CN110598301A - 液化空气储能系统参数耦合设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液化空气储能系统参数耦合设计方法，通过至少一个处理器、与处理器通信连接的存储器以及一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质实现。本发明以系统电‑电转换效率最大化为设计目标，以液化空气储能压力、主压缩机/循环压缩机工作级数、主压缩机/循环压缩机级间冷却方案、压缩热回收利用方案、冷箱高压侧出口空气温度等主要参数为优化变量，采用Aspen Plus流程模拟软件进行系统热力仿真，可有效简化设计流程、大幅缩减设计时间。本发明提供的液化空气储能系统参数耦合设计方法，通过综合考虑液化空气储能系统单元‑单元、参数‑参数、单元‑参数间的相互影响，可以实现储能系统在变运行参数、变外部参数等变工况条件下的长期可靠、稳定、高效运行。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源发电及储能技术领域，具体涉及一种液化空气储能系统参数耦合设计方法。
背景技术
以风能和太阳能为代表的可再生能源具有间歇性和波动性等固有缺陷，其与电网运行的长期稳定性要求相矛盾，导致了大量弃风、弃光的产生。因此，迫切需要大规模电力储能技术来解决可再生能源并网难的问题。液化空气储能作为大规模储能技术，其具有储能密度高、工作寿命长、安全等级高、选址灵活等诸多优势，被认为是最具发展前景的储能技术之一。
液化空气储能系统由压缩、液化、储热、蓄冷、气化、膨胀等一系列热力过程组成，其单体设备庞杂、工作参数众多，并且各参数间紧密相关、相互影响，给系统设计带来了极大的挑战，急需一种系统、高效、合理的参数优化设计方法。但目前的多数研究仅涉及单体设备的参数优化设计，而未能考虑系统中单元-单元、参数-参数、单元-参数间的交互影响，缺乏一种系统多参数的高效耦合设计方法。另一方面，由于液化空气储能系统为常年运行系统，其运行条件易受可再生能源发电实时功率和环境气象等变化的影响，如何保证储能系统在变工况条件下的高效稳定运行同样面临诸多困难。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能够实现液化空气储能系统的高效设计、安全稳定运行的液化空气储能系统参数耦合设计方法。
为达到上述目的，本发明提供的液化空气储能系统参数耦合设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据储能压力参数取值范围，设定储能压力；
步骤2，根据主压缩机和循环压缩机的进出口压力规定其压缩方案；
步骤3，根据压缩机压缩方案及各级压缩机出口温度，判断是否满足设计规定，如果否，则返回步骤2修改压缩方案；如果是，则根据各级压缩机出口温度确定压缩热回收利用方案为单级储热，或多级储热；
步骤4，规定冷箱高压侧出口空气温度；
步骤5，计算节流阀出口气相分量及制冷膨胀机出口液相分量，判断制冷膨胀机出口液相分量是否满足设计需求，如果否，则返回步骤4修改制冷膨胀机入口温度；如果是，则进入步骤6；
步骤6，根据冷箱换热器计算结果，判断是否满足冷箱换热器最小传热温差条件，如果是，则计算系统电-电转换效率；如果否，则返回步骤4修改冷箱高压侧出口空气温度；
步骤7，判断是否达到系统电-电转换效率最大化：如果否，则进入步骤1进行重新设计；如果是，则作为最终设计方案。
所述步骤1：根据储能压力Ps参数取值范围0.1(MPa)<Ps≤Pmax，由小及大设定储能压力；同时，规定主压缩机出口压力Pmo的参数取值满足以下条件：Pmo＝Ps，式中，Pmax为液态空气储罐承压上限。
所述步骤2：所述主压缩机和循环压缩机均为变频压缩机，其工作方案包括工作级数和级间冷却方案，主压缩机和循环压缩机的工作级数结合其性能曲线进行设置，当压缩机进出口压力比值大于其压比工作范围时选择多级压缩方案，并根据压缩机工作压比范围确定级数，且压缩机级数最高不超过4级，以保证压缩机的高效运行。
所述主压缩机和循环压缩机的级间冷却方案为：1)压缩机各级出口均设置有空气冷却器的全级冷却方案；
2)压缩机各级出口隔级设置有空气冷却器的隔级冷却方案，且其末级出口必含空气冷却器；
