吸附压缩CO2储能系统动态特性研究.pdf

吸附压缩二氧化碳储能系统可克服 高密度存储、充放及系统高效运行等技术难题市场前景广阔但对其动态特性缺乏深入认识阻碍了系统设计与安全调控运行技术的发展 本文基于模块化建模思想建立了 的动态仿真模型用于模拟系统启动过程中各设备运行参数的变化规律 结果表明:储能阶段压缩机启动后轴功率迅速上升并在 后稳定且压缩机级数越高所需稳定时间越长释能阶段膨胀机轴功率从峰值下降在 时稳定在.、.和.设定释能过程质量流量波动 膨胀机输出轴功率波动范围接近 需防范可能引起的电网冲击等问题 所建模型及研究结果为深入认识系统动态特性、系统设计和安全调控运行提供了有效的分析工具和数据参考对推进 的应用具有实际意义关键词:动态仿真模型动态特性储能过程释能过程中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 修订稿日期 基金项目:年黑龙江省“碳达峰碳中和”榜单揭榜挂帅科技攻关项目(吸附压缩二氧化碳储能关键技术研究与示范:)中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:宋一丹()男硕士研究生研究方向为超临界二氧化碳储能技术 ():.:引言随着全球能源结构的调整可再生能源在电力系统中的应用越来越广泛以解决日益严重的能源匮乏的问题 风电和光伏等清洁能源具有绿色环保的特点可以有效降低化石能源消耗和环境污染但同时可再生能源的不稳定和随机性使得电网的安全运行及可靠性面临严重的挑战 储能技术是目前解决可再生能源并网影响电网安全运行及电质量等问题最有效的解决方法在目前现有的储能技术中压缩空气储能()是大型储能技术之一因其具有装机容量大、寿命长、响应快等优点引起了世界各国企业和研究机构的高度重视然而传统压缩气体储能多以空气为工质由于空气密度低需大型地下洞穴作为高压储气室应用受限 具有高密度、低粘度、临界点温和等优良物性适宜作为空气的替代工质 相比于压缩空气储能压缩 储能具有循环效率高、储能密度大、占地面积小、不依赖地理条件等优势 但 属温室气体需封闭循环即低压 高压联合存储故存在低压 高密度存储问题 当前压缩 储能系统大多采用液化方式提升低压存储密度但能耗高且造成储罐材料脆性增大存在安全隐患 多孔固体吸附剂微纳孔道空间/表面可高效吸附 分子有效克服 自由分子间的强相互作用极大提升低压 存储密度是实现低压 高密度存储的可行方案 作为第三代新型长时储能技术吸附式压缩 储能可克服低压高密度 存储、高压高密度 充放、系统高效运行等技术难题具有广阔的市场前景同时对 建模仿真研究增进系统动态特性认识、提高系统设计及安全运行控制水平对于 的普及和推广具有现实意义 近些年来国家发改委、国家能源局发布的国家能源局综合司关于加强电化学储能电站安全管理的通知“十四五”新型储能发展实施方案、新型储能项目管理规范(暂行)等系列政策均强调储能系统安全建设的重要性及必要性 安全目标的实现首先需要通过掌握系统主要结构单元运行特性进而解析关键设备失效机理及故障模式防范设备服役风险最终针对关键设备典型安全问题开发安全质量控制技术保障系统安全运行 所以为了确保系统能够安全运行第一步就要对系统的动态运行特性进行解析对于大型压缩气体储能系统的研究我国起步较晚对其动态特性缺乏深入认知严重阻碍了系统安全调控与设计技术的发展限制了压缩气体储能技术的普及 而 作为新一代长时储能技术要保障其安全运行首先必须解析系统动态运行特性了解系统在各种工况下的响应性能有利于预防和减轻突发事故的发生降低安全风险 对小型 系统的高压储罐进行了动态建模仿真和实验验证 研究了充放电过程中储罐温度的动态变化 这 为 系 统 的 设 计 提 供 了 参 考建立了 系统的动态模型并通过实验数据对其进行验证 动态分析表明系统效率与实验数据吻合但系统效率比稳态分析低 左右 建立了应用于电网的 系统的动态数学模型并提出了可行的储能系统并网过程的控制策略 重点分析了系统在放电阶段的动态特性建立了液化空气储能()系统的动态模型并用于模拟膨胀阶段的各种操作条件仿真结果可用于支持 