热电厂潜热式冷热储能（LCTES）系统的设计、优化及技术经济分析

《Journal of Energy Storage》：Design, optimization and techno-economic analysis of latent heat cold thermal energy storage (LCTES) system of thermal power plants

　　• 为DCT/ACC应用设计了一种原型规模的LCTES系统。
• 该系统满足了4°C冷却效果持续约4小时的性能要求，压力降低于100帕。
• 商用级CC6是最佳的相变材料（PCM），椭圆形管件可将压力降减少80%，PVC管件可减轻系统重量39.8%。
• 系统的能量存储密度为23–27千瓦时/立方米。

**引言**
在美国，大多数燃煤电厂依赖水冷冷凝器进行热量排放，这导致了大量水资源消耗（75–150立方米/兆瓦时）和对水体的热污染[1]。这些电厂占美国淡水消耗总量的约40%，其中90%的水用于冷凝器冷却[2]。湿式冷却塔是一种替代方案，但由于其高蒸发率（2.3立方米/兆瓦时），在干旱地区适用性较差[3]。干式冷却技术是一种有吸引力的替代方案，使用空气冷却冷凝器（ACC）。然而，这种技术的效率受环境条件影响，与湿式冷却相比效率会降低2个百分点。因此，改进干式冷却技术至关重要。为了弥补这一效率损失，整合冷热能存储成为了一种有前景的解决方案。设计一种专为DCT/ACC应用优化的LCTES系统是非常重要的。在LCTES配置中，壳管式设计因其低热量损失和有效的圆柱形状而受到青睐[4][5]。已有研究探讨了优化传热和提高LCTES设计的方法[6][7][8][9]。Guo和Zhang[6]研究了换热器几何形状和热边界条件对垂直壳管式LCTES能量存储的影响，而Wang等人[7]分析了传热流体（HTF）温度和质量流量对水平壳管式LCTES充能效率的影响。Freeman等人[10]回顾了住宅太阳能热电联产（CHP）系统的热能存储解决方案，但未涉及动态入口参数下的传热性能。

在这些存储系统中，选择相变材料（PCM）对于TES系统至关重要，因为它们能最大化存储容量，从而有助于能源安全[11]。虽然潜热存储原理普遍适用于加热和冷却循环，但冷热能存储（CTES）应用面临着独特的运行瓶颈，包括白天和夜间环境条件之间的极窄温度驱动范围，以及盐类水合物中的过冷和相分离问题。Zalba等人[12]列出的关键近环境温度PCM包括Glauber盐和六水合氯化钙以及石蜡蜡。Koca等人[13]在太阳能集热器中使用了CaCl2·6H2O进行能量和熵分析，而Ghalambaz和Zhang[14]研究了瞬态热负荷对金属泡沫中PCM相变的影响。为了克服这些冷存储材料的低导热性，优化容器形状和方向变得非常必要。Bouhezza等人[15]回顾了各种增强技术，如级联PCM、优化PCM外壳形状以及调整其方向以提高不同应用中的TES系统热性能。Dhaidan和Khodadadi[16]研究了不同容器形状下的PCM熔化过程，而Chen等人[17]研究了圆柱管和各种几何形状中的PCM熔化/冻结过程以提高圆柱单元效率。Khedher等人[18]发现反向弧形容器在双管换热器中增强了热存储性能。Chatterjee等人[19]表明容器形状和管子位置显著影响熔化过程，从而提高了充能速率。

除了容器形状外，管子的具体几何排列也起着同样重要的作用。数值分析和实验分析都研究了使用不同管形状的横流换热器[20][21][22][23][24]。Horvat等人[20]模拟了使用圆柱形、椭球形和翼形管的换热器中的热流，Mangrulkar等人[21]研究了内联椭圆形管，重点关注传热和摩擦。Mohanan等人[22]探讨了不同管间距和排列对横流换热器性能的影响。Jang和Yang[24]比较了椭圆形和圆形翅片管换热器的性能。基于这些配置，Swain和Das[25]进一步研究了交错和内联布局下的椭圆形和平扁管几何形状，旨在设计紧凑高效的换热器。Jodaei和Zamzamian[26]比较了凸轮形管束和椭圆形管束，发现椭圆形设计具有更好的传热性能。其他研究[27][28]发现，在恒定入口 velocity 和间距比的情况下，混合圆形-椭圆形管束会降低传热系数。Ding等人[29]比较了使用不同PCM容器的LCTES单元，发现壳管式配置提供了最高的熵效率。Fabrykiewicz等人[30]研究了使用不同PCM的交错管束的圆柱体，而Rana等人[31]确定矩形管熔化PCM最快，其次是椭圆形和圆形管。Khedher等人[18]评估了使用不同几何形状（即平滑、弧形、反向弧形和之字形结构）的垂直潜热热能存储系统的性能。Tiji等人[32]的文章中使用数学模型确定了使用多内锥管的能量充能机制的熔化时间和热存储速率。

尽管有这些广泛的见解，但仍存在特定的结构差距。大多数先前研究都集中在HTF位于管外、蒸汽在管内的壳管式换热器上。然而，对于HTF位于管内、PCM位于管外的LCTES系统，对其理解仍存在不足。需要进一步研究来探讨管形状、尺寸和入口边界条件对使用PCM的LCTES系统的影响，采用 conjugate 热传递边界条件方法的管阵列几何结构。

