具有湿级间冷却与有机朗肯循环协同集成的混合湿压缩空气储能系统性能评估

《Energy》：Performance Assessment of a Hybrid Wet Compressed Air Energy Storage System with Synergistic Integration of Wet Intercooling and Organic Rankine Cycle

　　

## 摘要要点

• 提出了一种混合湿式压缩空气储能系统。
• 该系统将湿式中间冷却与有机朗肯循环相结合。
• 湿式压缩空气储能可驱替废弃油井中的残余油。
• 湿式压缩空气储能与有机朗肯循环耦合系统优化了热力学性能。
• 为提高综合指标和经济可行性提供了一种有前景的策略。

## 引言

全球能源需求持续增长，加之对环境污染的关注日益加剧，使全球能源结构向更清洁方向转型的紧迫性不断上升。在实现净零碳排放的目标驱动下，全球能源系统正在经历快速变革。可再生能源技术被普遍认为是能源转型进程中不可或缺的关键环节。预计到2030年，可再生能源将贡献全球发电量的近50% [1]、[2]、[3]。尽管风能和太阳能具有相当大的发展潜力 [4]、[5]，但其间歇性和波动性会导致电力供需之间的不匹配。因此，储能被广泛认为是平衡电力供需的有效手段 [6]。作为现代电力系统中的关键使能技术，储能技术已得到快速发展，并在电网侧应用中得到日益广泛的部署 [7]。先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）通过回收压缩热，具有高效率以及运行过程中无直接碳排放等优势。因此，AA-CAES能够在现代电力系统中支持削峰填谷和可再生能源消纳 [8]。

大规模储能技术被广泛认为是将可再生能源并入电网和维护电网稳定性的有效解决方案 [8]、[9]。在众多大规模储能技术中，压缩空气储能（CAES）日益受到学术界和工业界的关注。与电化学储能（EES）、飞轮储能（FES）和抽水蓄能（PHES）相比，CAES具有使用寿命长、储能和放电容量大以及相对较低的初始投资成本等优势 [10]、[11]。AA-CAES是一种大规模物理储能技术，它不依赖燃烧而回收压缩热，被视为一种有前景的CAES构型 [12]。Szablowski等人 [13] 对AA-CAES进行了能量和安全分析，并报告称增加压缩、膨胀和换热器级数可以提高循环效率。Grazzini等人 [14] 和Liu等人 [15] 对AA-CAES系统进行了热力学分析，而随后的仿真实验表明，循环效率受部件配置和运行参数的影响很大 [16]。Javaheri等人 [17] 提出了一种与反渗透海水淡化系统集成的AA-CAES系统，在充放电过程中均保持恒压运行。在适当的压缩比下，该系统实现了61.9%的往返效率（RTE）。Jiang等人 [18] 开发了一种采用两级压缩和膨胀的AA-CAES多联产系统，并以往返性能系数（RTPC）和?效率（ηex）为目标，对热电联产和冷热电三联产构型进行了多目标优化。在最优运行条件下，RTPC和ηex分别达到0.898和68%。Fu等人 [19] 提出了一种与有机朗肯循环（ORC）集成的变压缩比AA-CAES系统，与传统AA-CAES相比，压缩功率消耗降低了12.45%，膨胀机输出功率增加了37.29%。

水具有较高的比热容和可回收性，使其成为增强气-水传热介质的有效材料 [20]。因此，在压缩和膨胀过程中引入了注水技术，以强化直接接触传热 [21]、[22]。水蒸发时吸收的潜热在空气压缩过程中提供持续冷却。此外，液态水滴的存在增加了气-水混合物的有效热容 [23]。低温水滴的注入可抑制空气温度上升，促进准等温压缩 [24]。Adewale等人 [25] 通过液滴注入增强了直接气-水传热，并利用可获得的废热来缓解膨胀冷却，实现了66%至82%的往返效率。Yu等人 [20] 报告称，将注水压力从2 MPa提高到7 MPa，可将压缩效率从86.98%提升至91.58%。Jia等人 [26] 在往复式压缩机中通过注水实现了准等温压缩，当压缩比从2增加到3时，压缩效率从37.3%提升至80.6%。Qin等人 [21] 在液塞压缩系统中采用注水技术以增加气-水传热界面，实现了89%的压缩效率，温升仅为40 °C。Li等人 [27] 采用注水冷却来降低压缩功并调节压缩机出口温度，实现了81.82%的综合能源利用效率。Zhang等人 [28] 发现，在高压膨胀过程中注入液滴可促进近等温行为，与绝热膨胀相比，膨胀机输出功增加了约15.7%。

后续研究进一步推动了CAES应用中水辅助压缩和喷雾冷却技术的发展。Yu等人 [29] 研究了注水压缩的传热特性，而Patil等人 [30] 通过实验验证了喷雾冷却在近等温压缩中的有效性。Gao等人 [31] 分析了带液滴注入的等温CAES系统，而Ahn等人 [32] 研究了不同压力下喷雾冷却液塞压缩的工况。然而，大多数现有研究侧重于喷雾冷却机制、液塞压缩或近等温CAES，而将多级湿式压缩、废弃油井储能和基于有机朗肯循环的压缩热回收相结合的集成研究仍然有限。