其确定方法如下：当第i级，i<m，m为压缩机工作级数，压缩机出口空气温度Ti<Tmin时，选择隔级冷却方案，即：在第i级出口不进行级间冷却；否则，应采用全级冷却方案，式中，Tmin为压缩机出口空气温度下限，以保证压缩热能品质。
根据主压缩机入口空气温度T0和循环压缩机入口空气温度Tc确定是否在主压缩机/循环压缩机入口处设置空气预热器：当T0<Tm时，Tm为级间冷却温度，应在主压缩机入口设置空气预热器；当Tc<Tm时，应在循环压缩机入口设置空气预热器；
所述空气预热器的热源为：电加热设备、太阳能集热器收集的热能或储热单元中的富余压缩热。
所述冷却方案通过空气冷却器内储热介质的流量调节将压缩机出口的高温空气冷却至级间冷却温度Tm，其中，Tm的参数取值范围为25～45℃，并将回收所得压缩热储存于储热单元中；
所述储热单元中的储热介质为液相工作状态，储热介质根据工作温度采用乙二醇、水、导热油中的一种；当储热单元采用分级储热模式回收压缩热时，储热介质是上述材料中的几种，并且依据其各自工作温度分级工作。
所述步骤3中各级压缩机出口温度Ti需满足Ti≤Tmax，式中，Tmax为压缩机最高耐受温度，根据各级压缩机出口温度的温差大小确定储热单元中储热容器的级数及各级膨胀机入口处空气再热器的级数：当主压缩机出口空气温度与循环压缩机出口空气温度差值大于50℃时，选择双级储热方案；否则，采用单级储热方案。
所述步骤4：规定冷箱高压侧出口空气温度：包括节流阀入口温度Tv和制冷膨胀机入口温度Tet；其中，节流阀入口温度Tv和制冷膨胀机入口温度Tet需分别满足如下条件：
[Ts(Ps)+ΔT]≤Tv<Tv,max
式中，Tv,max为节流阀入口温度最大值，其为节流阀入口压力对应饱和温度；Ts(Ps)为返流空气温度，其值等于储能压力对应饱和温度；ΔT为冷箱换热器最小传热温差；
冷箱高压侧出口-制冷膨胀机入口温度Tet的参数取值范围为：
Tet,min<Tet
式中，Tet,min为制冷膨胀机入口温度最小值，其值为制冷膨胀机入口压力对应饱和温度。
所述步骤5中制冷膨胀机出口液相分量需满足为制冷膨胀机最大可承受出口带液量。
所述步骤6中，系统电-电转换效率ηRTE计算公式如下：
式中，Etur表示一个计算周期内膨胀机所释放的电能；Epump表示一个计算周期内深冷泵所消耗的电能；Emc表示一个计算周期内主压缩机所消耗的电能；Ecc表示一个计算周期内循环压缩机所消耗的电能。
所述步骤1-7采用Aspen Plus流程模拟软件进行系统热力仿真计算；其中：
各级压缩机出口温度Ti计算公式为：
式中，Ti,in为各级压缩机入口温度；pi,in、pi,o分别为各级压缩机进、出口压力；k为绝热指数；
节流阀出口气相分量x及制冷膨胀机出口液相分量计算公式分别如下：
x＝f(hv,pv)
式中，f函数为空气的干度计算函数；hv、pv分别为节流阀出口空气的焓和压力；het、pet分别为制冷膨胀机出口空气的焓和压力。
一种液化空气储能系统参数耦合设计设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的产品定制方法。
所述液化空气储能系统工作过程如下：储能时，富余电能或者可再生能源驱动主压缩机和循环压缩机将空气压缩至高压高温状态并将压缩热转移至储热单元进行存储，压缩机出口常温空气进入冷箱换热器由蓄冷单元及返流空气提供的冷量进行降温冷却，随后经节流阀和制冷膨胀机进行膨胀降温后进入气液分离器，液空产品存储于液空储罐中；释能时，液态空气分别经深冷泵加压、蒸发器气化后进入多级膨胀机组做功发电，同时储热单元对各级膨胀机入口空气进行预热、蓄冷单元回收蒸发器气化冷量并存储。
本发明的有益效果是：(1)现有方法仅涉及系统中单体设备、单参数的优化设计，未能提供一种多参数设计方法，本发明所提供的参数设计方法则同时涉及了系统中多个重要参数。(2)现有方法未能考虑系统中各单元、各参数的交互影响，本方法综合考虑了系统单元-单元、参数-参数、单元-参数间的相互影响，提供了一种系统多参数的耦合设计方法。(3)现有方法未能考虑储能系统在变工况条件下的高效运行，本方法结合压缩机变频调节及空气预热器的设置，可以实现储能系统在变运行参数(如：压缩机工作压比、流量)及变外部参数(如：环境温度、压力)等变工况条件下的长期可靠、稳定、高效运行。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例1中液化空气储能系统示意图。
