、1.306和1.296，儲能系統(tǒng)RTE分別為56.73%、57.03%和56.60%，結(jié)果區(qū)別并不明顯。
表5 不同工質(zhì)類型對熱泵COP和儲能系統(tǒng)RTE的影響
然而，三者的壓縮機入口溫度分別為261.5 ℃、350 ℃和432 ℃，回?zé)崞鳠嶝?fù)荷Qr分別為883.02 MW、1508.07 MW和2552.38 MW。氮氣可以看作雙原子理想氣體，比熱容比為1.40；氬氣作為單原子氣體，比熱容比為1.66。根據(jù)式(7)可得，當(dāng)冷股入口溫度一定時，出口溫度越低，焓值越低，熱負(fù)荷越低，所以氬氣作為熱泵循環(huán)工質(zhì)時回?zé)崞鳠嶝?fù)荷Qr最低。在參考文獻[10]及本工作研究結(jié)果后，本工作后續(xù)分析中熱泵系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)選擇氬氣。
2.2.2 熱源入口溫度
當(dāng)熔鹽出口溫度一定時，為了維持能量平衡，熔鹽入口溫度的變化會導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)側(cè)出口溫度、熱源換熱器制熱量Qh以及膨脹機T1做功量Wt變化，從而會導(dǎo)致熱泵的制熱系數(shù)和整個儲能系統(tǒng)效率的變化。圖2依次為無回?zé)岷陀谢責(zé)釙r熔鹽入口溫度對熱泵COP的影響。從圖2可以看出，熱泵COP隨著熔鹽入口溫度的升高而降低。由圖2(a)和(b)可得，熔鹽入口溫度從285 ℃升高到320 ℃時，無回?zé)嵯到y(tǒng)循環(huán)凈功W0從896.75 MW減少到820.25 MW，熱泵COP下降了0.05。有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱源回?zé)崞鳠嶝?fù)荷Qh從1097.22 MW大幅減少到959.15 MW，循環(huán)凈功從820.25 MW減少到773.49 MW，熱泵COP下降了0.1?？梢钥闯觯埯}入口溫度對有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱泵COP影響波動更大。熔鹽入口溫度的變化會影響熔鹽蒸發(fā)器模塊中蒸汽的出口溫度的變化，導(dǎo)致汽輪機效率的變化?？紤]到本工作所用的二元硝酸鹽的工作溫度，后續(xù)研究中Hh熔鹽側(cè)進、出口溫度分別為290 ℃和560 ℃。
圖2 熔鹽入口溫度T0對熱泵COP的影響(a) 無回?zé)幔?b) 有回?zé)?
2.2.3 壓縮機/膨脹機等熵效率
實際壓縮機和膨脹機工作時一般多為多變過程，隨著壓縮/膨脹過程的等熵效率的變化，壓縮機C1的功耗Wcomp和膨脹機T1的做功Wtur也在發(fā)生變化，從而會導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的COP和整個系統(tǒng)往返效率的變化。圖3依次給出了無回?zé)岷陀谢責(zé)釙r壓縮機/膨脹機等熵效率的變化對熱泵COP和儲能系統(tǒng)RTE的影響。由圖3(a)和(b)可得，熱泵的COP隨著等熵效率的升高而迅速升高，基本呈線性關(guān)系。當(dāng)壓縮機等熵效率為0.90，膨脹機等熵效率由0.86增大到0.90時，無回?zé)釤岜肅OP從1.15提高到了1.21，有回?zé)釤岜肅OP從1.30提高到1.37；而當(dāng)膨脹機等熵效率為0.90，壓縮機等熵效率由0.86提高到0.90時，無回?zé)釤岜肅OP從1.16提高到了1.21，有回?zé)釤岜肅OP從1.27提高到了1.37。因此可得，無回?zé)釙r膨脹機的等熵效率對熱泵COP的影響大于壓縮機；有回?zé)釙r則是壓縮機等熵效率的影響更大。由圖3(c)可得，隨著等熵效率從0.86提高到0.90，無回?zé)岷陀谢責(zé)醿δ芟到y(tǒng)RTE分別從47.89%、54.23%提高到52.93%、57.93%。這表明等熵效率的變化對無回?zé)岬膬δ芟到y(tǒng)RTE的影響更大。
圖3 壓縮機/膨脹機等熵效率ηl對熱泵COP和系統(tǒng)RTE的影響(a) 無回?zé)幔?b) 有回?zé)幔?c) 往返效率
2.2.4 壓縮機/膨脹機機械效率
軸承摩擦、空氣阻力等導(dǎo)致壓縮機/膨脹機機械效率下降會直接影響熱泵儲熱過程中輸入/輸出的軸功和儲能過程的功量，從而影響整個儲能系統(tǒng)的往返效率。圖4依次給出了無回?zé)岷陀谢責(zé)釙r壓縮機/膨脹機機械效率的變化對熱泵COP和儲能系統(tǒng)RTE的影響。由圖4(a)和(b)可得，熱泵的COP隨著機械效率的升高而升高。當(dāng)壓縮機機械效率為1.00，膨脹機機械效率從0.95增加到1.00時，無回?zé)釤岜肅OP從1.14提高到了1.21，有回?zé)釤岜肅OP從1.30提高到1.37。而當(dāng)膨脹機機械效率為1.00，壓縮機機械效率由0.95提高到1.00時，無回?zé)釤岜肅OP從1.08提高到了1.21，有回?zé)釤岜肅OP從1.23提高到了1.37。因此可得，無/有回?zé)釅嚎s機的機械效率對熱泵COP的影響均大于膨脹機。由圖4(c)可得，隨著機械效率從0.95提高到1.00，無回?zé)岷陀谢責(zé)嵯到y(tǒng)RTE分別從44.79%、52.61%提高到52.93%、57.93%。這表明機械效率的變化對無回?zé)岬膬δ芟到y(tǒng)RTE的影響更大。
