超临界压缩二氧化碳储能系统热力性能分析.pdf
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1、低碳环保与节能减排72节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023超临界压缩二氧化碳储能系统热力性能分析郝银萍 杨刚(山西能源学院能源与动力工程系,山西 太原 030600)摘要:对超临界压缩二氧化碳储能系统进行热力计算,对系统级数进行优化设计,采用分析法分析系统的热力学特性,利用Aspen HYSYS软件对系统进行模拟仿真,对比分析二四级系统的储能密度、循环效率。结合系统的敏感性分析结果显示,在同等条件下,二级系统的各项评价指标数值最高,性能最好。关键词:超临界二氧化碳;储能系统;热力性能中图分类号:TK02 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2023)08-
2、0072-03 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.019Analysis of thermal performance of supercritical compressed carbon dioxide energy storage systemHAO Yin-ping YANG GangAbstract:The supercritical compressed CO2 energy storage system is thermally calculated,the system stages are optimized,the thermodyna
3、mic characteristics of the system are analyzed by the exergy analysis method,and the system is simulated by Aspen HYSYS software to compare and analyze the energy storage density and cycle efficiency of the secondfour-stage system.Combined with the sensitivity analysis results of the system,it is sh
4、own that under the same conditions,the evaluation indicators of the secondary system have the highest values and the best performance.Key words:supercritical carbon dioxide;energy storage systems;thermal performance引言可再生能源在世界能源消费结构中的占比越来越大,新能源的开发与利用已经成为不可逆转的趋势,“双碳”目标的提出更是驱动我国新能源发展步入快车道1-2。但新能源发电具有随机
5、性和波动性的特点,容易给电网造成冲击,因此需要发展储能技术3-4。在多种储能技术中,二氧化碳储能作为新型压缩气体储能技术,凭借储能工质物性优良、系统性能稳定、流程设备紧凑等优势,近年来成为国内外相关学者的研究热点。超临界二氧化碳具有高密度、低黏度的特点,作为压缩气体储能工质能够显著提升系统的储能性能5。分析超临界压缩二氧化碳储能系统,计算并优化其热力性能,对该系统的压缩机组-膨胀透平机组的级数进行设计。1超临界压缩二氧化碳系统超临界压缩二氧化碳储能系统工作原理如图1所示。在储能过程中,外界处于用电低谷时,储能系统利用富余的电能或风能、太阳能等新能源供压缩机组运行,存储在低压储气室内的CO2被多
6、级压缩机压缩后进入高压储气室,此时的CO2达到超临界状态;在多级压缩过程中,CO2进入下一级压缩机前均会被级间冷却器内的冷却水冷却,压缩机组压缩CO2产生的压缩热量被收集送入储热罐;在释能过程中,外界处于用电高峰时,高压储气室中的超临界CO2被释放,推动多级膨胀机组做功带动发电机发电;多级膨胀过程中,CO2进入下一级膨胀前均会被再热器内的水加热,放热后的再热水温度依然较高,可以用其加热从低压储气室流出的低温CO2至压缩机组入口所需温度;做功后的乏汽CO2重新回到低压储气室,准备进行下一次循环。注:M电动机;G发电机;C1第1级压缩机;CN第N级压缩机;E1第1级膨胀机;EN第N级膨胀机;IC级
7、间冷却器;TR级间再热器;CO2TRCO2温度调节器;WH余热收集器;HS高压储气室;LS低压储气室;HT储热罐;CW冷却水源;HV高压节流阀;LV低压节流阀。图1超临界压缩二氧化碳储能系统工作原理作者简介:郝银萍(1983),女,博士,工程师,研究方向为新能源利用与储能技术。收稿日期:2023-03-06引用本文:郝银萍,杨刚.超临界压缩二氧化碳储能系统热力性能分析 J.节能,2023,42(8):72-74.低碳环保与节能减排73NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION2系统热力学模型2.1压缩机组文中的超临界压缩二氧化碳储能系统采用多级压缩中间冷却方式,各级压缩机
8、之间的压缩比相同,以表示压缩比6,则有:1=2=i=n=Pn+1Pnn(1)压缩机绝热效率c为5:c=houtc,s-hinchoutc-hinc(2)式中:c压缩机绝热效率;hinc压缩机入口焓值,kJ/kg;houtc,s等熵压缩过程中压缩机出口焓值,kJ/kg;houtc实际压缩过程中压缩机出口焓值,kJ/kg。压缩机耗功wc为:wc=houtc-hinc(3)式中:wc压缩机耗功,kW。压缩机组耗功Wc为:Wc=i=1nwc(4)式中:Wc压缩机组功耗,kW。2.2膨胀机组与压缩机压缩储能过程相类似,膨胀机组采用多级膨胀中间再热方式,各级膨胀机组之间的膨胀比也相同,以表示增压比6,则有
9、:1=2=i=n=Pn+1Pnn(5)膨胀机组透平绝热效率t为7:t=hint-houtthint-houtt,s(6)式中:hint膨胀透平入口焓值,kJ/kg;houtt,s等熵膨胀过程中膨胀透平出口焓值,kJ/kg;houtt实际膨胀过程中膨胀透平出口焓值,kJ/kg。膨胀透平做功wt为:wt=hint-houtt(7)式中:wt膨胀透平做功,kW。膨胀透平机组做功Wt为:Wt=i=1nwt(8)式中:Wt膨胀透平机组做功,kW。3系统热力性能评价指标3.1循环效率储能系统的循环效率为储能系统在整个储能循环中对外输出的能量与消耗的能量的比值,用来衡量储能系统部件的做功性能8。rt=WtW
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