系统一次调频的运行控制策略为保证 技术的安全建设运行亟须深入解析其动态特性 本文基于模块化思想构建了 级吸附压缩二氧化碳储能系统模型并利用该模型分析系统在储能、释能过程中压缩机、膨胀机、换热器和储罐等关键设备的动态特性进行分析通过模拟释能过程中的典型扰动对释能过程各设备的响应特性进行分析并提出建议增进了对动态特性认识为 的安全运行控制、系统设计提供了数据基础对推进 的推广和应用具有现实意义 系统描述 主要包括三级压缩储能过程、三级膨胀释能过程、储热/冷罐以及高/低压储罐其中低压储罐内含有 吸附剂可减小 分子间的斥力缩小存储体积 系统在蓄能阶段的运行过程中将风/光等可再生能源发出的电能进行转换存储 (低压储罐)(状态)释放的 分三个阶段(、)通过压缩机进行压缩在阶段之间(、)通过换热器对压缩气体进行冷却吸收由于压缩过程释放的热量并将超临界注入高压储罐进行储存完成储能过程 同时(冷罐)的冷水被泵入级间冷却器(、)吸收压缩热热水进入(热罐)储存 在此阶段随着 的不断填充(高压储罐)内部压力持续上升当压力达到上限时储能阶段结束能量释放阶段在供电用户电力缺失瞬间开始(状态)释放的 由截止阀(状态)稳定然后通过前级再加热()和三级膨胀()完成能量释放能量释放的过程中通过带动与膨胀机相连的发电机发电完成电力供应过程 低压()进入 进行吸附和储存 由于 吸附剂孔径与分子之间存在强静电相互作用且低压 温度较低吸附过程可以自发进行因此吸附过程不需要额外的特殊条件 第三级涡轮排出的低压 温度较低吸附过程只需保证 的循环流量功耗可以忽略不计 在此阶段 的热水被泵入三级再热器(、)冷水放热后回 储存 在能量释放阶段由于 的不断释放 内部压力不断降低当压力达到下限时能量释放阶段结束整个释放过程平缓、波动小系统通过上述步骤完成单个循环 在节流阀的作用下压气机和涡轮在设计条件下运行即压比和膨胀比恒定 系统运行原理如图 所示图 运行原理图 模型与方法.压缩机模型构建本研究对象为先进绝热压缩储能系统中的离心压缩机 本文为简化计算认为压缩机效率恒定不存在喘振、阻塞等不稳定现象在保证系统运行所需的精度范围下提高仿真效率压缩机模型 如式()()所示具体参数意义见表 表 模型变量的物理意义符号含义符号含义.、.压缩机进口、出口 质量流量/.、.换热器内进口、出口 的温度/.、.压缩机进口、出口 温度/换热器能效质量流量/释放的能量/比热比吸收的能量/压缩机绝热效率的换热系数/()压缩机输入功率.、.膨胀机进口/、出口 压力/.压缩机进口 压力/.换热器进 压力/.压缩机出口 压力/换热器换热面积/压缩机单级压比.换热器出口 压力/压缩机总压比储气罐内储存的能量/压缩机级数大气压力/.压缩机进口 比焓/储气罐空气压力/.压缩机出口 比焓/储气罐容积/.、.膨胀机进口、出口 质量流量/储气罐内气体质量/续表 符号含义符号含义.、.膨胀机进口、出口 温度/储气罐进口空气质量流量/膨胀机绝热效率储气罐内单位质量气体内能/膨胀机内质量流量/储气罐换热系数/()膨胀机输出功率/储气罐换热面积/.、.膨胀机进口、出口 比焓/环境温度/、换热器内 质量、换热器金属管子质量、换热器内 的质量/储气罐进口空气温度/、换热器内水比热容、金属管子比热容、定压比热容/()空气定容比热容/().、.换热器进口、出口 温度/气体常数/()换热器金属管子温度/储气罐内空气温度/在建立压缩机数学模型时进行以下假设:()不考虑压缩机内气体的体积()将储能过程视为绝热过程()压缩机内部不存在气体的排放或抽取()忽视流体所受质量力和动量效应的影响储能过程中压缩机的效率保持恒定 连续方程.()压缩机出口 温度方程.()()压缩机功率方程(.)()压气机出口压力方程.()压缩级级数 /().膨胀机模型构建膨胀机的工作原理可以看作是压缩机逆向过程使用压缩机的建模方法对膨胀机进行数学模型构建膨胀机数学模型如式()()连续方程.()膨胀机出口 温度方程.()膨胀机功率方程(.)()膨胀机出口压力方程.().换热器模型构建将换热器视作一个开口的能量系统根据换热器部分通用方程工作流程遵循质量和能量的守恒定律 在储能阶段对换热器进行建模选用作为换热介质 换热器数学模型如式()():能量平衡方程.