1、1.3超臨界空氣儲能超臨界空氣儲能原理超臨界空氣儲能系統（圖1.3）采用可再生能源的電能或電站低谷電能將空氣壓縮到超 臨界狀態，同時存儲壓縮熱，并利用存儲的冷能將超臨界空氣冷卻、液化后儲存在低溫絕熱容器中，從而電能被存儲；在用電高峰時，液態空氣加壓后經過換熱器吸熱至超臨界狀態， 氣化過程釋放的冷能被回收、存儲，隨后高壓空氣進一步吸收存儲的壓縮熱升溫后進入膨脹 機做功并驅動電機發電。由于將壓縮過程產生的熱量和氣化過程釋放的冷量進行儲存，因而儲能系統的效率明顯改善，同時余熱和廢熱可以被回收以提高系統效率。超臨界空氣儲能系統與現有的壓縮空氣儲能系統以及液化空氣儲能系統擁有許多相似的組件，但其最顯著的

2、區別在于利用蓄熱蓄冷裝置對空氣的壓縮熱和氣化冷量進行回收利用，從而既擁有遠高于壓縮空氣儲能的能量密度，又大大提高液化空氣儲能的效率。考慮到與壓縮空氣儲能系統的相似 性和差異性，下面對超臨界空氣儲能系統進行總體方案與關鍵部件的設計與研究。能腿M2爵脹機1希什，攝感器座氣機1 Hi/人氣大氣 污染物圖1.3超臨界空氣儲能系統原理圖超臨界空氣儲能系統圖1.3中超臨界空氣儲能系統的主要部件包括壓縮機組、低溫儲罐、低溫泵、膨脹機組和蓄熱蓄冷換熱器。低溫儲罐是專門儲存沸點溫度低于室溫的液體（如液氮和液氧等）的絕熱容器。該儲罐通常由兩層以上的絕熱結構構成，可以采取幾種不同的絕熱方式，包括真空絕熱、粉末絕熱和

3、多層纏繞絕熱等，在環境與低溫液體之間進行良好的絕熱，從而起到降低低溫液體蒸發率的作用。 低溫儲罐是一個非常成熟的產品，市場上提供多種不同壓力和容量規格的儲罐，根據低溫儲罐絕熱方式以及有效容積的不同，液態空氣的日蒸發率一般在0.03-1%之間，有效容積越大，蒸發率越低。低溫泵是用來輸送低溫液體 （液氮、液氧和液化天然氣等）或是從低溫儲罐抽取低溫液體 并將其壓入氣化器氣化的特殊泵，在石油、空分和化工裝置中有廣泛應用。低溫罐罐頭采用絕熱結構來防止低溫液體吸熱氣化影響罐的工作。低溫泵主要分為往復式和離心式兩類，各種壓力和流量范圍的低溫罐均可從市面上采購得到。已有的兩座CAES電站中均采用工業壓縮機組，

4、而這類壓縮機組一般都帶有級間冷卻。LAES系統中儲能過程即為氣體液化過程，采用成熟的氣體液化裝置，帶級間冷卻裝置的空 氣壓縮機組被集成在液化裝置中。所以市場上并沒有適用于超臨界空氣儲能系統的壓縮機 組，需要對已有壓縮機組冷卻系統進行設計與改進來回收壓縮熱。空氣在多級壓縮機組中升壓至超臨界狀態（3.7MPa）。圖1.4顯不不同蓄熱級數下的壓縮機排氣溫度與蓄熱量。這里壓縮機絕熱效率取 80%總壓縮比設為70,級間壓縮比相等，大氣溫度以及蓄熱后 空氣溫度均取2C。1D0C(,二1000O:8落焦綴數圖L4蓄熱溫度與蓄熱量隨蓄熱級數的變化蓄熱蓄冷換熱器蓄熱蓄冷換熱器必須具有較大的熱容量、較高的吸熱率和

5、傳熱系數，能在數小時的儲能過程中保持出口溫度基本穩定，最重要的是大規模應用成本較低。目前熱能（熱量和冷量）通常在-40 C至400 c溫度范圍以顯熱、潛熱或化學熱的形式存儲。由于化學熱蓄熱技術還 處于前期研究階段，下面主要對顯熱和潛熱這兩類主要的蓄熱技術進行考察分析。顯熱蓄熱通過提高蓄熱材料的溫度來儲存熱量，蓄熱材料分為液體介質和固體介質，通常儲存在絕熱良好的儲罐中。水是最常用的蓄熱介質之一，它具有較高的比熱并且成本很低。然而當蓄熱溫度在100c以上時水開始氣化，需要昂貴的高壓絕熱容器來承受其在高溫下較高的蒸汽壓。如今水作為傳熱流體和蓄熱介質廣泛應用于太陽能加熱水和室內采暖，而高溫液體蓄熱 T

