非补燃液态压缩空气储能系统性能模拟研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24030

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 910-918.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24030

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非补燃液态压缩空气储能系统性能模拟研究

姬海民¹, 薛磊², 周方盛³, 王电², 陈诚³, 李靖², 刘辉¹^,⁴, 薛宁¹, 张知翔¹, 徐党旗¹

^1.西安热工研究院有限公司，陕西省西安市 710054
^2.中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京市房山区 100086
^3.温州燃机发电有限公司，浙江省温州市 325000
^4.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市昌平区 102206

收稿日期:2024-04-01 修回日期:2024-05-01 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-10-29
作者简介:姬海民(1988)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为节能减排技术及新型储能技术，jihaimin@tpri.com.cn；
薛磊(1982)，男，高级工程师，主要研究方向为锅炉节能减排技术，15029203617@163.com；
周方盛(1976)，男，工程师，主要研究方向为燃气联合循环系统，46142620@QQ.com；
刘辉(1994)，男，硕士，工程师，主要研究方向为储能技术，liuhui@tpri.com.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52376016)

System Simulation Study on Performance of Non-Supplementary Combustion Liquid Compressed Air Energy Storage System

Haimin JI¹, Lei XUE², Fangsheng ZHOU³, Dian WANG², Cheng CHEN³, Jing LI², Hui LIU¹^,⁴, Ning XUE¹, Zhixiang ZHANG¹, Dangqi XU¹

^1.Xi’an Thermal Power Research Institute Co. , Ltd. , Xi’an 710054, Shaanxi Province, China
^2.China Petroleum and Chemical Corporation Beijing Yanshan Branch, Fangshan District, Beijing 100086, China
^3.Wenzhou Gas Turbine Power Generation Co. , Ltd. , Wenzhou 325000, Zhejiang Province, China
^4.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

Received:2024-04-01 Revised:2024-05-01 Published:2024-10-31 Online:2024-10-29
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52376016)

摘要/Abstract

摘要：

目的压缩空气储能是大容量、长周期、低成本、高效率的一种储能技术，由于气态压缩空气储能受制于储气室的苛刻要求，无法多场景、规模化推广应用，因此提出一种非补燃液态压缩空气储能系统。方法构建了系统理论计算模型，对系统内压缩机级间温度、压缩机级数、透平入口温度等关键参数进行了敏感性分析，同时与非补燃气态压缩空气储能系统进行了对比。结果压缩机级间温度过低或过高都会制约系统电-电转化效率的提升；压缩机级数与压缩机耗功呈现正相关趋势，与透平发电功率呈现负相关趋势；在入口压力相同的条件下，透平入口温度越高，发电功率越大，电-电转化效率越高；与非补燃气态储能系统相比，非补燃液态储能密度增加了3.7倍，储气室容积缩小了9/10。结论非补燃液态压缩空气储能系统有效解决了储气室的难题，使压缩空气储能技术能够在多场景、规模化推广应用，对火电机组深度调峰及电网大容量储能具有重要意义。

关键词: 储能, 调峰, 非补燃, 气态压缩空气储能, 液态压缩空气储能

Abstract:

Objectives Compressed air energy storage is a type of energy storage technology with large capacity, long cycle, low cost and high efficiency. Due to the strict requirements of gas storage chambers, gaseous compressed air energy storage cannot be widely promoted and applied in multiple scenarios and on a large scale. Therefore, a non-supplementary combustion liquid compressed air energy storage system was proposed. Methods A theoretical calculation model was constructed to conduct sensitivity analysis on key parameters such as compressor interstage temperature, number of compressor stages, and turbine inlet temperature within the system. The results were compared with those of a non-supplementary combustion gaseous compressed air energy storage system. Results Too low or too high interstage temperature in compressors will restrict the improvement of electric-electric conversion efficiency of the system. The number of compressor stages is positively correlated with compressor power consumption, and negatively correlated with the turbine power generation. Under the same inlet pressure, the higher the inlet air temperature of the turbine is, the larger the power generation is, and the higher the electric-electric conversion efficiency is. Compared with the non-supplementary combustion gaseous energy storage system, the density of non-supplementary combustion liquid energy storage system is increased by 3.7 times, and the volume of the storage chamber is decreased by 9/10. Conclusions The non-supplementary combustion liquid compressed air energy storage system effectively solves the problem of gas storage chambers, enabling compressed air energy storage technology to be promoted and applied in multiple scenarios and on a large scale. It is of great significance for deep peak shaving of thermal power units and large-scale energy storage in power grids.