(.)()金属蓄热方程 ()冷却水能量平衡方程.(.)()传热方程.().()能效方程.()压降方程.().().储罐模型构建本文对 高压储罐的储气过程看作定容过程且在储能过程中不释放能量将 视作理想气体不考虑液化情况重点研究高压储罐内的温度和压力的变化 高压储罐的模型如式()():储气罐储存的能量()储气罐容积()()连续方程()能量平衡方程 ()()理想气体公式 ()()()()将式()、()、()、()代入式()中可得到储能过程中高压储罐内部气体温度和压强的变化趋势()()()()同理可得释能阶段高压储罐内气体温度和压强的变化趋势 ()()()().系统模型构建采用模块化建模的方法构建系统仿真模型分别对系统中各关键设备建立模型 各设备的模块化模型可重复使用通过设置不同阶段中模块化模型所需的参数将其作为单一设备的子模块进行封装 然后根据系统各个阶段所需的设备间的关联性对各种设备的子模块进行拼接 最终形成储能系统完整的仿真模型主要包括储能阶段仿真模型和释能阶段仿真模型两部分 如图 和图 所示图 仿真模型 储能阶段 储能阶段仿真模型包括压缩机模块()、换热器模块()数字、分别代表的是压缩与和换热器的级数.代表压缩机出口 压力.代表换热器 出口温度.代表压缩机 出口温度.代表常温罐出口温度代表储能阶段热罐的温度 模型中还包括储气罐模块()、压缩机输入轴功率()、储气罐内 压力()和储气罐内 温度()图 仿真模型 释能阶段 释能阶段仿真模型涉及压缩机模块()、换热器模块()数字、分别代表的是膨胀机与换热器的级数.代表膨胀机出口 压力.代表换热器出口 温度.代表膨胀机出口 温度.代表热水罐出口水温.是释能阶段常温罐的水温 模型中还包含储气罐模块()、常温罐()、膨胀机输出轴功率(.)、储气罐内 压力()和储气罐内 温度()仿真结果与讨论本文根据系统稳定运行时的数据分别构建了储能和释能两个阶段的仿真系统 该系统模拟了设计工况下 从启动到稳定运行时压缩机、膨胀机、换热器、储罐等各部件的动态特性 仿真结果显示模型的动态响应特性与实际运行相一致 通过模型调整和优化研究评估了释能阶段中 质量流量波动导致的功率扰动对各设备动态响应变化趋势 仿真和分析的结果为 的控制系统设计提供了理论支持并可为含有该系统的未来智能电网的运行调度提供建议.储能阶段动态模拟在存储能量阶段的动态模拟图(见图)中横轴代表系统仿真时间()纵轴代表设备相应变量的动态模拟值图中图例描绘了压缩机级的状况 在稳定运行阶段工质 的质量流量达到/实际工程应用中由于压缩机与膨胀机的启动时间占整个系统运行时间的比例极小忽略启动阶段压缩机与膨胀机的动态特性对整个系统运行的影响对二者进行简化可以提高仿真效果 观察图()压缩机各级输入轴功率迅速达到稳定其中一、二、三级压缩机的轴功率分别稳定在 、左右 轴功率在各级压缩机之间略有差异这与进出口 温度和压缩机的压比有关 压缩比越大使得进出口 温差越大更高的输入轴功率需要提供给压缩机做功因此相较于前一级压缩机后一级的轴功率略高各级压缩机的 质量流量均相同由于收到压缩机输入轴功率影响它们的出口温度也会迅速上升并在在 左右达到稳定状态质量流量稳定为/在储能阶段启动过程中压缩机的出口压力在很短的时间达到稳定前三级的出口压力呈阶跃式上升仅需 即可稳定 第一、第二、第三级压缩机的出口压力分别为.、.和.由于换热器在换热过程中会产生一定的压降压缩机的出口压力会稍低于理论压力(图()所示)压缩机的出口 温度受到压缩机的压比和入口 温度的影响从图()中可以看出压缩机的级数越高出口 温度的变化越平缓需要更长的时间才能达到稳定状态图 ()压缩机质量流量曲线()压缩机轴功率曲线()压缩机出口压强曲线()压缩机排出 温度曲线 图()和图()展示了储能阶段换热器的出口 温度和换热器效率 换热器的一、二、三级出口 温度存在一个随着级数增加温度也增加的趋势分别稳定在.、.、.