图3为本发明实施例2中液化空气储能系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明，本发明的保护范围并不局限于所述实施例范围。
实施例1：
图2为本发明一具体实施例的单级储热的液化空气储能系统示意图。如图所示：该系统包括主压缩机、循环压缩机、冷箱、节流阀、制冷膨胀机、气液分离器、液空储罐、深冷泵、蒸发器、膨胀机组、储热单元及蓄冷单元，其中，主压缩机由1号压机和2号压机组成，循环压缩机由3号压机和4号压机组成，膨胀机组由1-4号膨胀机组成，储热单元由常温储罐、泵1、高温储罐、泵2、换热器以及4个空气冷却器和4个空气加热器组成，蓄冷单元由循环风机和蓄冷罐组成。其工作过程如下：
储能时，利用富余电能或者可再生能源驱动主压缩机和循环压缩机组中的1-4号压机对空气做功，并且各压机出口的高压高温空气分别通过4个空气冷却器冷却至常温，入口空气经主压缩机级间冷却压缩后，与来自下游冷箱换热器出口的气态返流空气相混合，并进入循环压缩机及其级间空气冷却器进一步加压、冷却，随后进入冷箱换热器由蓄冷单元及返流空气提供的冷量进行降温冷却，冷箱出口高压空气经节流阀和制冷膨胀机进行膨胀降温后变为气液两相状态，经气液分离器分离所得的液空产品存储于液空储罐中，气态空气返流进入冷箱释放冷量后进入循环压缩机完成循环；同时，储热单元中常温储罐内工作介质在泵1驱动下进入各空气冷却器吸收高温空气的热量后，以高温热能形式将压缩热存储于高温储罐中；蓄冷单元中蓄冷介质在循环风机的驱动下，采用闭式循环持续将蓄冷罐中冷量取出并提供给冷箱用于冷却高温空气。
释能时，存储于液空储罐中的液态空气分别经深冷泵加压、蒸发器气化后进入带级间空气加热器的1-4号膨胀机做功发电，出口空气直接排入大气；同时，储热单元中高温储罐内工作介质在泵2的驱动下分别进入4个空气加热器对各膨胀机入口空气进行预热后混合，在换热器中进一步冷却至常温并存储于常温储罐中；蓄冷单元内蓄冷介质在循环风机的驱动下，不断将蒸发器内空气气化过程中释放的冷量进行回收并存储于蓄冷罐中。
优选地，所述主压缩机和循环压缩机均为变频压缩机，其根据运行工况变化进行参数调节。
优选地，液化空气储能系统参数耦合设计方法采用Aspen Plus流程模拟软件开展系统热力仿真计算。
上述液化空气储能系统参数耦合设计方法，步骤如下(参见图1)：
步骤1，根据储能压力Ps参数取值范围0.1(MPa)<Ps≤Pmax，由小及大设定储能压力；同时，规定主压缩机出口压力Pmo的参数取值满足以下条件：
Pmo＝Ps
步骤2，根据主压缩机和循环压缩机的进出口压力规定其压缩方案，包括工作级数和级间冷却方案：主压缩机和循环压缩机的工作级数结合其性能曲线进行设置，当压缩机进出口压力比值大于其压比工作范围时选择多级压缩方案，并根据压缩机工作压比范围确定级数，且压缩机级数最高不超过4级，以保证压缩机的高效运行。
主压缩机和循环压缩机的级间冷却方案为：(1)压缩机各级出口均设置有空气冷却器的全级冷却方案；或者(2)压缩机各级出口隔级设置有空气冷却器的隔级冷却方案，且其末级出口必含空气冷却器。其确定方法如下：当第i级，i<m，m为压缩机工作级数，压缩机出口空气温度Ti<Tmin时，选择隔级冷却方案，即：在第i级出口不进行级间冷却；否则，应采用全级冷却方案。式中，Tmin为压缩机出口空气温度下限，以保证压缩热能品质。
根据主压缩机入口空气温度T0和循环压缩机入口空气温度Tc确定是否在主压缩机/循环压缩机入口处设置空气预热器：当T0<Tm时，Tm为级间冷却温度，应在主压缩机入口设置空气预热器；当Tc<Tm时，应在循环压缩机入口设置空气预热器。
所述冷却方案通过空气冷却器内储热介质的流量调节将压缩机出口的高温空气冷却至级间冷却温度Tm，并将回收所得压缩热储存于储热单元中。其中，Tm的参数取值范围为25～45℃。
步骤3，根据计算各级压缩机出口温度Ti，并判断是否满足Ti≤Tmax，如果否，则返回步骤2修改压缩方案；如果是，则根据各级压缩机出口温度确定压缩热回收利用方案为单级储热，或多级储热：当主压缩机出口空气温度与循环压缩机出口空气温度差值大于50℃时，应选择双级储热方案；否则，应采用单级储热方案。
