液態工質儲罐冷端參數對壓縮氣體儲能項目全流程側的重要性

范立華，王松，翟璇，羅方，靳亞峰

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

壓縮氣體儲能是一種安全可靠性高、機組容量大、電電轉換效率高、地域適應性好、壽命期長、響應時間達分鐘級、建設成本及全周期度電成本較低的主流儲能型式，未來極具發展優勢。

對于壓縮氣體儲能，雖然具有地域適應性好的特點，但是其儲釋能系統需配備一定的儲存裝置，用以在儲能側和釋能側高壓低溫工質的存放。一般其儲存裝置可分為2 種：（1）位于地下的大容積鹽穴或煤礦巷道；（2）放置于地面的儲罐裝置。對于地面的儲罐裝置，常常需要考慮其設備投資占比的屬性，過大的儲罐裝置對于系統的整體投資占比極大，這也成為了壓縮氣體儲能系統中重要的掣肘因素，而以液態形式存放工質的液態壓縮氣體儲能項目則由于具有較大的存儲密度，往往在儲罐設備上具有較大的優勢。

對于此液態氣體儲能發電系統，通過合理配置冷端儲罐的參數，可以在已有儲罐裝置前提下，不增加系統其他設備投資的情況下有效提高儲釋能系統的運行時長。同時對于儲能初始狀態下一定質量的氣體工質，通過優化其冷端儲罐的參數，可以有效延長運行時長。

1 理論基礎

1.1 液態壓縮氣體儲能系統

壓縮氣體儲能系統通常由儲能模塊和釋能模塊構成。

儲能模塊由低參數工質氣倉（或直接取自大氣）、壓縮機、換熱器1、儲熱罐、儲氣/液罐構成。儲能時間段內，壓縮機消耗電能將氣倉中低參數的氣體工質壓縮為高壓高溫的氣體工質，然后經換熱器1 將高參數的工質轉換為高壓、低溫的氣體或液體工質，其熱能儲存于儲熱罐中，換熱后的高壓、低溫氣體或液體工質儲存于儲氣/液罐中。

釋能模塊由儲熱罐、儲氣/液罐、換熱器2、透平、低能工質氣倉（或直接排氣至大氣）構成。釋能時間段內，換熱器2 開始工作，儲氣/液罐出來的高壓低溫工質吸收儲熱罐中高溫儲熱介質的熱能，升溫為高壓高溫的工質氣體，然后經過透平膨脹做功，完成儲能系統做功側的功率要求，最后膨脹做功完成后的低參數工質氣體可根據工質性質排至大氣或排至某密閉的低溫低壓氣倉。

在儲能模塊與釋能模塊，可以看到2 種不同的工作時段均有儲熱罐、儲氣/液罐工作的部分。在整個儲釋全過程時段內均要滿足儲熱罐、儲氣/液罐中儲熱介質和工作工質的流量和熱量平衡。

本文主要研究對象為儲液罐裝置，通過對液態儲罐中不同容積、溫度、工質質量的情況進行分析，得到系統側相關參數的變化趨勢和儲能時長等重要參數的變化規律，以此進一步優化設計系統。圖1 為某液態氣體儲釋能系統的儲氣/液罐裝置及相連接系統。圖2 為某儲氣/液罐結構示意。

圖1 某壓縮液態氣體儲釋能系統

圖2 某儲氣/液罐結構示意圖

1.2 儲罐中氣液兩相形式物性假設

在壓縮氣體儲能系統冷端儲罐中，儲釋能系統側工質實際以氣相和液相共存的形態同時存在，極限形態下，儲能側工質來自壓縮機出口，以氣相形式存在，并經過換熱器1 進行放熱，當儲能過程結束時，該部分氣體形態應完全轉變為液態。

由于壓縮機出口至儲罐的壓力范圍波動極小，簡化處理認為其壓力相同，將該過程簡化假設，即儲能側工質應在某壓力下由氣相完全轉變為液相，同理，當系統進入釋能時段時，認為釋能側工質在某壓力下由液相完全轉換為氣相。