为了评估填补这一差距的潜在影响，首先需要建立一个宏观层面的电厂基准。在这项工作中，使用EBSILON? Professional (EP)建模工具（版本14.00）[33]，将干式冷却塔（DCT）或ACC整合到一个参考蒸汽朗肯循环燃煤电厂中，如图1所示。ACC在图1的右边缘用三角形符号表示。组件（如换热器、蒸汽涡轮机和发电机）的物理尺寸是根据各种条件设计的。该模型用于模拟一个亚临界650兆瓦gross干冷电厂的性能。尽管原型开发以德克萨斯州达拉斯为基准，但能源部（DOE）技术报告[34]中也评估了美国其他地区的该参考电厂模型。在达拉斯、菲尼克斯和拉斯维加斯，随着环境温度的升高，净功率输出大约降低2兆瓦/摄氏度。这些结果证实，通过LCTES降低ACC入口空气温度的好处取决于气候条件，并不仅限于达拉斯。

在分析这个特定的参考电厂设置时，考虑了关键参数，如环境空气温度、湿度、蒸汽冷凝压力、最小冷凝压力、终端温差（TTD）和平均传热系数。分析针对的是德克萨斯州达拉斯的地理位置。该地点夏季一天内的环境温度变化由图2中的红色虚线表示。灰色虚线显示了环境温度上升如何导致功率输出相对于夜间最冷时间的减少。使用潜热冷热能存储（LCTES）系统在白天高峰功率需求时期（图2中的蓝色实线）可将电厂的功率输出提高约5%。

基于这些基准电厂要求，本文提出了一种热力学优化的LCTES系统配置，以提升DCT/ACC的性能。本研究分析的LCTES系统设计标准是实现4°C的冷却效果持续约4小时（保持出口空气温度比入口空气温度低4°C），维持压力降低于100帕，并使系统能够在夜间冷却以冻结PCM。在设计优化的LCTES系统时面临几个挑战：相变材料（PCM）的瞬态行为、由于交错管配置和部分填充管以容纳相变期间液体PCM体积膨胀而导致的管阵列内的湍流，以及管阵列中的大量管子。此外，为全尺寸设计采用适当的支撑结构，以最小的碳足迹增强传热并易于与ACC系统集成，使得该项目具有很大挑战性。

为了系统地解决这些工程挑战，进行了参数化数值分析，分析了各种性能参数（如环境温度、气流速度、最小允许冷凝压力、管尺寸和管材料）的影响，旨在达到指定的设计标准（见第3节）。数值结果用于设计实验室规模和原型规模的LCTES系统，并在选定的地点进行实际条件下的测试。然后根据这些分析和测试设计了全尺寸系统。分析还包括不同热存储材料的影响。第4节提供了系统的能量分析。最后，第5节对全尺寸设计进行了技术经济分析。由于存储650兆瓦电厂所需的大量热能需要广泛的物理基础设施，降低成本是实现商业化的首要挑战。本研究旨在建立精确的基准技术性能，从而可以评估结构成本削减策略。

**系统描述**
本节简要描述了最终设计的原型规模管阵列的物理模型、用于执行数值分析的计算程序以及用于将实验结果与数值分析进行比较的实验设置。原型规模的LCTES系统是根据数值分析的结果设计的，并通过实验室规模测试进行了验证。数值分析用于设计实验室规模的实验设置。

**LCTES设计的数值分析结果**
本节展示了LCTES设计的参数化数值分析结果并进行了讨论。分析考虑了各种管尺寸、形状、入口空气边界条件、热存储材料和管材料。

**系统的能量效率（η）和有效性（?）**
为了更深入地了解分析设计的性能，对选定的原型规模圆形管阵列设计进行了系统的能量效率（η）和有效性（?）的详细分析，使用商用级CC6作为PCM。根据文献[54][58]中的传统传热分析方法，计算了管束在一定时间内的能量传输[12]：

**LCTES系统的完整尺寸设计**
利用原型规模测试获得的结果，Worley[34]这家专业工程公司设计了一个全尺寸系统并进行了技术经济分析。该系统的设计是一项重大成就，因为这是前所未有的（FOAK）。所提出的全尺寸LCTES系统将集成到本研究中分析的现有ACC中。环境空气被引导至PCM模块和ACC。

**结论**
本研究提出了一种高效的LCTES系统设计，用于在高环境温度下提高DCT和ACC的性能。这项工作的重要成就包括从参数化数值分析中设计原型规模模块，考虑实际运行条件，在小温差下对系统进行操作和测试，以及设计第一个全尺寸系统（FOAK）。

**作者贡献声明**
Mahfuja A. Khuda：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、正式分析。
Nenad Sarunac：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。
Qinghua (Tim) Xie：撰写 – 审阅与编辑、正式分析。
Jagatheesan (Jack) Senthivel：撰写 – 审阅与编辑、正式分析。

**免责声明**
本文是美国政府机构资助的工作成果。美国政府及其任何机构，或其任何员工，均不对所披露的任何信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或实用性作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任或责任；同时，不表示使用这些内容不会侵犯任何私人拥有的权利。

关于利益冲突的声明：
作者声明不存在任何利益冲突。

致谢：
本文的研究工作得到了美国能源部化石能源办公室（FE-1项目，项目编号DE-FE0031886）的支持。作者感谢利哈伊大学（Lehigh University）的卡洛斯·罗梅罗（Carlos Romero）教授、李达·严（Lida Yan）博士及其团队在数值建模所需的测试工作中所提供的帮助与支持。

作者：
马富贾·A·胡达（Mahfuja A. Khuda）
尼纳德·萨鲁纳克（Nenad Sarunac）
谢青华（Qinghua (Tim) Xie）
贾加特辛（Jagatheesan (Jack) Senthivel）