盘管式蓄冷器在液化空气储能系统的应用研究

苏苗印，张 益，李晶晶

（杭州杭氧化医工程有限公司，杭州 310014）

0 引言

可再生能源利用是解决环境污染和能源短缺的有效方法，相较于传统的一次能源，可再生能源具有不稳定性和间歇性等不足。储能技术通过介质或设备把能量暂时存储，需要时释放，可平抑系统扰动、维持能量输出动态平衡和提高系统调度灵活性，确保可再生能源充分利用和平稳运行[1]。目前的储能技术包括以抽水蓄能、压缩空气储能及飞轮储能为代表的物理储能技术，以电池储能为代表的化学储能技术和以超导储能及以超导储能加超级电容为代表的电磁储能技术。由于容量密度或者运行费用等原因，现已大范围推广应用的只有空气储能技术和抽水蓄能技术[2-3]。

液化空气储能系统作为一种越来越受重视的压缩空气储能系统，具有储能密度高、调节灵活和安全可靠等优点，被认为是最具发展前景的压缩空气能技术[4-5]。随着液化储能技术的深入研究和商业推广，英国利兹大学与Highview Power研究人员提出的新型液化空气储能系统流程，通过充分利用工质状态变化过程中能量形式的转化以及冷量回收，采用现成可靠的标准设备，被风力发电系统广泛应用[6-7]。本文基于新型液化空气储能系统的典型工艺，提出了一种集换热和蓄冷功能于一体的盘管式蓄冷器方案，有效地提高系统的循环效率、降低了设备投资费用、优化了场地布置。

1 液化空气储能系统工作原理

液化空气储能系统在用电低谷时段储能，高峰时段释能，满足不同阶段能量的周期性输出，主要通过三个子系统切换操作实现：空气压缩及液化储存、液化空气加热气化及蓄冷、空气加热膨胀及发电[6-7]。系统工艺流程原理如图1所示[8]。

图1 液化空气储能系统工艺流程原理图Fig.1 Process flow diagram LAES system

在用电低谷时段（储能阶段），外接电源驱动压缩机对原料空气压缩做功，高压空气进入膨胀机膨胀对外做功降温，然后经低温液化换热装置液化成过冷液体，液空输出到贮槽暂时储存。

在用电高峰时段（释能阶段），液态空气从液空贮槽出去，加压后进气化器加温气化，气化后的高压空气冲击膨胀机高速旋转，膨胀机带动发电机输出电能。与此同时，系统蓄能时，循环风机驱动换热媒介将液空气化产生的冷量传递给蓄冷器暂时储存；系统释能时，蓄冷器的冷量通过换热媒介释放给液化换热装置，以实现液化空气储能系统的周期性循环[9]。

2 改进型液化空气储能流程

2.1 典型空气液化储能蓄冷流程

液化空气储能系统的液化、气化及蓄冷环节是液化空气储能系统的关键技术，其中蓄冷器为该环节的核心设备。

蓄冷器是以填料作为媒介实现冷热气流传递热量的换热器。当冷媒介通过时，冷量储存于填料，而冷媒本身被加热，称为蓄冷过程；当热媒介通过时，从填料取走冷量，热媒介质本身被冷却，称为释冷[10]。蓄冷器的蓄冷和释冷构成一个完整的换热周期，习惯上一般设置多个蓄冷器进行联合工作（串联或并联），以实现系统连续平稳的热交换。

液化空气储能系统中，通过阀门的开闭动作实现系统完整的换热过程如图2所示，当液化单元工作时（释冷过程），关闭阀门1、阀门3和阀门4，打开阀门2、阀门5和阀门6，蓄冷器储存的冷量传递给液化换热器；如图3所示，当气化单元工作时（蓄冷过程），关闭阀门2、阀门5和阀门6，打开阀门1、阀门3和阀门4，将气化换热产生的冷量传递给蓄冷器。

图2 液化单元工作原理图Fig.2 Liquefied Process Diagram

图3 气化单元工作原理图Fig.3 Evaporation Process Diagram

原理图显示，为了满足蓄冷器在不同时段的冷量储存和释放，需通过操作阀门关闭实现功能切换。所以，典型液化空气储能系统独立设置液化换热器和蓄冷器，虽然每个单体设备的结构相对简单，但是单元之间的联动操作非常复杂，且循环风机驱动的冷媒介质经过多次换热后冷量损失较大，设备总投资成本和总占地面积也相对较高。