考慮到儲罐中應始終維持壓力值，因而實際中工質不可能完全轉換為液相，該假設與實際過程中具有一定偏差，但對于系統的定性分析及對比論證結構，具有理論分析意義及實際工質參數參考價值，在實際中可適當增加工質氣量以維持儲罐中的壓力值。另外，假設儲罐在儲能和釋能中始終處于恒溫過程態。

2 3 種不同邊界條件下儲罐及系統側各重要參數的相互關系及變化趨勢

對于液態壓縮氣體儲能系統，液罐對應3 個重要性能參數：儲罐容積、儲罐工作的溫度/壓力、儲罐中初始態的工質質量。上述3 個參數兩兩耦合且相互影響，并直接影響系統側其他參數及循環性能。下面針對上述3 個參數形成的3 種組合形式進行詳細分析，進而得到其具體變化趨勢。

2.1 儲罐溫度/壓力參數維持不變時，儲罐、儲釋能氣量、儲釋能時長及其他系統側重要參數的關系

假設儲罐溫度/壓力相同，僅在儲能初始狀態時設置不同的工質質量。經過計算，可得到儲罐對應的容積大小、儲能時長、儲能側終態質量、釋能初態/終態質量、釋能時長、熱罐中換熱介質的流量等參數的變化趨勢。

（1）儲罐容積的變化趨勢

式中ν儲始是某溫度時儲罐中工質全部為氣態時的比容，該值在壓力或溫度給定的情況下為定值f（T,massquality1）=C1。

根據式（1）可得到V罐和G儲始之間成正比關系，如圖3 所示。

圖3 儲罐溫度/壓力相同，G儲始與V罐的關系曲線

（2）儲釋能側工質質量的變化趨勢

ν儲終是某溫度時儲罐中工質全部為液態時的比容，該值在壓力或溫度給定的情況下為定值f（T,massquality0）=C0。

當儲罐溫度給定時，ν儲始/ν儲終=C1/C0為定值，因而式中G儲終與G儲始成正比變化趨勢。儲罐內工質質量在儲能終態和釋能初態是連續的，因而G釋始=G儲終。同時根據公式可得到G釋終=G儲始。圖4 為儲釋能側工質質量隨G儲始的變化趨勢。

圖4 儲罐溫度/壓力相同時，儲釋能側工質質量與G儲始的關系曲線

（3）儲能時長、釋能時長的變化趨勢

儲能時長t儲計算公式如下：

即：

同理，釋能側工作時長t釋的計算公式如下：

即：

釋能側工質質量流率變化與透平側工質流量變化率直接相關，對于液態儲罐性質的儲氣介質，其釋能側透平進口壓力穩定，因而可認為透平工質質量流率始終保持一致，即釋能側單位質量流率m釋恒定。因而在此基礎上釋能工作時長t釋也與儲能側初始質量G儲始成正比變化趨勢。

圖5 儲罐溫度/壓力相同時，t儲、t釋與G儲始的關系曲線

對比t釋和t儲的公式可以發現，兩者形式一致，均與G釋始成正比關系，只是m儲和m釋的位置存在差異。如果儲能側儲罐入口質量流率和釋能側儲罐出口質量流率一致，則可能存在t釋=t儲的可能性。但是否真正可實現t釋=t儲，還需要增加其他判斷條件，即儲能側和釋能側儲熱介質的熱量和流量是否匹配。

（4）儲釋能側儲熱介質質量、熱量、壓縮機耗功量、透平做功量、電電轉換效率的變化趨勢

當儲罐溫度/壓力相同，僅在儲能初始狀態時設置不同的工質質量時，儲能側和釋能側系統關鍵參數如儲熱介質流量、熱量、壓縮機耗功量、透平做功量等均呈現一種與時間相關的積分積疊規律。

對于系統整體電電轉換效率，數值上等于壓縮機耗功量與透平做功量的比值，當兩者均呈現相同的時間積疊關系時，系統整體電電轉換效率將保持不變，如圖6 所示。

圖6 儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲釋能側耗電量、做功量、電電轉換效率與G儲始的關系曲線