圖4 壓縮機/膨脹機機械效率ηm對熱泵COP和系統(tǒng)RTE的影響(a) 無回?zé)幔?b) 有回?zé)幔?c) 往返效率
2.2.5 冷源入口溫度
冷源入口溫度的變化會對冷源換熱器熱負(fù)荷Qc以及循環(huán)工質(zhì)出口溫度有一定影響，會影響壓縮機/膨脹機的耗功/做功量，進而影響整個儲能系統(tǒng)的往返效率。圖5依次給出了無回?zé)岷陀谢責(zé)釙r冷源入口溫度的變化對熱泵COP和儲能系統(tǒng)RTE的影響。由圖5(a)和(b)可得，熱泵的COP隨著冷源入口溫度的升高而升高。無回?zé)釙r，冷源入口溫度從17 ℃提高到67 ℃，循環(huán)工質(zhì)的溫度也隨之升高，不再需要很大的壓比即可達到所需的溫度，壓縮機壓比從13.5降到了9.12。有回?zé)釙r，為了控制變量，保證壓縮機出口溫度不變，當(dāng)冷源溫度從17 ℃提高到67 ℃，回?zé)崞鞑辉傩枰芨叩臒嶝?fù)荷即可達到壓縮機入口所需的溫度，回?zé)崞髫?fù)荷從921.67 MW降到了734.87 MW。由圖5(c)可得，隨著冷源入口溫度從17 ℃提高到67 ℃，無回?zé)岷陀谢責(zé)嵯到y(tǒng)RTE分別從52.18%、57.03%提高到56.73%、61.46%。這表明適當(dāng)?shù)靥岣呃湓吹娜肟跍囟瓤梢蕴岣邿岜肅OP和儲能系統(tǒng)的RTE。
圖5 冷源入口溫度T1對熱泵COP和系統(tǒng)RTE的影響(a) 無回?zé)幔?b) 有回?zé)幔?c) 往返效率
2.2.6 壓縮機入口溫度
壓縮機入口溫度改變會導(dǎo)致壓縮機耗功變化，同時回?zé)崞鞒隹谘h(huán)工質(zhì)的溫度也會隨之變化，導(dǎo)致膨脹機做功和凈功發(fā)生改變，從而影響整個儲能系統(tǒng)的往返效率。圖6為有回?zé)釙r熱泵壓縮機入口溫度對熱泵COP和RTE的影響。由圖6可得，熱泵的COP和儲能系統(tǒng)的RTE隨著熱泵循環(huán)工質(zhì)流量的增加而降低。當(dāng)壓縮機入口溫度從261.5 ℃升高到298 ℃，循環(huán)凈功W0從811.75 MW增加到867 MW，熱泵COP從1.37下降到了1.24，儲能系統(tǒng)RTE從57.92%下降到了54.23%。由此可知，當(dāng)熱泵壓縮機壓比一定時，在滿足制熱量的范圍內(nèi)，適時地降低熱泵壓縮機入口溫度，可以提高熱泵COP和儲能系統(tǒng)的RTE。
圖6 壓縮機入口溫度T2對熱泵COP和儲能系統(tǒng)RTE的影響
2.2.7 循環(huán)工質(zhì)流量
循環(huán)工質(zhì)流量的變化會導(dǎo)致壓縮機/膨脹機的耗功/做功量的變化，進而影響整個儲能系統(tǒng)的往返效率。圖7為有回?zé)釙r熱泵循環(huán)工質(zhì)流量對熱泵COP和RTE的影響。由圖7可得，當(dāng)循環(huán)工質(zhì)流量從6800 kg/s提高到7225 kg/s，熱泵系統(tǒng)的循環(huán)凈功W0從811.75 MW增加到845.75 MW，熱泵COP從1.37降低到1.27，儲能系統(tǒng)RTE從57.92%降低到55.59%。由此可知，在滿足制熱需求的同時，適當(dāng)?shù)販p小熱泵的循環(huán)工質(zhì)流量，可提高熱泵COP和儲能系統(tǒng)的RTE，甚至可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
圖7 循環(huán)工質(zhì)流量m0對熱泵COP和系統(tǒng)RTE的影響
2.3 電加熱/熱泵儲能系統(tǒng)對比
圖8為鍋爐無負(fù)載時，汽輪機額定工況(100% THA)、75%額定工況(75% THA)和30%額定工況(30% THA)三種工況下直接采用電加熱熔鹽和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽的兩種不同卡諾電池儲能系統(tǒng)的效率和同等工況下原燃煤電廠的效率對比。其中，燃煤電廠的鍋爐熱效率為0.91，電加熱效率為0.97，熱泵COP為1.41。由圖8可得，汽輪機100% THA時，電加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)效率分別可達到42.34%和61.46%；汽輪機75% THA時，電加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)效率分別為40.89%和59.31%；汽輪機30% THA時，電加熱熔鹽儲能系統(tǒng)和利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽儲能系統(tǒng)效率分別為37.56%和54.49%。