变工况下加压水压缩空气储能系统末级透平入口再热温度优化

《Journal of Energy Storage》：Optimization of last-stage turbine inlet reheating temperature in pressurized-water compressed air energy storage systems under variable operating conditions

　　

•高温再热在深度部分负荷运行下不利。
•CPH（冷态储气库泵送）耗电量是导致低负荷下再热效率反转的关键驱动因素。
•在30%负荷下，优化后的再热可使效率提高1.293个百分点。
•负荷自适应再热在变负荷条件下将CPH用电量降低了5.91%。
•负荷自适应再热使净回收电量增加了0.68%。

引言

随着风电、光伏等可再生能源装机容量的持续增长，电力系统的运行模式正逐渐从传统的"源随荷动"模式转变为源侧与荷侧均存在剧烈波动的新型模式。可再生能源发电具有显著的随机性、间歇性和不确定性。其大规模并网接入虽然可以减少化石能源消耗和碳排放，但也对电力系统的功率平衡、调峰能力和运行灵活性提出了更高要求[1]、[2]。储能技术能够在时间尺度上将能量生产与用电消费解耦，因此是提高可再生能源消纳能力、减小峰谷差、增强系统调节能力的重要技术手段[3]、[4]。在众多储能技术中，抽水蓄能凭借其技术成熟、效率相对较高而长期占据主导地位。然而，其进一步发展受到地理条件、生态影响和较长建设周期的限制[5]、[6]、[7]。相比之下，压缩空气储能（CAES）具有容量大、寿命长、安全性高、选址相对灵活等优点，被认为是大规模、长时储能的重要技术路线[8]。

先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）回收压缩过程中产生的热量，并在释气过程中利用储存的热量对压缩空气进行再热，从而减少或避免为空气加热而燃烧化石燃料。因此，AA-CAES是CAES技术低碳发展的重要方向[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，AA-CAES的实际运行性能不仅取决于压缩、储气和膨胀过程，还受到蓄热系统、传热过程、变工况下透平性能以及辅助设备耗电量等因素的影响。Wang等人[14]报道的500 kW AA-CAES实验系统表明，实际系统效率可能远低于理论值。这一差异与热损失、设备偏离设计工况点以及动态运行稳定性有关。因此，仅基于设计工况点或稳态热力学循环的分析不足以准确描述AA-CAES的工程性能。有必要建立能够描述变工况下动态过程及性能退化的系统模型。

CAES系统的动态建模与运行优化受到了越来越多的关注。Khaitan等人[15]开发了基于组件的CAES动态模型，并利用Huntorf电站数据评估了其瞬态行为。Guo等人[16]研究了带蓄热的CAES系统在设计工况之外的性能，而Zhang等人[17]综述了AA-CAES的动态调节方法，包括节流阀控制射流器控制。此外，近等温CAES[18]、[19]、液压辅助恒压CAES[6]以及耦合加压水蓄热（PWTES）的CAES[20]等构型也已被提出，以减少不可逆损失并提高能源利用效率。这些研究将CAES研究从设计工况点分析拓展到了动态及非设计工况运行。然而，蓄热管理设置与透平性能在宽负荷范围内的相互作用受到的关注较少。

再热直接影响透平入口焓、膨胀功和系统输出。以往研究普遍认为，在设计工况导向条件下，较高的透平入口温度可改善膨胀性能[21]、[22]。对于PWTES构型，He等人[20]在保持总热水流量不变的情况下，优化了两个透平再热器之间的热水分配。在热水分配比X = 0.5时获得最高发电效率，对应两个再热器之间近乎相等的流量分配。然而，其分析假设了固定的组件效率并聚焦于设计工况，并未考察相同的再热温度设置在宽负荷运行期间是否仍然有利。