2.2 儲罐維持不變時，儲罐冷端參數與儲釋能氣量、儲釋能時長及其他重要系統側參數的關系

假設儲罐比容始終保持不變，但是對儲罐冷端溫度/壓力設置不同的數值，可根據相關規律得到工質氣量變化、儲釋能時長變化、系統側其他重要參數變化趨勢。

對于儲罐處于某一溫度/壓力狀態下時，儲能側與釋能側滿足以下公式：

式中可看出，儲罐在儲能側和釋能側不同時刻的質量只與當前工質該溫度下對應的比容相關，且呈現反比關系。因此G儲始=G釋終，G儲終=G釋始，當然后者等式在任何情況下恒成立。同時儲能的工作時長、釋能的工作時長只與儲罐在儲能側和釋能側質量流率相關。

（1）儲釋能初終態工質質量的變化趨勢

當儲罐容積固定而溫度不同時，儲釋能初終態工質與該溫度時工質比容/密度直接相關。圖7、圖8 為儲釋能初終態工質、儲釋能初終態密度與儲罐溫度的關系曲線?？梢钥吹?，儲釋能初終態質量與其對應狀態的密度具有相同的變化趨勢。

圖7 儲釋能初終態質量與儲罐溫度的關系曲線

圖8 儲釋能初終態密度與儲罐溫度的關系曲線

（2）儲能側與釋能側工質工作時長的變化趨勢

當儲罐處于不同溫度/壓力狀態下時，儲能側與釋能側工質的工作時長與儲罐溫度成反向變化關系，上述關系可以通過公式推算得到，當儲能側和釋能側質量流率相同時，t儲=t釋∝?，F列舉儲釋能側工作時長、（C1-C0）/（C1*C0）與儲罐溫度的關系曲線，如圖9、圖10 所示，對比兩曲線圖可以發現兩者隨儲罐溫度具有相同的變化趨勢。

圖9 儲能側與釋能側工質工作時長與儲罐溫度的關系曲線

圖10 （C1-C0）/（C1*C0）與儲罐溫度的關系曲線

（3）儲釋能側儲熱介質質量、熱量、壓縮機耗功量、透平做功量、電電轉換效率的變化趨勢

當儲罐容積相同而溫度/壓力不同，儲釋能側單位質量流率m儲=m釋時，隨儲罐溫度/壓力的升高，壓縮機和透平功率均將提高，但并不一定呈現線性的變化規律。與之直接相關的系統側關鍵參數：單位時間內儲熱介質的質量、熱量雖然會升高，但并不一定會呈現線性上升趨勢。

在計算儲能側與釋能側關鍵參數規律時，需要計算的不僅僅是單位時間內的數據變化規律，還有儲能側與釋能側的運行時長，對系統側關鍵參數的定性變化規律及趨勢起到決定性作用。

根據儲能側與釋能側運行時長的差異，同時根據單位時間內壓縮機、換熱器1、換熱器2、透平等眾多設備引起的綜合變化規律進行積分計算得到以下各關鍵參數的規律，如圖11 所示。

圖11 儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲釋能側耗電量、做功量、電電轉換效率與儲罐溫度的關系曲線

從圖11 中可以看到，儲釋能側儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲釋能側耗電量、做功量等幾乎與工作時間成正比關系，僅有微小改變。與此同時，對于儲罐在不同的溫度/壓力參數時，電電轉換效率呈現微小量提升，幾乎可以認為不變。

2.3 儲釋能初始氣量不變時，儲罐V、儲罐冷端參數、儲釋能時長及其他重要系統側參數的關系

對于特殊氣體介質構建的壓縮氣體儲能項目，其儲釋能氣體的耗量也將對系統的整體成本產生較大影響。針對此種情況，假設儲罐中儲能初始狀態下工質的質量始終保持不變，對儲罐冷端溫度/壓力設置不同的數值，可根據相關規律得到儲罐容積大小、儲釋能時長變化、系統側其他重要參數變化如下。

（1）儲罐所需容積的變化趨勢

C1與儲罐所處的溫度/壓力成反比，當儲釋能初始氣量維持不變時，V罐大小只與C1正相關，因V罐而與儲罐所處的溫度/壓力成反比關系。圖12 為C1和V罐隨儲罐溫度的關系圖示。

