基于标准热阻法的压缩空气储能系统整体建模及能-㶲分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260111

发电技术 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (1): 122-132.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260111

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基于标准热阻法的压缩空气储能系统整体建模及能-㶲分析

胡泽灵¹, 郝俊红¹, 巨陈治¹, 马腾宇¹, 窦真兰², 李双江³

^1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市昌平区 102206
^2.国网上海市电力公司，上海市浦东新区 200122
^3.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北省石家庄市　050000

收稿日期:2025-02-07 修回日期:2025-03-25 出版日期:2026-02-28 发布日期:2026-02-12
通讯作者: 郝俊红
作者简介:胡泽灵(1999)，男，硕士研究生，研究方向为压缩空气储能，h17855538865@163.com；
郝俊红(1988)，男，博士，副教授，研究方向为储能与燃料电池、分布式能源系统，本文通信作者，hjh@ncepu.edu.cn；
巨陈治(2001)，女，硕士，研究方向为分布式能源系统的能力状态估计，jcz@ncepu.edu.cn；
马腾宇(1999)，男，硕士，研究方向为质子交换膜燃料电池，tyma1999@163.com；
窦真兰(1980)，女，博士，高级工程师，研究方向为综合能源系统、能源互联网、风力发电、氢能、储能和微电网等，douzhl@126.com；
李双江(1982)，男，正高级工程师，研究方向为压缩空气储能，li020532@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52176068)

Comprehensive Modeling and Energy-Exergy Analysis of Compressed Air Energy Storage Systems Based on Standard Thermal Resistance Method

Zeling HU¹, Junhong HAO¹, Chenzhi JU¹, Tengyu MA¹, Zhenlan DOU², Shuangjiang LI³

^1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China
^2.State Grid Shanghai Electric Power Company, Pudong New Area, Shanghai 200122, China
^3.Power China Hebei Electric Power Engineering Co. , Ltd. , Shijiazhuang 050000, Hebei Province, China

Received:2025-02-07 Revised:2025-03-25 Published:2026-02-28 Online:2026-02-12
Contact: Junhong HAO
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52176068)

摘要/Abstract

摘要：

目的为了有效提升压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)系统的储能特性和系统效率，对各部件的性能及其耦合特性进行了建模分析。方法针对CAES系统，应用标准热阻方法考虑换热部件的传递特性，结合储气装置与做功部件模型，构建传热、储气、做功耦合的完整热力学模型及能量、㶲分析模型，评价了压缩和膨胀过程中储(释)能质量流量比对系统性能的影响。揭示储气库最高储气压力与体积之间的关系对系统储能效率及储能密度的影响规律。结果随着储(释)能质量流量比的增加，压缩机的总能耗先降低后升高，膨胀机的输出功是先上升后降低，当储(释)能的质量比分别为1.2和1.3时，系统效率达到最高，为53.65%；另外，系统中首级压缩和膨胀机的㶲损最大，油-气换热器和压缩机的㶲损占系统总㶲损的69%。结论所建模型和研究结果对CAES运行策略具有一定的指导意义。

关键词: 压缩空气储能, 换热器, 热阻, 㶲损, 质量流量, 系统效率, 储气装置

Abstract:

Objectives In order to effectively improve the energy storage characteristics and system efficiency of compressed air energy storage (CAES) systems, the performance of each component and their coupling characteristics are modeled and analyzed. Methods In this study, for CAES systems, the standard thermal resistance method is applied to take into account the transfer characteristics of the heat exchange components. Combined with the gas storage device and the work component model, this study establishes a comprehensive thermodynamic model integrating heat transfer, gas storage, and work coupling, along with an energy and exergy analysis model. The influence of the mass flow rate of energy storage and release on the system performance during compression and expansion is evaluated. The pattern of influence of the relationship between the maximum gas storage pressure and volume of the gas storage reservoir on the system energy storage efficiency and energy storage density is revealed. Results With the increase of the mass flow rate of energy storage and release, the total energy consumption of the compressor first decreases and then increases, and the output work of the expander first increases and then decreases. When the mass rates of energy storage and release are 1.2 and 1.3, respectively, the system efficiency reaches the maximum value of 53.65%. In addition, the exergy loss of the first-stage compression and expander in the system is the largest, and the exergy loss of the oil-gas heat exchanger and the compressor accounts for 69% of the total exergy loss of the system. Conclusions The established model and the research findings provide important guidance for CAES operational strategy.

Key words: compressed air energy storage, heat exchanger, thermal resistance, exergy loss, mass flow, system efficiency, gas storage device

中图分类号:

TK 02

胡泽灵, 郝俊红, 巨陈治, 马腾宇, 窦真兰, 李双江. 基于标准热阻法的压缩空气储能系统整体建模及能-㶲分析[J]. 发电技术, 2026, 47(1): 122-132.

Zeling HU, Junhong HAO, Chenzhi JU, Tengyu MA, Zhenlan DOU, Shuangjiang LI. Comprehensive Modeling and Energy-Exergy Analysis of Compressed Air Energy Storage Systems Based on Standard Thermal Resistance Method[J]. Power Generation Technology, 2026, 47(1): 122-132.