不同工況下利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)效率最高，其次是電加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)，由于電加熱的效率高于鍋爐的效率，所以原燃煤電廠效率最低。因此可得，熱泵循環(huán)加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)在燃煤電廠改造成儲能電站方面有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?
圖8 燃煤電廠(CFPP)、電加熱儲能系統(tǒng)(EH)、熱泵儲能系統(tǒng)(HP)效率對比
3 結(jié)論
本工作搭建了面向火電站改造的熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)，模擬了儲能系統(tǒng)的熱力學(xué)分析模型，探究了熱泵部件參數(shù)對熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的影響規(guī)律，并對比了不同工況下利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽和電加熱熔鹽卡諾電池儲能系統(tǒng)的效率。本工作的主要結(jié)論如下：
（1）儲能系統(tǒng)電轉(zhuǎn)熱部分的熱泵循環(huán)工質(zhì)采用氮氣時，熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)效率最高，分別為1.306和57.03%；采用氬氣時，熱泵制熱系數(shù)較高，回?zé)崞鳠嶝?fù)荷最低，分別為1.299和883.02 MW；而采用二氧化碳時，熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)效率最低，分別為1.296和56.90%。當(dāng)氬氣循環(huán)工質(zhì)流量為6800 kg/s，等熵效率為0.9，機械效率為1.0，冷源溫度為67 ℃時，熱泵制熱系數(shù)為1.41，儲能系統(tǒng)效率達到61.46%。
（2）提高等熵效率、機械效率和冷源入口溫度有助于增大熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)效率，而增加循環(huán)工質(zhì)流量和壓縮機入口溫度則會降低熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)效率。其中，壓縮機/膨脹機的機械效率對系統(tǒng)的熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)效率影響最大，冷源入口溫度、熱源入口溫度和壓縮機/膨脹機的等熵效率的影響次之，循環(huán)工質(zhì)流量、壓縮機入口溫度影響較小，在制熱量一定的前提下循環(huán)種類的影響最小。
（3）在額定工況下，利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽比電加熱熔鹽的卡諾電池儲能系統(tǒng)效率提高了45.16%；在75%額定工況下，利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽比電加熱熔鹽的卡諾電池儲能系統(tǒng)效率提高了45.05%；在30%額定工況下，利用熱泵循環(huán)加熱熔鹽比電加熱熔鹽的卡諾電池儲能系統(tǒng)效率提高了45.07%。
符號說明
符號 —— 符號說明
CFPP —— 燃煤電廠
COP —— 熱泵制熱效率
CT —— 冷卻塔
EH —— 電加熱
EV —— 蒸發(fā)器
G —— 發(fā)電機
H2P —— 電轉(zhuǎn)熱
h —— 焓值，kJ/kg
Hc —— 冷源換熱器
Hh —— 熱源換熱器
Hr —— 回?zé)崞?
HP —— 熱泵
HPT —— 高壓缸
Hj —— 第j級加熱器
IPT —— 中壓缸
LPT —— 低壓缸
m —— 質(zhì)量流量，kg/s
MSEV —— 熔鹽蒸發(fā)器
P2H —— 熱轉(zhuǎn)電
PH —— 預(yù)熱器
Q —— 熱量，kW
RH —— 再熱器
RTE —— 往返效率，%
SH —— 過熱器
TES —— 儲熱
T —— 溫度，K
W —— 功，kW
W0 —— 凈功，kW
ηm —— 機械效率，%
ηl —— 等熵效率
—— 壓比
下角標(biāo)
in —— 入口
out —— 出口
comp —— 壓縮
tur —— 膨脹