步骤4，规定冷箱高压侧出口空气温度：包括节流阀入口温度Tv和制冷膨胀机入口温度Tet；其中，节流阀入口温度Tv和制冷膨胀机入口温度Tet需分别满足如下条件：
[Ts(Ps)+ΔT]≤Tv<Tv,max
Tet,min<Tet
步骤5，根据x＝f(hv,pv)计算节流阀出口气相分量x，根据计算制冷膨胀机出口液相分量并判断是否满足如果否，则返回步骤4修改制冷膨胀机入口温度；如果是，则进入步骤6。
步骤6，根据冷箱换热器计算结果，判断是否满足冷箱换热器最小传热温差条件，如果否，则返回步骤4修改冷箱高压侧出口空气温度；如果是，则计算系统电-电转换效率；其中，系统电-电转换效率计算公式如下：
步骤7，判断是否达到系统电-电转换效率最大化：如果否，则进入步骤1进行重新设计；如果是，则作为最终设计方案。
上述液化空气储能系统参数耦合设计方法的耦合设计设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上产品定制方法。
进一步地，所述储热单元中的工作介质为液相工作状态，其根据工作温度可以是乙二醇、水、导热油或其它可能材料中的任一种。
实施例2：
图3为本发明一具体实施例的采用分级储热的液化空气储能系统示意图，其相比实施例1的改进为：主压缩机/循环压缩机入口均设置有空气预热器，且循环压缩机为两级压缩、隔级冷却工作方案；储热单元采用二级储热方案，其包含中温储罐、高温储罐、冷却塔、常温储罐1和常温储罐2，高温储罐和中温储罐分别采用导热油和水作为工作介质。在储能时，主压缩机和循环压缩机的入口空气需首先经空气预热器进行加热，升温至设定温度后再进入主压缩机和循环压缩机进行压缩；储热单元中，常温储罐1中的冷却水在泵1的驱动下进入循环压缩机出口的空气冷却器回收中温压缩热后存储于中温储罐中，常温储罐2中的导热油在泵3的驱动下进入主压缩机出口的空气冷却器回收高温压缩热后存储于高温储罐中。在释能阶段，来自蒸发器的高压常温气态空气依次进入两级空气加热器，经两次加热升温后进入各膨胀机进行膨胀做功；在储热单元中，中温储罐中的工作介质在泵2的驱动下进入一级空气加热器对膨胀机入口空气进行预热后存储于常温储罐1中，高温储罐中的工作介质在泵4的驱动下进入二级空气加热器对膨胀机入口空气进行二级再热，后经冷却塔降温并存储于常温储罐2中。系统其它部件工作过程同实施例1，在此不再赘述。
优选地，所述空气预热器的热源可以是：(1)电加热设备；或者(2)太阳能集热器收集的热能；或者(3)利用储热单元中的富余压缩热进行预热；或者其它可用热源的任一种或几种。
Claims (10)
1.一种液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，根据储能压力参数取值范围，设定储能压力；
步骤2，根据主压缩机和循环压缩机的进出口压力规定其压缩方案；
步骤3，根据压缩机压缩方案及各级压缩机出口温度，判断是否满足设计规定，如果否，则返回步骤2修改压缩方案；如果是，则根据各级压缩机出口温度确定压缩热回收利用方案为单级储热，或多级储热；
步骤4，规定冷箱高压侧出口空气温度；
步骤5，计算节流阀出口气相分量及制冷膨胀机出口液相分量，判断制冷膨胀机出口液相分量是否满足设计需求，如果否，则返回步骤4修改制冷膨胀机入口温度；如果是，则进入步骤6；
步骤6，根据冷箱换热器计算结果，判断是否满足冷箱换热器最小传热温差条件，如果是，则计算系统电-电转换效率；如果否，则返回步骤4修改冷箱高压侧出口空气温度；
步骤7，判断是否达到系统电-电转换效率最大化：如果否，则进入步骤1进行重新设计；如果是，则作为最终设计方案。
2.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤1：根据储能压力Ps参数取值范围0.1MPa<Ps≤Pmax，由小及大设定储能压力；同时，规定主压缩机出口压力Pmo的参数取值满足以下条件：Pmo＝Ps，式中，Pmax为液态空气储罐承压上限。
3.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤2：所述主压缩机和循环压缩机均为变频压缩机，其工作方案包括工作级数和级间冷却方案；
