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薛小軍1，胡剛剛1，陳衡1，呂佳陽1，徐鋼1，楊志平1，姜雪2
（1.熱電生產過程污染物監測與控制北京市重點實驗室（華北電力大學），北京市昌平區102206；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧省沈陽市110000）
摘要：為提高壓縮空氣儲能系統的性能，該文提出一種生物質氣化聯合循環系統與壓縮空氣儲能系統集成的新方案。儲能過程中，利用聯合循環系統的給水冷卻高溫壓縮空氣。釋能過程中，在聯合循環系統中的余熱鍋爐部分布置旁路煙道。來自儲氣罐的壓縮空氣經旁路煙道加熱后，直接通入至聯合循環系統的燃燒室。該耦合方案采用能量梯級利用的原理，可以實現系統效率的提升；同時還可以節省常規壓縮空氣儲能系統中的蓄熱罐、蓄冷罐和膨脹機等設備。采用Ebsilon軟件對耦合系統進行模擬，并對耦合系統進行熱力學分析和經濟性分析。結果表明：新方案中壓縮空氣儲能系統的循環效率和能量密度分別為86.14%和7.48MJ/m³，整個集成系統的總效率為37.20%。此外，新方案的動態投資回收期為3.73年，凈現值為89.65萬元。該研究為提高壓縮空氣儲能系統的性能提供了新的技術選項。
0引言
目前，在中國發電行業中，燃煤發電機組依然是主力軍，其裝機容量占發電總裝機容量的56.58%[1]。化石燃料的大量消耗會帶來嚴重的環境污染、二氧化碳排放以及能源危機，這使得發展可再生能源成為未來能源發展的主要趨勢。截至2020年底，中國并網的風電和太陽能裝機容量分別為28153萬kW和25343萬kW，預計到2030年，全國風電和太陽能總裝機容量將達到12億kW以上[2]。
然而，可再生能源自身具有的間歇性和不穩定性會加劇電網負荷波動，對電網的安全穩定運行帶來諸多不利影響[3]。儲能技術的發展被認為是提高新能源消納和抑制電網負荷波動的有效手段[4-5]。在眾多儲能技術中，壓縮空氣儲能（compressed air energy storage，CAES）以其投資成本低、運行可靠性高和對環境影響小等優點，受到了廣泛的關注。國內外對于壓縮空氣儲能系統，已有大量研究，旨在不斷提高系統的性能，包括與其他熱力系統進行集成優化。Razmi等[6]提出一個將壓縮空氣儲能系統和兩個相鄰的風電場進行耦合的系統，該系統用于消納風電場的隨機電力輸出，高峰時段可以向電網增加91MW的電能輸出。Wu等[7]提出一個基于風力發電和太陽能發電的壓縮空氣儲能聯合系統，可實現56.4%的往返效率、3.9kW·h/m³的儲能密度以及75.6%的?效率。Jiang等[8]提出一種先進的三聯產微型壓縮空氣儲能系統，通過系統優化，提高了系統效率，同時每年可節約成本147820.0美元。Roushenas等[9]提出一個包括固體氧化物燃料電池系統和壓縮空氣儲能系統的新型耦合系統，可以提高用電高峰期的發電量，同時還可以降低固體氧化物燃料電池系統的投資成本。李斌等[10]提出將壓縮空氣儲能與燃煤電站相結合，通過提高釋能階段的空氣溫度和流量可以有效提高燃煤機組的自動增益效率（automatic gain control，AGC）響應速率。為了提高壓縮空氣儲能系統的做功能力和系統效率，楊承等[11]提出將太陽能和燃氣輪機冷熱電聯產與壓縮空氣儲能耦合的設計，結果表明，系統能量利用率可以提高5.68%。