用于调峰的AA-CAES机组可能远离额定工况运行，导致透平质量流量、压比和等熵效率偏离设计值。变速运行也被研究用于改善CAES的非设计工况性能。Huang等人[23]比较了基于双馈异步发电机的变速CAES系统与定速构型。据报道，充电过程中非设计工况的?效率提高了0–6%（平均1.8%），释气过程中提高了0–1%（平均0.5%），表明在其系统中调速对释气侧效率的影响较弱。对于本文所考虑的CPH辅助PWTES构型，释气性能还与维持HWST（热水蓄热罐）压力所需的电量耦合[20]、[24]、[25]。因此，提高末级再热温度的净效益取决于透平非设计工况性能与压力维持辅助耗电量两方面的因素。

以往研究已考察了CAES的动态行为、储气特性、蓄热优化及非设计工况运行[12]、[26]、[27]。再热温度或透平入口温度也被作为设计变量纳入能量、?及多参数优化研究。例如，Qin等人[28]在太阳能辅助再热AA-CAES系统的多目标优化中考虑了透平入口温度。然而，大多数这些研究聚焦于设计工况点或系统设计优化。对于CPH辅助PWTES-AA-CAES系统，末级再热温度的负荷依赖特性及其与透平非设计工况行为和压力维持耗电量的相互作用尚不清楚。

因此，本研究将末级透平入口再热温度视为CPH辅助PWTES-AA-CAES系统中负荷依赖的运行变量。采用一个包含组件非设计特性与辅助耗电量的动态APROS模型，评估宽负荷范围内的电-电效率。分析聚焦于再热的热力学收益、透平非设计工况性能与CPH压力维持耗电量之间的平衡。末级透平排气状态也作为衡量所供再热能量利用程度的指标进行了考察。

本文的主要贡献如下：

(1) 针对CPH辅助PWTES-AA-CAES系统，量化了末级再热的负荷依赖净效益，揭示了在整个负荷范围内固定设计工况再热设置的局限性。
(2) 采用理想化的无CPH能量核算分析，将压力维持耗电量对部分负荷效率行为的影响分离出来。
(3) 基于所得到的宽负荷效率特性，开发了末级透平入口再热温度的负荷自适应调节策略。

分节摘要

符号说明
A 传热面积，m2
C 比热容，J/(kg·K)
d 直径，m
E_S D 储能量密度，MJ/m3
h 比焓，J/kg
k 传热系数，W/(m2·K)
m 质量，kg
? 质量流量，kg/s
n 转速，r/min
P 压力，MPa
Q 传热量，W
t 时间，s
T 温度，°C
T_reheat 末级再热温度，°C
V 体积，m3
W 功，J
? 功率，W

系统描述
图1所示为耦合加压水蓄热的先进绝热压缩空气储能系统示意图。该系统主要由压缩储能子系统、膨胀发电子系统和加压水蓄热子系统组成。空气侧采用三压两胀的配置，包括三台离心压缩机COM1–COM3、两台透平TUR1–TUR2、一个储气罐……

动态模型及可信度评估
本文采用模块化建模方法，利用APROS软件对所研究系统进行动态建模。为便于计算和分析，本研究基于以下假设[29]、[30]、[31]：
(1) 基准模拟中忽略了蓄热罐的热损失。其影响在第4.4节中通过HWST等效初始温度降低的方法进行了进一步考察。
(2) 管路系统内的热损失……

结果与讨论
表3、表4汇总了以下分析中使用的主要系统参数和基准运行条件。

结论
本研究考察了CPH辅助PWTES-AA-CAES系统中末级透平入口再热温度对电-电效率的负荷依赖效应。主要发现如下：
(1) 最优末级再热温度随释气负荷显著变化。在30%负荷时，最优实测T_reheat约为120 °C；在45%负荷时约为205 °C；在50%负荷时约为255 °C；在80%–100%负荷时约为270 °C，转折发生在约45%–50%负荷附近。

作者贡献声明
Tiān Jiāyīn（田佳音）：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论。
Wēn Xiánkǔi（温贤奎）：软件，项目管理，调查研究。
Zhāng Shíhǎi（张世海）：监督指导，软件，资源，方法论。
Gōng Déhóng（龚德红）：验证，监督指导，软件，资源。
Zhōu Kè（周珂）：项目管理，调查研究。
ān Yuányùn（安远云）：可视化，软件，调查研究。

资助
本工作由国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0208100）资助。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系方面的竞争利益。

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