圖12 C1 和V罐與儲罐溫度的關系曲線

（2）儲釋能初終態工質質量的變化趨勢

G釋終的數值與V罐成正比，同時與C1成反比，考慮到V罐和C1均與儲罐所處的溫度/壓力成反比關系，所以當儲釋能初始氣量維持不變時，G釋終=G儲始始終保持不變。

C1/C0與儲罐所處的溫度/壓力成反比，所以當儲釋能初始氣量不變時，G儲終=G釋始也與儲罐所處的溫度/壓力成反比。圖13 為C1/C0和G儲終=G釋始隨儲罐溫度/壓力狀態參數的關系。

圖13 C1/C0 和G儲終=G釋始與儲罐溫度的關系曲線

（3）儲釋能側工作時長的變化趨勢

當儲釋能初始氣量維持不變，且當儲能側壓縮機和釋能側透平單位質量流率m儲和m釋相同時，t儲=t釋，且兩者均與-1 成正比。圖14 為-1 和t儲=t釋隨儲罐溫度/壓力狀態參數的關系。

圖14 C1/C0-1和t儲/t釋與儲罐溫度的關系曲線

（4）儲釋能側儲熱介質質量、熱量、壓縮機耗功量、透平做功量、電電轉換效率的變化趨勢。

從圖15 可以看到，儲/釋能側儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲能側耗電量、釋能側做功量等幾乎與工作時間成正比關系，僅有微小改變。與此同時，對于儲罐在不同溫度/壓力參數時，電電轉換效率呈現微小量提升，幾乎可以認為不變。

圖15 儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲釋能側耗電量、做功量、電電轉換效率與儲罐溫度的關系曲線

3 結論

對于冷端儲罐以液態形式儲存的壓縮氣體儲能項目，其冷端儲罐的參數對儲-釋能系統全流程側均具有重要影響?？紤]到壓縮氣體儲能項目中冷端儲罐的容積占系統比例極大，同時對非常規工質或有機工質而言其成本占比也極高。因此分析該系統的冷端儲罐參數對整體系統經濟性能具有較大意義，經過上文綜合分析可得到以下結論：

（1）當儲罐溫度/壓力保持不變時，V罐、G儲終、G釋始、G儲終、t儲、t釋、儲/釋能側儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲能側耗電量、釋能側做功量等參數均與G儲始成正比關系。此時若想增加系統工作時長，需在等比例增加儲罐容積的基礎上，等比例增加儲罐中工質的質量。

（2）當V 罐保持不變時，G儲始、G 釋終與儲罐的溫度/壓力成正比變化關系，而其他參數如G儲終、G釋始、t儲、t釋、儲/釋能側儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲能側耗電量、釋能側做功量等參數均與儲罐的溫度/壓力成反比變化關系。此時，在保持液罐容積不變、且不增加系統其他設備投資的情況下，適當降低儲罐溫度，同時適當增加儲罐中的工質質量，可以明顯增加系統儲能/釋能的工作時長?；蛘弋敼ぷ鲿r長保持不變時，可以適當增加系統輸出功率。

（3）當G儲始保持不變時，G釋終也將保持不變，而對于其他參數如V罐、G儲終、G釋始、t儲、t釋、儲/釋能側儲熱介質質量、儲熱介質換熱量、儲能側耗電量、釋能側做功量等參數均與儲罐的溫度/壓力成反比變化關系。此時，若想增加系統的工作時長，需在等比例增加儲罐容積的基礎上，等比例降低儲罐的溫度。

在上述3 種不同的儲罐冷端變量發生時，可以看到系統工作時長主要與儲罐容積、儲罐的溫度、儲罐中的工質質量這3 個參數有關，而這3個變量兩兩耦合。若想增加系統工作時長，在任意2個參數確定時，另一個參數將隨之變化。通常情況下，儲罐容積增加、儲罐溫度下降、儲罐中工質質量增加可以增加系統的工作時長，可以在不增加系統側其他設備投資的情況下，有效增加系統的工作時長或系統功率。

另外可以看到，對于其他系統側參數，如儲熱介質換熱量、儲能側耗電量、釋能側做功量等均與工作時間成正比關系，而電電轉換效率整體變化不大。