图/表 15

图1 CAES系统图

Fig. 1 CAES system diagram

图2 逆流式换热器

Fig. 2 Counter-flow heat exchanger

图3 换热器并联换热网络

Fig. 3 Parallel heat exchanger network

图4 并联网络能量流模型

Fig. 4 Parallel network energy flow model

表 1 系统设计基本参数

Tab. 1 Design basic parameters for system

参数	取值
环境温度/K	293
环境压力/MPa	0.1
储气库体积/m³	310 000
储能压力/MPa	4.2~6.3
储气流量/(kg/s)	108
释气流量/(kg/s)	264

表 2 压缩段和膨胀段设计点基本参数

Tab. 2 Basic parameters for design points of compression and expansion sections

压缩段参数	取值	膨胀段参数	取值
压缩比	6.4、5.2、2.5	膨胀比	6.9、5.2
压缩机等熵效率	0.85	膨胀机等熵效率	0.90
流量/(kg/s)	108	流量/(kg/s)	264
热罐温度/K	507、357	冷罐温度/K	320
压缩总功率/MW	62	膨胀机功率/MW	93

表 3 不同储能空气流量下系统参数

Tab. 3 System parameters at different air flow rates for energy storage

储能比	质量流量/(kg/s)	储能时间/h	最终温度/K	单位耗功/(kJ/s)	总功/(MW⋅h)
0.7	75.6	18.37	350.44	43.47	798.37
0.8	86.4	16.06	350.6	49.68	797.61
0.9	97.2	14.26	350.73	55.89	796.88
1.0	108	12.83	350.80	62.10	796.92
1.1	118.8	11.66	350.93	68.31	796.59
1.2	129.6	10.68	350.99	74.52	795.89
1.3	140.4	9.86	351.07	80.73	795.99

图 5 储能时间、单位耗功和总功随储能质量比的变化曲线

Fig. 5 Variation curve of energy storage time, power per unit time and gross power with mass rate of energy storage

图 6 释能时间、单位耗功和总功随释能质量比的变化曲线

Fig. 6 Variation curve of energy release time, power per unit time and gross power with mass rate of energy release

图 7 储能效率随储释能质量比的变化曲线

Fig. 7 Variation curve of energy storage efficiency with mass rate of energy storage and release

表 4 2种工况下初始参数

Tab. 4 Initial parameters under two operating conditions

参数	取值
压力范围/MPa	4.3~6.2
储气库体积/m³	31×10⁴
储能时间/h	9.86
释能时间/h	3.55

表 5 工况1、工况2运行参数

Tab. 5 Operating parameters under condition 1 and condition 2

最高压力/ MPa	工况1		工况2
最高压力/ MPa	储气体积/m³	最终温度/K	储气时间/h	最终温度/K
5.8	388 800	347.31	7.86	347.31
6.0	345 000	349.66	8.87	349.68
6.2	310 000	351.89	9.86	351.89
6.4	282 850	353.90	10.81	353.90
6.6	29 250	355.89	11.79	355.88
6.8	239 290	357.78	12.77	357.78
7.0	222 090	359.59	13.77	359.59

表6 工况1、工况2下的释能时间和总功

Tab. 6 Energy release time and total work under condition 1 and condition 2

最高压力/MPa	工况1		工况2
最高压力/MPa	释能时间/h	总功/ (MW⋅h）	释能时间/h	总功/ (MW⋅h）
5.8	3.48	420.85	2.79	335.59
6.0	3.52	424.95	3.16	381.93
6.2	3.55	428.54	3.57	428.44
6.4	3.59	433.71	3.93	475.31
6.6	3.62	437.03	4.33	522.63
6.8	3.64	440.05	4.72	570.01
7.0	3.66	442.50	5.11	617.72

表7 工况1、工况2下的储能密度和储能效率

Tab. 7 Energy storage density and efficiency under condition 1 and condition 2

最高压力/MPa	工况1		工况2
最高压力/MPa	储能密度/ (MW⋅h/m³)	储能效率/%	储能密度/ (MW⋅h/m³)	储能效率/%
5.8	0.001 08	52.87	0.001 08	52.88
6.0	0.001 23	53.38	0.001 23	53.35
6.2	0.001 38	53.84	0.001 38	53.82
6.4	0.001 53	54.49	0.001 53	54.47
6.6	0.001 69	54.90	0.001 69	54.92
6.8	0.001 84	55.28	0.001 84	55.28
7.0	0.001 99	55.59	0.001 99	55.59

图 8 工况1、工况2下的储气库㶲损及占比

Fig. 8 Exergy losses and proportions in gas storage reservoir for condition 1 and condition 2

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基于标准热阻法的压缩空气储能系统整体建模及能-㶲分析

Comprehensive Modeling and Energy-Exergy Analysis of Compressed Air Energy Storage Systems Based on Standard Thermal Resistance Method

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