生物質發電作為一種潛在的清潔發電技術，被認為可以實現碳零排放[12-13]。此外，生物質氣化聯合循環系統是一個復雜的熱力學循環，包含各種物質和能量轉化。因此，針對壓縮空氣儲能系統與生物質發電技術耦合也有一些相關研究，如Llamas、Razmi等學者對壓縮空氣儲能與生物質發電的耦合集成進行研究，主要集中于回收壓縮熱和提高膨脹機入口壓縮空氣溫度[14-15]。此外，在探索壓縮空氣儲能與生物質發電的系統集成方面，需要更多創新的思路。
因此，本文提出一種與生物質氣化聯合循環系統集成的新型壓縮空氣儲能系統。通過系統集成，不僅可以有效提高CAES系統的效率，還節省了傳統CAES系統的一些設備，如蓄熱、蓄冷和膨脹機，最終提高了系統的經濟性能。此外，基于系統建模和計算，從耦合系統的性能進行了分析。
1系統介紹
1.1生物質氣化聯合循環系統
本文選取東北某生物質氣化聯合循環（biomass gasification combined cycle，BIGCC）項目進行研究，該機組每小時消耗9.23t玉米秸稈。系統示意圖如圖1所示，生物質燃料的特性如表1所示。
BIGCC系統由3個主要部分組成：生物質氣化過程、合成氣凈化過程和發電過程。1）在生物質氣化過程中，生物質和空氣在流化床氣化爐中發生氣化反應，產生原始合成氣，并排出灰渣；2）在合成氣凈化過程中，原始合成氣通過凈化系統（包括合成氣分離、冷卻、洗滌），以降低合成氣溫度和分離雜質，并最終提供清潔合成氣；3）在發電過程中，凈化后的合成氣與高壓空氣在燃燒室中燃燒產生1237℃高溫煙氣，并驅動燃氣透平發電，同時帶動空壓機壓縮空氣。隨后，從燃氣透平排出的670℃的高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱給水，從而使排煙溫度降低至110℃；4）在蒸汽循環過程中，壓力為10.3MPa、溫度為505℃的蒸汽進入汽輪機做功，做功后的乏氣進入冷凝器冷卻形成凝結水，凝結水再通過給水泵送入余熱鍋爐。生物質氣化和凈化得到的清潔合成氣特性如表2所示，BIGCC系統設計參數如表3所示[16]。
1.2壓縮空氣儲能系統
本文選取某典型絕熱壓縮空氣儲能系統進行研究，其系統示意圖如圖2所示。該壓縮空氣儲能系統主要由1個電動機、2個壓縮機、2個膨脹機、4個換熱器、1個儲氣罐、1個蓄熱罐、1個蓄冷罐、1個節流閥和1個發電機等組成[17]。在儲能過程中，環境空氣經過兩級壓縮和兩級冷卻被存儲于儲氣罐中，壓縮熱被存儲于蓄熱罐中。在釋能過程中，存儲的壓縮空氣經節流閥調節以確保進入第一級膨脹機的壓力保持恒定。之后，高壓空氣經過兩級加熱和兩機膨脹帶動發電機發電，最終做功后的壓縮空氣排入大氣。壓縮空氣儲能系統主要參數如表4所示。
1.3集成系統的提出
本文提出一個壓縮空氣儲能系統與生物質氣化聯合循環系統集成的設計，如圖3所示。在儲能過程中，通過1號換熱器和2號換熱器，采用生物質氣化聯合循環系統中蒸汽循環的給水冷卻高溫壓縮空氣，隨后將冷卻后的空氣存儲于儲氣罐中。在釋能過程中，集成系統取消了原有壓縮空氣儲能系統的膨脹機和發電機，采用節流閥穩定壓縮空氣的釋放壓力；同時，在生物質氣化聯合循環系統中余熱鍋爐的蒸發器處平行布置了一個旁路煙道。在旁路煙道中設置空氣預熱器，采用部分煙氣加熱壓縮空氣。從儲氣罐釋放的壓縮空氣先后流經節流閥和空氣預熱器，并與1號壓氣機出口空氣匯集，一同進入燃燒室燃燒。通過設置節流閥和空氣預熱器，確保空氣預熱器出口壓縮空氣的壓力和溫度與1號壓氣機出口空氣的溫度和壓力相同。最終，來自壓縮空氣儲能系統的高溫高壓空氣替代部分1號壓氣機壓縮的空氣，從而降低壓氣機的電能消耗，提高了系統的凈輸出功率。
2系統分析方法
2.1基本假設