2.2 改进型液化储能蓄冷流程

我国第二代空分设备即管式石头蓄冷器冻结全低压流程，采用卵石作为蓄冷器填料，蓄冷器内部结构嵌入紫铜盘管[10]。此类蓄冷器多通道工作，产品氮气和氧气始终在盘管内部换热，保证了氧氮产品不受污染，使产品纯度大幅度提高。为了清除冻结在石头上的二氧化碳和水分，二代空分除了采用交替切换方法外，还采用中间抽气法，蓄冷器段的配管及操作复杂[11]。区别于二代空分的蓄冷器工作方式，分子筛系统从上世纪80年代开始广泛应用在空分系统，液化换热前清除了空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物，使冷箱内的板式换热器仅起换热作用[12]。

如果将蓄冷器和分子筛系统结合使用，蓄冷器的多通道管束也能和板式换热器一样成为稳定的换热载体，无需频繁切换操作。另外，将蓄能容量更大的填料和多通道管束组合于单体设备，则此设备兼具换热和蓄冷功能，称为盘管式蓄冷器。

改进后液化空气储能系统的液化、气化及蓄冷流程应用了盘管式换热器，流程简图如图4所示，当气化单元工作时（蓄冷阶段），打开阀门，循环风机带动冷媒介质输送气化冷量给盘管式蓄冷器；当液化单元工作时（释冷阶段），关闭阀门或停止风机，储存在盘管式蓄冷器填料的冷量直接释放给被冷却介质，无需通过冷媒介质传递冷量。水分和二氧化碳，气体再次增压冷却后进入盘管式蓄冷器换热获取冷量，降温后的气体进入膨胀机膨胀液化后存储在液空贮槽。待发电工作时，液化空气蒸发气化的冷量传递至盘管式蓄冷器进行储存，空气通过盘管式蓄冷器既能实现换热，又能实现蓄冷，完全取代了典型系统的板式换热器和蓄冷器。

图4 改进型液化、气化及蓄冷流程简图Fig.4 Improved LAES process diagram

2.3 方案比较分析

液化空气储能系统循环效率ηtot为释能阶段的净输出功率Pout与蓄冷阶段的净输入功率Pin的比值[9]如式（1）：

图5为改进型液化空气储能系统的整体工艺流程，原料空气经过压缩后进入分子筛吸附系统脱除

如果不考虑外界系统的能量输入及其他系统内部工质转化和回收，则系统循环效率为式（2）：

式中：Pexp为发电机输出功率，kW；Ppum为液体泵消耗功率，kW；Pcom为压缩机消耗功率，kW。

图5 改进型液化空气储能系统图Fig.5 Improved LAES System Diagram

以国内首套500 kW液化空气储能示范项目为例，此项目采用了回收空气压缩热的冷热联动耦合方案，系统流程如图6所示。储能时，电能将原料空气压缩、分子筛吸附净化、空气循环增压、膨胀机制冷、液化冷箱利用冷能换热，使得空气冷却并液化，同时蓄热器存储该过程中释放的热能，用于释能时加热空气；释能时，液态空气经液空泵加压、气化器加热气化，推动膨胀机发电，同时蓄冷器存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。

图6 500 kW冷热联动液化空气储能系统图Fig.6 500 kW cold-heat linkage LAES system diagram

图7为项目典型方案的设备布置图，配电室与控制室两侧分别布置了液化装置和气化装置，图中东北方位处的板式换热器和东南方位处的蓄冷器独立布置。改进型的盘管式蓄冷器方案将板式换热器集成进蓄冷器内，与典型方案相比，可以省略板式换热器的场地布置。

图7 500 kW冷热联动液化空气储能设备布置图Fig.7 500 kW cold-heat linkage LAES equipment layout

蓄冷器和液化冷箱现场实物如图8所示，3个蓄冷器协同作业，由工艺管道连接后联动工作；板式换热器布置在液化冷箱内部，膨胀机贴邻冷箱放置在高位平台上方。

图8 蓄冷器和液化冷箱现场实物图Fig.8 Photos of Regenerator and Cold box in Site

表1为两方案技术经济指标对比结果，由于盘管式蓄冷器工艺流程简单，经过换热设备和管道的路径较短，冷量损失显著少于典型液化储能方案，从而使得系统循环效率有所提高。另外，盘管式蓄冷器替代了典型方案的板式换热器和蓄冷器，使总体设备平面布局更紧凑，设备总占地面积和总投资费用也相应减少。

表1 两方案技术经济指标对比Tab.1 Comparison result of technical and economic index

3 盘管式蓄冷器结构简述

3.1 充装填料

蓄冷器的蓄冷性能由充装的填料决定，对填料的性能一般要求：（1）足够的比热容；（2）较大的机械强度；（3）价格低廉。目前市面上运用在深冷低温领域较常见的蓄冷器填料有铝带、石头和瓷球填料，三者性能分析如表2所示[13-14]。除此之外，铅蓄冷和磁性蓄冷材料等近年来在低温制冷机中也陆续被使用[15]，考虑技术成熟度和性价比原因，本文暂不讨论。