6、OC o 1-5 h z 常用導熱油和溶鹽來替代水，這是因為相比于水它們擁有較低的蒸氣壓，能夠在超過300c的條件下工作。然而導熱油相當昂貴， 并不適合大規模應用。 溶鹽在高溫蓄熱領域具有很好 的應用前景，目前處于研發與示范階段。固體材料如巖石、沙子、金屬、混凝土、陶瓷和磚等，蓄熱時不會像水一樣沸騰或泄漏， 可以在低溫和高溫下用于熱能儲存。巖石、砂石等由于成本很低而被認為是較好的蓄熱材料。 松散的巖石或砂石通常被填充在一定的容器中，傳熱流體可以在石子之間的縫隙內流動，蓄熱時熱空氣被輸送進填充床加熱石子，而當需要熱量時較低溫度空氣再進入填充床吸熱。填充床蓄熱系統中石子的形狀、熱物性、傳熱流體性質

7、以及填充方式等因素都將對蓄熱性能產 生影響。(a)而熱(b)群熱圖L5填充味蓄熱即與釋熱巾)實驗系統實驗系統與主要設備本節介紹超臨界空氣蓄熱蓄冷實驗系統的設計，以及主要實驗設備與裝置。圖3.1為已建成的超臨界空氣蓄熱蓄冷實驗平臺，圖3.2為實驗系統原理圖。在圖3.2所示的實驗系統中，蓄熱與蓄冷過程采用同一個圓柱形不銹鋼高壓罐，其內部填充石子形成填充床。蓄熱時空氣被壓縮機壓縮后進入儲氣罐平滑活塞壓縮機產生的氣流脈沖。在儲氣罐底部有一段旁通管路，通過管路上的間閥來控制流入電加熱器的壓縮空氣的流量。進入電加熱器的壓縮空氣被加熱后經過一段與蓄熱罐頂部相連的保溫管道進入垂直填充床，填充床入口設有分流器來

8、均勻填充床徑向空氣流速，隨后空氣向下流過填充床并與石子顆粒進行熱交換，最后通過蓄熱底部管路流出填充床，經過閥門節流、降壓后排空。蓄冷時液氮從低溫儲罐內流出，經過低溫栗增壓后從蓄冷罐底部送入填充床氣化，高壓氣體從蓄冷罐 頂部流出填充床，經過閥門節流、降壓后排空。圖3J超臨界空氣儲脂蓄熱蓄冷實驗平臺犀力/ 溫度BSl_洱1 ； .：r-LU _L -樂力、溫度.I it Hat as也加蚪器|VWWj-03- 制度伴 需涉1閥T；電堪 ft愿面散據是 集維統帆遍流計- 低溫耀門才2J 3匚cJ-U/H生器、 比海2祖僮傅 因K隨格“憚濯 H*圖3J超臨界空氣蓄熱蓄冷實驗系統原理圖實驗系統中主要設備

9、的功能及性能參數如下：(1)空氣壓縮機(圖3.3)用于將空氣壓縮至超臨界狀態。結構形式為整體撬裝往復活塞壓縮機，4級壓縮，冷卻形式為風冷，最大排氣壓力 7MPa公稱容積流量 2m3/min ,壓縮機配備動力 37k四總重景 1600kg,外形尺寸 2000 x1000 x1300 mm (長 x 寬 x 高)。(2)儲氣罐用于平滑活塞式壓縮機產生的氣流脈沖，穩定氣流輸出。材質為碳鋼，容積 0.3m3,工作壓力7MPa安全閥起跳壓力 7.5MPa。圖3.3空氣壓縮機圖3.4電加熱器(3)干燥過濾器用于過濾壓縮機末級排氣中所含的水和油。兩級精密過濾器最大工作壓力i0MPa最大流量4m3/min ,

10、濾油含量分別為 1PPMO 0.01PPMo(4)電加熱器(圖3.4)用于將壓縮空氣加熱至一定蓄熱溫度。工作壓力7MPa最高工彳溫度 20C,加熱空氣流量120Nm3/h ,額定功率15k皿溫度控制精度士 2C。(5)高壓蓄熱蓄冷罐(圖3.5)用作蓄熱蓄冷填充床容器。空氣在填充床內與石子換熱， 工作壓力7MPa工作溫度-196-+300 C,罐體材質為304不銹鋼，總重量720kg ,總容積0.15m3, 罐體內徑345mm罐壁厚度16mm 罐體總高2058mm安全閥開啟壓力 7.7MPa,保溫層厚度 200mm保溫材料為桂酸鎂巖棉，罐內填充花崗巖碎石子。(6)低溫儲罐(圖3.6)1.6MPa