总体上温度的变化趋势是正确的 换热器各级出口温度的变化趋势与压缩机相似并且响应速度也相似 换热器的出口温度大致在 时稳定并且随着换热器级数的增加达到稳定状态所需的时间也越长(如图()所示)换热器的效率趋势(如图()所示)是从一开始就达到最高点效率接近 这是因为在启动阶段换热器管束内外的温差较大流经压缩机和换热器的质量流量较低而换热器中的换热介质水始终按照额定流量进行换热导致 和水之间的换热系数较高 随着管束内 工质的流量逐渐增加且温度与冷水温度差逐渐减小导致两者之间的换热效率下降然后逐渐趋于稳定并且一、二、三级换热器的趋势和数值一致.释能阶段动态模拟释能时间设定为 通过调节节流阀将膨胀机流量控制在 /并忽略了膨胀机转子的振动现象 图()展示了膨胀机的输出轴功率图膨胀机的输出轴功率受到膨胀机 流量、膨胀比以及膨胀机进出口温度的影响 在释能过程的初始阶段功率较高然后迅速下降在 时趋于稳定最终一、二、三级膨胀机的功率稳定在.、.和.膨胀机功率的变化趋势符合实际应用情况 由于在释能启动阶段换热器中的热水按照设计流量循环而膨胀机的流量瞬间达到最大值因此在启动时膨胀机的轴功率较大随后呈下降趋势 同样膨胀机出口 压力(图()呈现缓慢下降的趋势但幅度较小 在 回流至吸附储罐的过程中压力下降到.经过换热器时压力进一步降低使得设计膨胀比与实际的三级膨胀机压力比有些差距 另外虽然换热器的换热效率越高能源利用率越高但是压力降低也会增加 因此确保换热器换热效率合理对膨胀机输出轴功率至关重要图 ()换热器出口 温度图()换热器效率图图 ()释能过程膨胀机轴功率图()释能过程膨胀机压力变化图.储罐仿真模拟仿真模型中采用了定容储气罐作为高压储气罐并将初始温度设定为 在仿真模型中假设 为理想气体并通过调节阀门开度来控制释能过程中的压力和流量 同时忽略了储气罐在储能过程中可能产生的散热以及管道压力损失等因素 在储存高压 的过程中不断向储气罐中充入高压 这相当于一个压缩过程最终产生的压缩热量导致储气罐内气体温度升高 当温度升高到.时温度趋于稳定(如图()所示)并在 时达到稳定状态 储气罐内的 压强在储能过程启动的 内变化平缓之后呈线性上升趋 势 从 大 气 压 强 上 升 至 额 定 压 强 (图()所示)仿真图()和图()展示了储罐在释能阶段从冷启动到稳定运行过程中的动态特性 这些图显示了通过调节节流阀控制阀门后超临界 的压力和温度的变化曲线同时忽略了膨胀机的喘振现象在释能状态下通过控制阀门开度释放高压 阀门后 压强控制在 之间 储气罐内的压强在启动时下降速度较快稳定后呈线性下降趋势(如图()所示)释能结束时高压储罐中的压力值为.储气罐释放 的过程相当于 的膨胀过程这导致储气罐内 的温度会有所下降(如图()所示)并在释能阶段启动时下降较快随后逐渐平稳在 时高压储罐的温度稳定在 .系统扰动研究本研究旨在探究储能系统在设计工况下各环节的动态特性研究成果展示了压缩二氧化碳系统内各设备间的互动关联 但是在实际电网操作中储能系统的作用会根据电网负荷需求不断调整 因此本文基于电网负荷功率需求结合先前建立的系统仿真模型探讨了在系统释能过程中工质二氧化碳质量流量波动对膨胀机输出功率及各设备运行特性的影响 在释放能量阶段确保换热器内热水流量和膨胀机转速保持稳定对于 而言吸附储罐中 的释放速率存在波动这会对系统中的设备种类和参数产生未知的影响因此需要进行动态特性分析以确定影响 此外在实际工程应用中高压储罐出口 质量流量会受到节流阀等设备内部构造和运行状态的影响而上下波动 本研究中释能过程中设定的质量流 量 为 /上 下 波 动 范 围 为 (如图()所示)释能过程中不改变膨胀机的转速和换热量 从膨胀机轴功率的变化曲线(图()可以看出膨胀机的输出功率波动较为明显波动范围接近 质量流量的波动范围 然而对于膨胀机的出口压力和温度曲线(图()和图()可以观察到当质量流量波动范围在 时膨胀机出口 温度和压力几乎无波动对系统的影响相对较小图 ()储能过程高压储气罐压力变化图()储能过程高压储气罐温度变化图()释能过程高压储气罐压力变化图()释能过程高压储气罐温度变化图图 ()释能过程质量流量波动 图()质量流量波动 膨胀机轴功率变化图()质量流量波动 膨胀机出口压力变化图()质量流量波动 膨胀机出口温度变化图 