超临界空气蓄热蓄冷数值与实验研究_刘佳(节选)

1.3超临界空气储能
1.3.1超临界空气储能原理
超临界空气储能系统(图 1.3)采用可再生能源的电能或电站低谷电能将空气压缩到超临界状态，同时存储压缩热，并利用存储的冷能将超临界空气冷却、液化后储存在低温绝热容器中，从而电能被存储；在用电高峰时，液态空气加压后经过换热器吸热至超临界状态，气化过程释放的冷能被回收、存储，随后高压空气进一步吸收存储的压缩热升温后进入膨胀机做功并驱动电机发电。

由于将压缩过程产生的热量和气化过程释放的冷量进行储存，因而储能系统的效率明显改善，同时余热和废热可以被回收以提高系统效率。

超临界空气储能系统与现有的压缩空气储能系统以及液化空气储能系统拥有许多相似的组件，但其最显著的区别在于利用蓄热蓄冷装置对空气的压缩热和气化冷量进行回收利用，从而既拥有远高于压缩空气储能的能量密度，又大大提高液化空气储能的效率。

考虑到与压缩空气储能系统的相似性和差异性，下面对超临界空气储能系统进行总体方案与关键部件的设计与研究。

1.3.2超临界空气储能系统
图1.3中超临界空气储能系统的主要部件包括压缩机组、低温储罐、低温泵、膨胀机组和蓄热蓄冷换热器。

低温储罐是专门储存沸点温度低于室温的液体(如液氮和液氧等)的绝热容器。

该储罐通常由两层以上的绝热结构构成，可以采取几种不同的绝热方式，包括真空绝热、粉末绝热和多层缠绕绝热等，在环境与低温液体之间进行良好的绝热，从而起到降低低温液体蒸发率的作用。

低温储罐是一个非常成熟的产品，市场上提供多种不同压力和容量规格的储罐，根据低温储罐绝热方式以及有效容积的不同，液态空气的日蒸发率一般在
0.03-1%之间，有效容积越大，蒸发率越低。

低温泵是用来输送低温液体(液氮、液氧和液化天然气等)或是从低温储罐抽取低温液体并将其压入气化器气化的特殊泵，在石油、空分和化工装置中有广泛应用。

低温罐罐头采用绝热结构来防止低温液体吸热气化影响罐的工作。

低温泵主要分为往复式和离心式两类，各种压力和流量范围的低温罐均可从市面上采购得到。

已有的两座CAES电站中均采用工业压缩机组，而这类压缩机组一般都带有级间冷却。

LAES系统中储能过程即为气体液化过程，釆用成熟的气体液化装置，带级间冷却装置的空气压缩机组被集成在液化装置中。

所以市场上并没有适用于超临界空气储能系统的压缩机组，需要对已有压缩机组冷却系统进行设计与改进来回收压缩热。

空气在多级压缩机组中升压至超临界状态（>3.7MPa）。

图1.4显不不同蓄热级数下的压缩机排气温度与蓄热量。

这里压缩机绝热效率取80%，总压缩比设为70，级间压缩比相等，大气温度以及蓄热后空气温度均取2℃。

1.3.3蓄热蓄冷换热器
蓄热蓄冷换热器必须具有较大的热容量、较高的吸热率和传热系数，能在数小时的储能过程中保持出口温度基本稳定，最重要的是大规模应用成本较低。

目前热能(热量和冷量)通常在-40℃至400℃温度范围以显热、潜热或化学热的形式存储。

由于化学热蓄热技术还处于前期研究阶段，下面主要对显热和潜热这两类主要的蓄热技术进行考察分析。

显热蓄热通过提高蓄热材料的温度来储存热量，蓄热材料分为液体介质和固体介质，通常储存在绝热良好的储罐中。

水是最常用的蓄热介质之一，它具有较高的比热并且成本很低。

然而当蓄热温度在100℃以上时水开始气化，需要昂贵的高压绝热容器来承受其在高温下较高的蒸汽
压。

如今水作为传热流体和蓄热介质广泛应用于太阳能加热水和室内采暖，而高温液体蓄热常用导热油和溶盐来替代水，这是因为相比于水它们拥有较低的蒸气压，能够在超过300℃的条件下工作。