11、,內外用于儲存液氮。結構形式為臥式，高真空多層纏繞絕熱，最大工作壓力 筒材質為304不繡鋼，有效容積 495L,日蒸發率小于1%圖3春防壓蓄熱蓄冷罐圖36低溫儲罐低溫罐（圖3.7）用于將液氮增壓至超臨界壓力后送入填充床。結構形式為整體撬裝臥式活塞單列罐， 設計溫度-196 C,使用介質為液氮、液氧和液僦，最大進口壓力0.8MPa,最大出口壓力7MPa介質流量100-300L/h （可調），電機功率4kW/罐頭為真空夾套式絕熱。圖3.7低溫泵圖熱電阻圖39數據采集系統圖340數據采集室蓄熱蓄冷填充床在不銹鋼蓄熱蓄冷罐內填充粒徑大小相似的花崗巖碎石子形成填充床。在蓄熱蓄冷過程中熱空氣或液氮流過石子

12、填充床并與石子直接接觸換熱，熱量或冷量被儲存在石子中。不繡鋼蓄熱蓄冷罐具體結構以及石子填充床內23路PT100熱電阻的布置如圖 3.11和3.12所示。罐身岸接有一排 7個熱電阻引出管，管長310mm外徑27mm管壁厚4.5mmo引出管沿罐軸向 以188mm#間距分布，最上端引出管設置在距離分流器下方210mm。鎧裝PT100熱電阻從引出管插入填充床測量當地溫度，信號采集時間間隔為5s,精度為 0.;rC,各熱電阻變送器將4-20mA信號輸送到cDACB據采集系統的NI9203模塊，采集系統連接到一臺計算機進行數 據采集與分析。罐體中間位置的3個引出管插入的是錯裝熱電阻束，每根套管內集成 5個

13、PT100熱電阻，測量填充床內徑向溫度變化，各熱電阻在銷裝保護管內沿徑向等間距分布，相鄰熱電阻間距為 86mm另外如圖3.11所示，在保溫層內緊貼不銹鋼罐外壁設有3個溫度測點測量實驗過程中外壁溫度的變化。當需要測量石子表面及其附近空氣溫度時，采用特制的4套熱電阻來替代上述銷裝熱電阻，如圖3.12所示。特制熱電阻如圖3.13所示(T2r-T5r),將石子鉆孔后插入 PtlOO熱電阻感溫元件來測量石子溫度，由于石子畢渥數(Bi)小于0.1，忽略石子中心與表面之間的溫度差。同時將另一根熱電阻捆綁在插有感溫元件的石子周圍來測量石子附近空氣溫度。通過不誘鋼管將特制的熱電阻送入填充床中心處，熱電阻引出線在

14、螺紋接頭空腔內進行膠封。此外在蓄熱蓄冷罐頂部和底部入口管路上布置有兩個壓力傳感器，測量空氣經過石子填充床后的壓降。圖藉I石子填充床背希*冷修結構與制度傳后情布置圖三石子梅熱溫差疆定與超度傳感器布置蓄熱蓄冷實驗步驟分別對填充床進行蓄熱和蓄冷實驗以模擬超臨界空氣儲能循環中的蓄熱蓄冷工作過程。這里取超臨界條件下的蓄熱蓄冷壓力為7MPa,填充床蓄熱進口溫度為 160 C。蓄冷過程采用液氮作為低溫流體。其中一個蓄熱循環包括蓄熱、保溫、釋熱、停機 4個過程，蓄冷循環包 括蓄冷、保溫、釋冷和停機4個過程。畜熱實驗(1)蓄熱過程：首先開啟數據采集系統，然后啟動壓縮機將儲氣罐、蓄熱管路及填充床增壓至接近7MPa,調節閥門開度使填充床內壓力維持在7MP近右，同時啟動電加熱器加熱超臨界空氣，出電加熱器的高溫高壓空氣從蓄熱罐上端流入填充床，蓄熱過程開始，空氣在填充床間隙內流動，熱量傳遞給石子。蓄熱過程如圖3.14所示。(2)保溫過程：當填充床出口空氣溫度上升到接近進口溫度時蓄熱過程完成，將儲氣罐、蓄熱管路及填充床