因此在实际工程运行中需要注意循环工质质量流量的大范围波动可能导致膨胀机轴功率大幅度的波动 这可能对电网造成冲击无法实现原本消纳可再生能源间歇性和不稳定性的目的 同时长期的轴功率大范围波动可能导致系统中发电机等其他部件寿命过快衰减等问题 结论本文研究了 的动态特性并建立了该系统压缩 储能和释能过程的动态仿真模型分析了其设备参数在从静止状态到稳定运行的过程中的变化规律 通过研究该系统的动态特性可以为超临界二氧化碳压缩机、膨胀机、换热器和储罐等相关部件的制造、选型和应用提供理论支持 此外研究系统的动态特性有助于完善和制定相关标准和规范为技术的推广应用提供更好的政策环境 研究结果如下:()在储能阶段的启动过程中一、二、三级压缩机输入轴功率迅速上升在约 后稳定在 、一、二、三级压缩机出口压强出现阶跃上升的趋势约 稳定在.、.、.压缩机级数越高出口二氧化碳温度幅度变化越小达到稳定状态需要更长的时间换热器级数越高系统运行至稳定状态所需的时间越长()释能阶段启动过程中一、二、三级膨胀机轴功率从峰值下降在 时稳定在.、.和.膨胀机出口 压强呈现小幅度缓慢下降的趋势其中第一级膨胀机出口压强下降幅度最大()高压储气罐在储能过程中温度会从 升高到.后趋于稳定压强力启动 内增长平缓之后接近线性上升至额定压力 在释能过程中储气罐内的压力在启动时下降速度较快稳定后呈线性下降趋势释能过程结束时储罐内的压力值为.由于 的膨胀储罐温度下降并在 时稳定在 ()在释能阶段设定质量流量波动 膨胀机出口 温度、压力波动值较小而膨胀机的输出功率波动较为明显波动范围接近 质量流量的波动范围 需要防范由于工质质量流量的变化引起膨胀机轴功率的大幅度波动进而导致电网冲击及系统发电机等其他部件寿命快速衰减等问题参考文献 .:.():.():.向鹏.新能源在新型电力系统中的实践与应用.中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术():.():.于爽蔡卫江贾鑫等.大型变速抽水蓄能机组调速系统 仿真及试验研究.大电机技术():.():.刘易飞张燕平王渊静.采用压缩储能的新型超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统性能分析.热力发电():.何青郝银萍刘文毅.一种新型跨临界压缩二氧化碳储能系统热力分析与改进.华北电力大学学报:自然科学版():.():.李传贵汪卫国李迪等.新型储能行业安全发展何去何从.劳动保护():.唐亮尹小波吴候福等.电化学储能产业发展对安全标准的需求.储能科学与技术():.().().():.():.():.():.胡厚鹏.分布式微电网中压缩空气储能系统的动态建模.贵阳:贵州大学.张磊.离心式压缩机性能分析及数值验证.大连:大连理工大学.高毅夫.基于通用流量速度数学模型的离心式压缩机变速节能控制方法.杨军陆平陈江平等.跨临界 系统用膨胀机的开发与模型分析.上海交通大学学报():.李浩唐成驰刘武等.套管式换热器动态数学模型的建立及仿真研究.辽宁化工():.王林林.供热系统水水板式换热器建模与热力特性研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.():.袁铃岚.大型储罐底板的阴极保护电位分布特征研究.成都:西南石油大学.():.().():.():.():.():.():.():.():.().():.:():.():.蔡浩飞.超临界压力 冷却换热特性及毛细管换热器研究.合肥:中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所).李盼杨晨陈雯等.压缩空气储能系统动态特性及其调节系统.中国电机工程学报():.():.():.王运良.微型压缩空气储能系统动态协调优化控制研究.济南:山东大学.魏博渊.微电网的网间并网及自适应储能技术.西安:西南交通大学.张永胜.余度永磁同步发电机设计优化及加速寿命试验研究.沈阳:沈阳工业大学.李姚旺苗世洪尹斌鑫等.考虑先进绝热压缩空气储能电站备用特性的电力系统优化调度策略.中国电机工程学报():.