为提高CAES效率和增强压缩热的利用，众多研究从热力学和技术经济角度探讨了CAES与其他能源系统的集成 [33]。Zhu等人 [34] 提出了一种将高温热储能与ORC集成的AA-CAES系统。热储能单元用于加热释放的压缩空气，而ORC回收低品位废热。Meng等人 [35] 对CAES与ORC耦合系统进行了热力学和经济分析，该系统实现了65.7%的往返效率，比传统构型高出约3.95%。Soltani等人 [36] 将ORC和Kalina循环与CAES集成，并确定R290为最佳工质，使往返效率提高了2.47%。Shi等人 [37] 提出了一种与双压力ORC和喷射制冷循环耦合的CAES系统，优化后的往返效率达到54.25%。Wang等人 [38] 设计了一种将CAES与电蓄热集成的热电联产（CHP）系统。回收的热用于加热释放的压缩空气并供应终端热负荷，而储存的热量则导入ORC进行额外发电，往返效率达到52.03%。Yu等人 [39] 研究了与地热发电厂集成的CAES系统，在地热电力支持下进行充电，而压缩空气热能则在放电期间驱动ORC，能量往返效率达到63.61%。

压缩空气储能设施通常可分为地面储罐和地下 caverns。综合考虑经济成本、运行安全和存储规模，地下 caverns 在实际应用中更为广泛 [40]。典型的地下储存方案包括盐穴 [41]、废弃油井（AOWs）[42]、含水层 [43]、废弃矿井巷道 [44] 和衬砌岩洞 [45]。然而，部分地下储存方案所需的高初始投资可能限制其大规模开发 [46]。因此，再利用废弃油气井为降低前期开发成本提供了一种潜在途径 [47]。世界上第一座浅层衬砌岩洞高压气体储存设施建于瑞典西南部Skallen，包含一座115米深的竖井和一个40,000立方米的岩石 cavern。在美国俄亥俄州Norton，一座废弃的石灰岩矿被提议改建为CAES设施，计划容量为2700 MW [49]。两座标志性的CAES电站已经证明了长期商业化运行的可行性：德国290 MW的Huntorf电站（1978年投运）和美国阿拉巴马州McIntosh的110 MW电站（1991年投运），两者均采用溶矿 caverns 储存压缩空气 [50]。

尽管在CAES效率和系统集成方面已取得可观进展，但现有研究主要聚焦于绝热或混合CAES中的间接压缩热回收。然而，没有传统级间换热器的压缩过程与下游热回收之间的热力学耦合仍研究不足。特别是湿式CAES与ORC的协同效应以及在不同条件下的热力学行为，目前仍知之甚少。因此，本文提出了一种新型湿式CAES与ORC耦合系统，该系统采用多级湿式中间冷却。所提出的系统消除了传统的级间干式换热器，将多级注水与基于ORC的压缩热回收协同结合，从而减少压缩功并利用剩余压缩热。与依赖大型外部换热器的传统等温压缩空气储能（IA-CAES）系统不同，所提出的湿式压缩过程通过直接注水和蒸发冷却实现准等温压缩，从而简化了系统配置。将高温高压湿式压缩空气储存于废弃油井中可实现双重效益，即增强残余油驱替和高效储能。本研究考察了压缩比分配、储气出口压力、注水量、气流、等熵效率和季节温度对系统性能的影响。结合热力学和经济分析揭示了湿式压缩与ORC集成的相互作用，为高效、经济的储能系统提供了理论和实践支持。

## 系统概述

### 湿式CAES与ORC耦合系统的系统描述

如图1所示，湿式CAES与ORC耦合系统使用多级压缩机/膨胀机、低温水泵、冷水箱和热水箱、气液分离器、节流阀、换热器、蒸发器和冷凝器，喷雾冷却用水和联苯三元热油66（Therminol 66）作为导热油。整体运行过程包括三个阶段：储能阶段、ORC运行阶段和能量释放阶段。

**储能阶段：** 富余的可再生能源电力驱动多级压缩机……

### 假设与简化

设定关键参数和边界条件以评估湿式CAES与ORC耦合系统的热力学性能。相关文献和代表性工程实践中选定的主要设计和运行参数汇总于表1。基于这些参数，热力学模型采用以下假设：（1）环境温度固定为25 °C，环境压力固定为0.1 MPa；（2）简化分析推导使用简化方法……

### 压缩比分配对热力学性能的影响

本节考察了固定储气压力12 MPa下，分级压缩比分配对湿式CAES系统热力学性能的影响。系统考察了分级压缩比分配对关键性能参数的影响，包括压缩功率消耗（WCS）、压缩机出口温度（TCS）、注水速率（mv），以及膨胀过程中冷却回收（WCE）和热回收（WHE）的分配。相应的……

## 结论

对一种将多级注水冷却与基于ORC的压缩热回收集成的混合湿式CAES与ORC耦合系统进行了热力学和经济评估。该构型消除了传统的级间干式换热器，并实现了电力、热量和冷量的协同利用。废弃油井被用作高压湿式压缩空气的地下储气库，为现有地下空间提供了一种潜在的再利用途径。

## CRediT作者贡献声明

Yi Zhong：指导、资源、方法论、调查研究。Cong Dong：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、指导、资源、项目管理、方法论、调查研究、资金获取、形式分析、概念构思。Yanghui Ye：验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。Wenlong Shao：方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Xiandong Liu：写作——审阅与编辑、写作——……

## 利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/人际关系：Cong Dong报告获得了中国浙江省自然科学基金的资金支持。Cong Dong报告获得了中国浙江省大学生创新训练计划的资金支持。若有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或……

## 致谢

本工作得到了中国浙江省自然科学基金（项目编号：LY23E060001）和中国浙江省大学生创新训练计划（项目编号：S2025110570033）的支持。

## 作者列表

Xiandong Liu | Wenlong Shao | Tongli Ye | Xiangkai Meng | Cong Dong | Yi Zhong | Yanghui Ye