然而导热油相当昂贵，并不适合大规模应用。

溶盐在高温蓄热领域具有很好的应用前景，目前处于研发与示范阶段。

固体材料如岩石、沙子、金属、混凝土、陶瓷和砖等，蓄热时不会像水一样沸腾或泄漏，可以在低温和高温下用于热能储存。

岩石、砂石等由于成本很低而被认为是较好的蓄热材料。

松散的岩石或砂石通常被填充在一定的容器中，传热流体可以在石子之间的缝隙内流动，蓄热时热空气被输送进填充床加热石子，而当需要热量时较低温度空气再进入填充床吸热。

填充床蓄热系统中石子的形状、热物性、传热流体性质以及填充方式等因素都将对蓄热性能产生影响。

实验系统
3.1.1实验系统与主要设备本节介绍超临界空气蓄热蓄冷实验系统的设计，以及主要实验设备与装置。

图3.1为已建成的超临界空气蓄热蓄冷实验平台，图3.2为实验系统原理图。

在图3.2所示的实验系统中，蓄热与蓄冷过程采用同一个圆柱形不锈钢高压罐，其内部填充石子形成填充床。

蓄热时空气被压缩机压缩后进入储气罐平滑活塞压缩机产生的气流脉冲。

在储气罐底部有一段旁通管路，通过管路上的间阀来控制流入电加热器的压缩空气的流量。

进入电加热器的压缩空气被加热后经过一段与蓄热罐顶部相连的保温管道进入垂直填充床，填充床入口设有分流器来均勻填充床径向空气流速，随后空气向下流过填充床并与石子颗粒进行热交换，最后通过蓄热_底部管路流出填充床，经过阀门节流、降压后排空。

蓄冷时液氮从低温储罐内流出，经过低温栗增压后从蓄冷罐底部送入填充床气化，高压气体从蓄冷罐顶部流出填充床，经过阀门节流、降压后排空。

实验系统中主要设备的功能及性能参数如下:
(1)空气压缩机(图3.3)
用于将空气压缩至超临界状态。

结构形式为整体撬装往复活塞压缩机，4级压缩，冷却形式为风冷，最大排气压力7MPa ，公称容积流量2m 3
/min ，压缩机配备动力37kW ，总重景 1600kg ，外形尺寸 2000x1000x1300 mm (长x 宽x 高)。

(2)储气罐
用于平滑活塞式压缩机产生的气流脉冲，稳定气流输出。

材质为碳钢，容积0.3m 3， 工作压力7MPa ，安全阀起跳压力7.5MPa 。

(3)干燥过滤器
用于过滤压缩机末级排气中所含的水和油。

两级精密过滤器最大工作压力10MPa，最大流量4m3/min，滤油含量分别为1PPM和0.01PPM。

(4)电加热器(图3.4)
用于将压缩空气加热至一定蓄热温度。

工作压力7MPa，最高工作温度20℃，加热空气流量120Nm3/h，额定功率15kW，温度控制精度±2℃。

(5)高压蓄热蓄冷罐(图 3.5)用作蓄热蓄冷填充床容器。

空气在填充床内与石子换热，工作压力7MPa，工作温度-196-+300℃，罐体材质为304不锈钢，总重量720kg，总容积0.15m3，罐体内径345mm，罐壁厚度16mm，罐体总高2058mm，安全阀开启压力7.7MPa，保温层厚度200mm，保温材料为桂酸镁岩棉，罐内填充花岗岩碎石子。

(6)低温储罐(图3.6)
用于储存液氮。

结构形式为卧式，高真空多层缠绕绝热，最大工作压力1.6MPa，内外
筒材质为304不绣钢，有效容积495L，日蒸发率小于1%。

(7)低温罐(图3.7)
用于将液氮增压至超临界压力后送入填充床。

结构形式为整体撬装卧式活塞单列罐，设计温度-196℃，使用介质为液氮、液氧和液氩，最大进口压力0.8MPa，最大出口压力7MPa，
介质流量100-300L/h (可调)，电机功率4kW，罐头为真空夹套式绝热。

