不同环境参数对300 MW 压缩空气储能系统运行的影响

黄 焰，王新超，徐志强

（1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211102；2.中能建数字科技集团有限公司，北京 100124）

风电和光伏发电等新能源电力系统装机容量的快速增长给电网的稳定性和安全性带来了挑战[1]。压缩空气储能（CAES）技术具有成本低、容量大、效率高的特点，具有良好的发展前景[2]。

多位学者针对CAES 系统进行研究，以得到提高CAES 系统性能的方法。李扬等[2]提出采用阀门与减压容器相结合的方法控制膨胀机入口压力，并验证此方法可以平滑调控膨胀机入口压力。郭欢等[3]建立了10 MW的CAES 热力学模型，对其变工况特性进行了分析，发现采用滑压运行时系统效率比定压运行高2.08%。罗予泽等[4]建立了70 MW 的CAES 系统，提出了基于模糊控制的CAES 系统调频方法，有效降低了系统波动时的频率偏移量，改善了系统的动态性能。杨绪青等[5]提出了一种集成CAES 系统与吸收式热泵系统的热电联产系统，新的集成系统可以额外输出5.8 MW 的供热功率，效率和循环效率分别提高了1.87%和29.96%。虞启辉等[6]基于风能不确定条件建立了CAES系统容量配置优化模型，并通过多场景案例进行了验证，表明该方法可以有效减少弃风量、节约购电成本。

本文基于MSP 平台建立了300 MW 的CAES 系统仿真模型，分析环境温度和湿度对CAES 系统运行性能的影响，为CAES 系统的运行提供指导。

1 系统简介

CAES 系统流程如图1 所示。储能过程中，空气依次经过压缩机和间冷器后，储存在储气室中，同时，来自冷罐的水吸收压缩热后进入热罐，此过程中，电能被转化为压力能和热能。释能过程中，储气室中的高压空气依次经过再热器和膨胀机做功，同时，热罐中的水在再热器中放出热量后进入冷罐，此过程中，压力能和热能被转化为电能。

图1 压缩空气储能系统

CAES 系统的设计参数见表1。

表1 300 MW 压缩空气储能系统设计参数

2 系统模型

2.1 热力学模型

利用多学科仿真平台（MSP）建立了CAES 系统热力学模型。

2.1.1 压缩机

压缩机耗功为

式中：Wc为压缩机耗功，kW；Gc，out为压缩机出口质量流量，kg/s；hc，in和hc，out分别为压缩机进出口比焓，kJ/kg。

2.1.2 膨胀机

膨胀机做功为

式中：Wt为膨胀机耗功，kW；Gt，out为膨胀机出口质量流量，kg/s；ht，in和ht，out分别为膨胀机进出口比焓，kJ/kg。

2.1.3 换热器

基于能量守恒建立换热器模型为

式中：G为质量流量，kg/s；h为比焓，kJ/kg；下标hot 和cold 分别表示热侧和冷侧；下标in 和out 分别表示进口和出口。

2.1.4 储气室

储气室质量平衡为

式中：ρ 为储气室空气密度，kg/m3；V为储气室体积，m3；Gin和Gout分别为进气和出气流量，kg/s。

2.1.5 阀门

阀门的流通能力计算公式为

式中：ΔP为阀门进出口压差，kPa；ρin为阀门入口工质密度，kg/m3。

2.2 模型验证

当地的环境平均温度为16 ℃，湿度为79%，对比了此环境参数下储能阶段的储气室压力的仿真值和设计值，结果如图2 所示。储能过程中，储气室压力的仿真值与设计值的相对误差始终保持在1%以内，表明本文所建立的模型具有较高精度，能够满足工程计算需求。

图2 模型验证结果

3 环境参数对系统的影响

环境参数的变化会对CAES 系统的运行造成较大影响，本文对不同环境参数下的CAES 系统压缩过程的性能展开研究。选取空气温度的变化范围为5~35 ℃，空气湿度的范围为45%~90%。