本文采用EBSILON Professional軟件對生物質氣化聯合循環系統和壓縮空氣儲能系統進行模擬和計算[18]。作為一種適用于發電行業的模擬軟件，EBSILON Professional具有豐富的模型庫和標準組件，可用于設計、優化和評估各種熱力系統[19]。為準確模擬文中各個系統的流程及評估各個系統的性能，提出以下假設[20]：
1）在集成系統與原有生物質氣化聯合循環系統中，生物質消耗量保持不變。
2）環境溫度和壓力分別為20.0℃和101.325kPa。
3）余熱鍋爐的排煙溫度保持不變。
4）系統處于穩定運行狀態。
5）不考慮周圍環境的影響。
基于以上假設，采用EBSILON軟件對系統進行模擬，結果分別與東北某生物質氣化聯合循環項目設計數據以及文獻[21]數據進行對比，對比結果如附錄表A1所示。結果表明：BIGCC系統和CAES系統的模擬結果與系統的設計數據誤差較小，模擬結果準確可信。
2.2能量分析
在系統模擬過程中，3種情況下（集成系統的儲能過程、釋能過程及原有BIGCC系統）的生物質燃料輸入量和排煙溫度均保持一致，因此，在3種情況下，系統的功率輸出各不同。有鑒于此，集成系統的能量分析是基于系統的電能輸入和電能輸出來評價的。本文根據熱力學第一定律，選擇壓縮空氣儲能系統的往返效率（R）和儲能密度（D）及整個集成系統的效率，來評估系統的性能。
2.3?分析
作為一種指導熱力系統優化的常用方法，?分析通過計算系統中每個部件的?損失，從而確定導致系統?損失的主要部件[25]。對于壓縮空氣儲能系統來說，其系統?效率可以定義為系統總的?輸出和總的?輸入的比值，表示為
2.4經濟性分析
為研究集成系統的經濟性效益，以杭州市分時電價為研究對象，假設在用電低谷時段（23:00—07:00）存儲電能，在用電高峰時段（10:00—14:00；18:00—21:00）釋放電能，通過低谷電價和高峰電價之間的電價差來實現集成系統的經濟收益[26]。基于杭州市分時電價政策，選取動態投資回收期（P）和凈現值（N）來評估集成系統的經濟性能。通常，項目的動態投資回收期越短，凈現值越多，則項目的經濟收益越好。動態投資回收期和凈現值可定義[27]為：
3結果分析與討論
3.1集成系統的參數
通過EBSILON軟件模擬，得到了集成系統的一些重要部件的參數，如表5所示。BIGCC系統和CAES系統之間的耦合集成主要包含：在儲能過程中采用BIGCC系統的給水回收壓縮空氣級間冷卻的熱量；在釋能過程中采用BIGCC系統的煙氣加熱來自儲氣罐中的壓縮空氣。在儲能過程中，來自2號壓氣機和3號壓氣機出口的壓縮空氣分別被1號換熱器和2號換熱器冷卻至50.0℃，因此共有0.28MW的熱量被給水回收。在釋能過程中，儲氣罐中的高壓空氣在空預器中被旁路煙道的煙氣加熱到415.6℃，共有0.98MW的熱量從煙氣轉移到壓縮空氣中。
3.2能量分析
在能量分析中，保持集成系統和BIGCC系統中的生物質消耗量不變，能量分析結果如表6所示。在8h的儲能過程中，CAES系統的耗電量為2.50MW·h，集成系統的輸出總功率為80.22MW·h，與參考的BIGCC相比增加了0.83MW·h，這是由于壓縮空氣儲能系統中壓縮空氣的熱量被回收。在2h的釋能過程中，集成系統的輸出總功率為21.17MW·h，與參考的BIGCC相比增加了1.32MW·h，這是由于釋放壓縮空氣可以減少集成系統中1號壓氣機的電能消耗。因此，CAES系統的往返效率（RTE）和儲能密度（ESD）分別為86.14%和7.48MJ/m³。與參考CAES系統往返效率67.01%相比，耦合系統中CAES系統的往返效率提高了19.13%。此外，集成系統的整體效率可以達到37.20%，與參考的BIGCC系統相比提高了0.43%。