主压缩机和循环压缩机的工作级数结合其性能曲线进行设置，当压缩机进出口压力比值大于其压比工作范围时选择多级压缩方案，并根据压缩机工作压比范围确定级数，且压缩机级数最高不超过4级；
所述主压缩机和循环压缩机的级间冷却方案为：1)压缩机各级出口均设置有空气冷却器的全级冷却方案；
2)压缩机各级出口隔级设置有空气冷却器的隔级冷却方案，且其末级出口必含空气冷却器；
其确定方法如下：当第i级，i<m，m为压缩机工作级数，压缩机出口空气温度Ti<Tmin时，选择隔级冷却方案，即：在第i级出口不进行级间冷却；否则，应采用全级冷却方案，式中，Tmin为压缩机出口空气温度下限；
根据主压缩机入口空气温度T0和循环压缩机入口空气温度Tc确定是否在主压缩机/循环压缩机入口处设置空气预热器：当T0<Tm时，Tm为级间冷却温度，应在主压缩机入口设置空气预热器；当Tc<Tm时，应在循环压缩机入口设置空气预热器；
所述空气预热器的热源为：电加热设备、太阳能集热器收集的热能或储热单元中的富余压缩热。
4.根据权利要求3所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述冷却方案通过空气冷却器内储热介质的流量调节将压缩机出口的高温空气冷却至级间冷却温度Tm，其中，Tm的参数取值范围为25～45℃，并将回收所得压缩热储存于储热单元中。
所述储热单元中的储热介质为液相工作状态，储热介质根据工作温度采用乙二醇、水、导热油中的一种；当储热单元采用分级储热模式回收压缩热时，储热介质是上述材料中的几种，并且依据其各自工作温度分级工作。
5.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤3中各级压缩机出口温度Ti需满足Ti≤Tmax，式中，Tmax为压缩机最高耐受温度，根据各级压缩机出口温度的温差大小确定储热单元中储热容器的级数及各级膨胀机入口处空气再热器的级数：当主压缩机出口空气温度与循环压缩机出口空气温度差值大于50℃时，选择双级储热方案；否则，采用单级储热方案。
6.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤4：规定冷箱高压侧出口空气温度：包括节流阀入口温度Tv和制冷膨胀机入口温度Tet；其中，节流阀入口温度Tv满足如下条件：
[Ts(Ps)+ΔT]≤Tv<Tv,max
式中，Tv,max为节流阀入口温度最大值，其为节流阀入口压力对应饱和温度；Ts(Ps)为返流空气温度，其值等于储能压力对应饱和温度；ΔT为冷箱换热器最小传热温差；
制冷膨胀机入口温度Tet的参数取值范围为：
Tet,min<Tet
式中，Tet,min为制冷膨胀机入口温度最小值，其值为制冷膨胀机入口压力对应饱和温度。
7.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤5中制冷膨胀机出口液相分量需满足 为制冷膨胀机最大可承受出口带液量。
8.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：
所述步骤6中，系统电-电转换效率ηRTE计算公式如下：
式中，Etur表示一个计算周期内膨胀机所释放的电能；Epump表示一个计算周期内深冷泵所消耗的电能；Emc表示一个计算周期内主压缩机所消耗的电能；Ecc表示一个计算周期内循环压缩机所消耗的电能。
9.根据权利要求1所述的液化空气储能系统参数耦合设计方法，其特征在于：所述步骤1-7采用Aspen Plus流程模拟软件进行系统热力仿真计算；其中：
各级压缩机出口温度Ti计算公式为：
式中，Ti,in为各级压缩机入口温度；pi,in、pi,o分别为各级压缩机进、出口压力；k为绝热指数；
节流阀出口气相分量x及制冷膨胀机出口液相分量计算公式分别如下：
x＝f(hv,pv)
式中，f函数为空气的干度计算函数；hv、pv分别为节流阀出口空气的焓和压力；het、pet分别为制冷膨胀机出口空气的焓和压力。
10.一种液化空气储能系统参数耦合设计设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至10中任一所述的产品定制方法。
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