CAES 系统的压缩过程采用滑压运行模式，前3 级压缩机为定频运行，第4 级压缩机为变频运行，通过改变压缩机频率，使整个压缩过程的压缩机入口流量保持不变。

3.1 压缩机入口空气温度

为分析空气温度对CAES 系统运行的影响，保持空气相对湿度为75%，分别在空气温度为5、15、25 和35 ℃的情况下，模拟CAES 系统压缩过程。各级压缩机入口质量流量见表2，压缩过程中系统的压缩机总功率和各级压缩机功率的变化分别如图3 和图4 所示。

表2 不同空气温度下各级压缩机入口质量流量

图3 不同空气温度下压缩过程压缩机总功率

图4 不同空气温度下压缩过程各级压缩机功率

空气温度分别为5、15、25 和35 ℃时，压缩过程时间分别为28 653、28 760、28 949 和29 303 s。空气相对湿度保持不变时，空气温度增大会导致压缩过程时间增大，原因是空气温度增大使空气饱和绝对湿度增大，在相对空气湿度保持不变的情况下，空气温度越高，空气绝对湿度越大，即空气中水蒸气含量越大，由于压缩机入口空气质量流量始终为231 kg/s，水蒸气含量大会导致进入储气室的空气质量流量减小，压缩过程时间增大。空气温度的变化会影响压缩过程中压缩机总功率和各级压缩机功率：空气温度增大，压缩机1 功率增大，压缩机2 功率减小，压缩机3 功率减小，压缩机4功率增大，压缩机总功率增大。原因是压缩机1 入口质量流量相等，随空气温度增大，压缩机1 压比减小，压缩机1 功率增大；随空气温度增大，压缩机2 入口质量流量减小，压缩机2 入口温度增大，压缩机2 压比减小，压缩机2 功率减小；随空气温度增大，压缩机3 入口质量流量减小，压缩机3 入口温度基本不变，压缩机3 压比减小，压缩机3 功率减小；压缩机4 入口质量流量减小，压缩机4 入口温度减小，压缩机4 压比增大，压缩机4 功率增大。

3.2 压缩机入口空气湿度

为分析空气湿度对CAES 系统运行的影响，保持空气温度为15 ℃，分别在空气湿度为45%、60%、75%和90%的情况下，模拟CAES 系统压缩过程。各级压缩机入口质量流量见表3，压缩过程中系统的压缩机总功率和各级压缩机功率的变化分别如图5 和图6所示。

表3 不同空气湿度下各级压缩机入口质量流量

图5 不同空气湿度下压缩过程压缩机总功率

图6 不同空气湿度下压缩过程各级压缩机功率

空气湿度分别为45%、60%、75%和90%时，压缩过程时间分别为28 667、28 717、28 760 和28 788 s。空气温度保持不变时，空气湿度增大会导致压缩过程时间增加，但影响较小，可忽略不计，原因是湿度增大使水蒸气占空气质量的比例增大，但水蒸气占空气质量的比例极小，湿度变化对空气质量流量的影响极小，压缩过程中空气的质量流量维持在231 kg/s，不同空气湿度下压缩过程时间可视为保持不变。空气湿度的变化会影响压缩过程中压缩机总功率和各级压缩机功率：随空气湿度增大，压缩机1 功率增大，压缩机2 功率增大，压缩机3 功率减小，压缩机4 功率不变。其中，空气湿度变化对压缩机2 功率的影响最大，导致压缩机总功率随湿度增大而增大。原因是在其他条件不变的情况下，随空气湿度增大，空气的气体常数和比容增大，压缩机1 耗功增大，同时，湿度增大使空气的比热容减小，导致间冷器1 的空气出口温度增大，导致压缩机2功率显著增大。间冷器2 中，由于空气通过汽水分离器排出了部分水，空气质量流量减小，且空气湿度越大空气质量流量减小量越大，因此不同空气湿度下压缩机3 入口温度接近，压缩机3 的功率变化量较小。

4 结论

本文基于MSP 平台建立300 MW 的CAES 系统模型，针对环境因素变化对系统性能的影响展开了研究，得出结论如下。

1）空气相对湿度保持不变，随空气温度增大，压缩机总功率增大，压缩过程时间增大。

2）空气温度保持不变，随空气湿度增大，压缩机总功率增大，压缩过程时间增大且变化幅度极小。

本文的研究结论对了解环境因素对CAES 系统性能的影响和开展进一步的优化研究具有一定的参考意义。