為了進一步分析系統集成的節能機理，對BIGCC系統和集成系統的能量流動情況進行分析，系統的能流圖如圖4所示。在儲能過程中，壓縮空氣儲能系統中0.28MW的壓縮熱被BIGCC系統的給水獲得，導致集成系統的功率輸出增加約0.10MW。在釋能過程中，一方面，來自儲氣罐中的高壓空氣被加熱后直接通入至燃燒器中，從而減少了原有壓氣機的電能消耗，導致燃氣透平凈功率輸出增加約1.06MW。另一方面，使用煙氣加熱來自儲氣罐的壓縮空氣，從而減少了余熱鍋爐中傳遞給給水的熱量，從而導致蒸汽輪機的功率輸出減少約0.39MW。上述兩個方面在影響最終導致集成系統在釋能過程中的功率輸出增加約0.67MW。
3.3?分析
對壓縮空氣儲能系統的整體?效率以及系統中各個部件的?損失進行了分析，分析結果如表7所示。可以看出，在一個循環過程中，壓縮空氣儲能系統的輸入?主要包含電能和煙氣，因此壓縮空氣儲能系統的總輸入?為3.72MW·h。壓縮空氣儲能系統的輸出?主要包含空氣和壓縮熱，因此壓縮空氣儲能系統的總出?為2.35MW·h。由此可見，壓縮空氣儲能系統的?效率為63.17%，這也意味著系統?損失占36.83%。對壓縮空氣儲能系統中主要部件的?損失進行分析，可以看出：空氣預熱器是壓縮空氣儲能系統中?損失最大的部件，占系統總輸入?的9.95%。這是由于高溫煙氣和低溫壓縮空氣換熱溫差較大導致的?損失。此外，節流閥和2號換熱器為壓縮空氣儲能系統中?損失第二大和第三大?損失部件，約占8.07%和7.26%。因此，在系統優化過程中，可以重點關注這幾個部件的參數優化。
3.4經濟性分析
在經濟性分析中，本文在原有生物質氣化聯合循環系統的基礎上，新增壓縮空氣儲能系統。因此，對集成系統中新增壓縮空氣儲能部分的投資成本、年度總成本、年度總收入等進行詳細計算。集成系統中壓縮空氣儲能部分的投資成本主要包括設備購置成本，其估算方法詳見附錄表A2[28]。集成系統中壓縮空氣儲能部分的年度總成本包括年度耗電成本以及年度運行維護費，年度總收入包括年度凈發電收益。為準確評估集成系統的經濟性，設置了一些基本參數，如表8所示[26,28-30]。
基于以上條件，具體的經濟性分析結果如表9所示。新增壓縮空氣儲能系統的設備總投資為41.59萬元。集成系統中壓縮空氣儲能部分的年度總成本為22.16萬元，年度總收入為42.12萬元。新增壓縮空氣儲能系統的動態回收周期為3.73年，凈現值可達到89.65萬元。由此可見，集成方案具有較好的經濟收益。
4結論
本文提出一種基于生物質氣化聯合循環系統的新型壓縮空氣儲能系統。通過系統集成實現能量梯級利用，可以有效提高壓縮空氣儲能系統的效率；同時，還可以節省常規壓縮空氣儲能系統中的部分設備。基于熱力學理論和經濟性分析，對集成系統的性能進行評估，得出以下結論：
1）能量分析結果表明，壓縮空氣儲能系統的往返效率為86.14%，儲能密度為7.48MJ/m³。此外，集成系統整體效率為39.16%，相比原有生物質氣化聯合循環系統整體效率提高0.43%，由此可見，提出的集成系統可以提高系統效率。
2）?分析結果表明，壓縮空氣儲能系統的?耗效率為63.12%。空氣預熱器是壓縮空氣儲能系統中?損失最大的部件，其次是節流閥和2號換熱器。
2）經濟性分析結果表明，集成系統中壓縮空氣儲能部分的動態投資回收期為3.73年，凈現值為89.65萬元。由此可見，集成系統的設計有較好的經濟收益，有利于壓縮空氣儲能系統的發展。
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