表2 三种填料性能分析Tab.2 Performance of 3 kinds packing

瓷球填料比热、硬度和卵石填料较为接近，但是人造烧结的瓷球价格高于天然石头，且天然石头来源广泛，无需另外加工。铝带填料具有较高传热系数和比表面积，处理同样数量空气的石头蓄冷器比铝带蓄冷器约大4倍，石头蓄冷器或瓷球蓄冷器的优点是能嵌入盘管，铝带蓄冷器无法实现。所以，目前在无其他新材料发现或研制成功的条件下，石头填料仍然最适宜作为盘管式蓄冷器填料，石头原料可采用天然鹅卵石、玄武岩碎石或花岗岩碎石，石头规格为7～13 mm，形状尽可能趋于团状（如球状、椭圆状或圆滑多棱状）。

3.2 本体结构

盘管式蓄冷器为一个圆柱形容器，内外筒是真空粉末绝热结构，内外筒间填装珠光砂作为绝热材料。内筒选用能耐低温的不锈钢材料，外筒选用普通容器用钢，筒体上装有空气和冷媒出入连接管，外形结构示意图如图9所示。

盘管式蓄冷器圆筒内采用同轴双螺栓或多螺旋的形式布置了两根或以上相互缠绕的管子，在螺旋圈内布置一段直管，空气和冷媒分通道在盘管管束内通过，完成与填料的释冷或蓄冷。蓄冷器盘管材料为紫铜或不锈钢，每个管束外充满了卵石填料，为了加强筒体内部的换热效果，有文献指出管翅式结构能增加管束与填料换热面积[16]。

图9 盘管式蓄冷器外形结构示意图Fig.9 Coil Regenerator General Structure Drawing

3.3 简单热力工况

盘管式蓄冷器传热过程不稳定，蓄冷和释冷各截面的温度不仅沿高度变化而且随时间变化。石头填料作为中间载体，冷媒传递给填料的冷量和空气传递给填料的热量相等，用QP表示，计算如式（3）。

式中：GA为通过蓄冷器冷媒的流量，kg/s；GB为通过蓄冷器空气的流量，kg/s；CAP为冷媒的平均比热，kg/s；CBP为空气的平均比热，kg/s；ΔtA为通过蓄冷器冷媒被加热始末温差，℃；ΔtB为通过蓄冷器空气被冷却始末温差，℃；TA为冷媒通过蓄冷器的蓄冷周期，s；TB为空气通过蓄冷器的液化周期，s。

如果忽略蓄冷器填料和冷热气体传热损失、铜管导热热阻和径向温度分布差异，结合多孔传热传质理论[17]，建立动量方程和能量方程，如式（4）和式（5）：

式中：H为任意时刻焓值，H=h+ΔH，kJ/kg；ρ为密度，kg/m3；S为源项，kg·m/s；v为流体速度，m/s；T为温度，℃；t为时间，s；λ为导热系数，W/（m·K）。

以上公式描述了盘管流体的传热过程，图10绘制了温度为-170℃的空气通过盘管式蓄冷器时，填料逐渐冷却的多条曲线（蓄冷过程）。

图10 冷媒进入盘管式蓄冷器冷却曲线Fig.10 Performance curve of packing cooling

在冷端，进入盘管式蓄冷器的冷媒介质保持不变，但是填料的温度是变化的，冷媒连续通过时，填料温度曲线随着时间向右移动，逐渐地向横轴接近，经过6 h冷却，蓄冷器几乎完全冷了。当切换成液化模式后（释冷过程），空气连续通过时，填料被连续加热，填料温度曲线与蓄冷阶段总体变化规律是逆向一致的，曲线为随时间向左移动。

5 结论

本文在液化空气储能典型工艺流程的基础上，提出盘管式蓄冷器方案，简要讨论了盘管式蓄冷器结构及热力工况，得出结论：

（1）盘管式蓄冷器结构在第二代空分产品中已有成熟应用，将空分用蓄冷器改造后即可在液化空气储能系统中使用；

（2）液化空气储能系统涉及一系列热力过程，各参数间关联性强，改进型的盘管式蓄冷器方案可以有效提高整体循环效率；

（3）典型液化空气储能工艺利用阀门动作解决切换的问题，操作复杂且对控制要求高，改进型方案流程简单、紧凑性好，可助力液化储能系统的商业化应用。