Key words: energy storage, peak shaving, non-supplementary combustion, gaseous compressed air energy storage, liquid compressed air energy storage

中图分类号:

TK 02

姬海民, 薛磊, 周方盛, 王电, 陈诚, 李靖, 刘辉, 薛宁, 张知翔, 徐党旗. 非补燃液态压缩空气储能系统性能模拟研究[J]. 发电技术, 2024, 45(5): 910-918.

Haimin JI, Lei XUE, Fangsheng ZHOU, Dian WANG, Cheng CHEN, Jing LI, Hui LIU, Ning XUE, Zhixiang ZHANG, Dangqi XU. System Simulation Study on Performance of Non-Supplementary Combustion Liquid Compressed Air Energy Storage System[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(5): 910-918.

图/表 16

图1 非补燃液态压缩空气储能系统原理图

Fig. 1 Schematic diagram of non-supplementary combustion liquid compressed air energy storage system

图2 非补燃液态空气储能系统物理模型

Fig. 2 Physical model of non-supplementary combustion liquid air energy storage system

表1 非补燃压缩空气储能系统边界参数

Tab. 1 Boundary parameters of non-supplementary combustion compressed air energy storage system

参数	数值
第一级压缩机入口空气温度/℃	20
第一级压缩机入口空气压力/MPa	0.1
储能压缩压力等级/MPa	8.1
压缩机等熵效率/%	85
压缩机机械效率/%	98
蓄热器能量利用率/%	85
换热器端差/℃	20
导热油初始温度/℃	20
储能液态空气量/kg	15 500
储罐液态空气压力/MPa	2
储罐液态空气温度/℃	-155
液态空气密度/(kg/m³)	821
储罐尺寸/m	Φ4×5
液泵效率/%	80
液泵驱动效率/%	98
液泵出口压力等级/MPa	8.1
蓄冷器能量利用率/%	85
膨胀机级数	3
膨胀比	4
膨胀机等熵效率/%	85
膨胀机机械效率/%	98

表2 不同压缩机级间温度参数

Tab. 2 Temperature parameters of different compressor interstages

参数	工况1	工况2	工况3
压缩级数	4	4	4
压缩机级间温度/℃	45	65	85

图3 压缩机级间温度与压缩机消耗的电功率关系

Fig. 3 Relationship between compressor interstage temperature and electric power consumed by compressor

图4 压缩机级间温度与透平发电功率关系

Fig. 4 Relationship between compressor interstage temperature and turbine power generation

图5 压缩机级间温度与电-电转化效率、储能密度关系

Fig. 5 Relationship between compressor interstage temperature and electric-electric conversion efficiency and energy storage density

表3 不同压缩机级数工况参数

Tab. 3 Operating parameters of different compressor stages

参数	工况4	工况5	工况6
压缩级数	5	4	3
压缩机级间温度/℃	65	65	65
液泵消耗的电功率/kW	53	53	53

图6 压缩机级数与压缩机消耗的电功率关系

Fig. 6 Relationship between number of compressor stages and electric power consumed by compressor

图7 压缩机级数与透平发电功率的关系

Fig. 7 Relationship between number of compressor stages and turbine power generation

图8 压缩机级数与电-电转化效率、储能密度的关系

Fig. 8 Relationship between number of compressor stages and electric-electric conversion efficiency and energy storage density

表4 不同透平入口温度参数

Tab. 4 Different turbine inlet temperature parameters

参数	工况6	工况7	工况8
压缩级数	3	3	3
压缩机级间温度/℃	65	65	65
液泵消耗电功率/kW	53	53	53
一级透平入口温度/℃	301	351	401
二级透平入口温度/℃	279	329	379
三级透平入口温度/℃	196	246	296
外界输入热量/kW	0	342	689

图9 透平入口温度与发电功率的关系

Fig. 9 Relationship between turbine inlet temperature and power generation

图10 透平入口温度与电-电转化效率、储能密度的关系

Fig. 10 Relationship between turbine inlet air temperature and electric-electric conversion efficiency and energy storage density

表5 2种储能系统边界参数

Tab. 5 Boundary parameters of two types of energy storage systems

参数	非补燃液态	非补燃气态
压缩压力等级/MPa	8.1	8.1
压缩级数	3	3
压缩机级间温度/℃	65	65
储存物质状态	液态	气态
储存温度/℃	-155	20
储存压力/MPa	2	8.1
储存物质密度/(kg/m³)	821	87
储存质量/kg	15 500	15 500
液泵消耗电功率/kW	53	0

图11 2种压缩空气储能系统的透平发电功率对比

Fig. 11 Comparison of turbine power generation of two compressed air energy storage systems

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