3.1.2蓄热蓄冷填充床
在不锈钢蓄热蓄冷罐内填充粒径大小相似的花岗岩碎石子形成填充床。

在蓄热蓄冷过程中热空气或液氮流过石子填充床并与石子直接接触换热,热量或冷量被储存在石子中。

不绣钢蓄热蓄冷罐具体结构以及石子填充床内23路PT100热电阻的布置如图3.11和3.12所示。

罐身岸接有一排7个热电阻引出管,管长310mm,外径27mm,管壁厚4.5mm。

引出管沿罐轴向以188mm等间距分布,最上端引出管设置在距离分流器下方210mm处。

铠装PT100热电阻从引出管插入填充床测量当地温度,信号釆集时间间隔为5s,精度为±0.;rC,各热电阻变送器将4-20mA信号输送到cDAQ数据采集系统的NI9203模块,采集系统连接到一台计算机进行数据采集与分析。

罐体中间位置的3个引出管插入的是错装热电阻束,每根套管内集成5个PT100热电阻,测量填充床内径向温度变化,各热电阻在销装保护管内沿径向等间距分布,相邻热电阻间距为86mm。

另外如图3.11所示,在保温层内紧贴不锈钢罐外壁设有3个温度测点测量实验过程中外壁温度的变化。

当需要测量石子表面及其附近空气温度时,采用特制的4套热电阻来替代上述销装热电阻,如图3.12所示。

特制热电阻如图3.13所示(T2r-T5r),将石子钻孔后插入PtlOO热电阻感温元件来测量石子温度,由于石子毕渥数(Bi)小于0.1,忽略石子中心与表面之间的温度差。

同时将另一根热电阻捆绑在插有感温元件的石子周围来测量石子附近空气温度。

通过不诱钢管将特制的热电阻送入填充床中心处,热电阻引出线在螺纹接头空腔内进行胶封。

此外在蓄热蓄冷罐顶部和底部入口管路上布置有两个压力传感器,测
量空气经过石子填充床后的压降。

3.1.3蓄热蓄冷实验步骤 分别对填充床进行蓄热和蓄冷实验以模拟超临界空气储能循环中的蓄热蓄冷工作过程。

这里取超临界条件下的蓄热蓄冷压力为7MPa,填充床蓄热进口温度为160℃。

蓄冷过程采用液氮作为低温流体。

其中一个蓄热循环包括蓄热、保温、释热、停机4个过程,蓄冷循环包括蓄冷、保温、释冷和停机4个过程。

3.1.3.1畜热实验
(1)蓄热过程:首先开启数据采集系统,然后启动压缩机将储气罐、蓄热管路及填充床增压至接近7MPa,调节阀门开度使填充床内压力维持在7MPa 左右,同时启动电加热器加热超临界空气,出电加热器的高温高压空气从蓄热罐上端流入填充床,蓄热过程开始,空气在填充床间隙内流动,热量传递给石子。

蓄热过程如图3.14所示。

(2)保温过程:当填充床出口空气温度上升到接近进口温度时蓄热过程完成,将储气罐、蓄热管路及填充床泄压至常压,填充床开始8小时保温。

(3)释热过程:首先启动压缩机对储气罐、释热管路及填充床增压至接近7MPa,然后调节阀门开度使填充床内压力维持在7MPa 左右,释热过程开始,常温空气进入填充床吸收石子热量。

释热过程如图3.15所示。

(4)停机过程:当填充床出口空气温度下降到接近环境温度时,释热过程完成,关停压缩机并将储气罐、蓄热管路及填充床泄压至常压。

释热结束到下一蓄热循环开始为停机阶段,至此-个蓄热循环完成。

注：我们在做储热实验时，步骤可做相应调整。