1、第 12 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.12 No.1Jan.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology耦合LNG及ORC的液态空气储能系统热力学分析肖力木1,高欣2,张世海3,4,文贤馗4(1贵州大学电气工程学院,贵州 贵阳 550025;2贵州大学物理学院,贵州 贵阳 550025;3贵州创星电力科学研究院有限责任公司,贵州 贵阳 550081;4贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州 贵阳 550002)摘 要:为了提高液态空气储能系统(B-LAES)的循环效率及压缩热的利用率,将液态天然气的冷能合理利用起来,提出了一种
2、耦合液态天然气(LNG)和有机朗肯循环(ORC)实现冷热电三联供的液态空气储能系统,从导热油中压缩热的利用率、循环效率、电-电转化效率、效率几方面对本系统进行分析。研究结果表明,通过合理综合利用导热油中的压缩热,压缩热利用率可达到96.67%,比B-LAES系统高约55%;通过耦合利用液态天然气(LNG)的冷能,系统循环效率可达93.20%,比B-LAES系统提高约16.9%;增加ORC系统可使系统电-电转化效率达81.34%,比B-LAES系统提高约42.2%。研究结果可为液态空气储能理论研究和应用提供一定的技术参考。关键词:液态空气储能;有机朗肯循环;冷热电联供;循环效率;压缩热利用率do
3、i:10.19799/ki.2095-4239.2022.0474 中图分类号:TK 02 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)01-155-10Thermodynamic analysis on the liquid air energy storage system with liquid natural gas and organic Rankine cycleXIAO Limu1,GAO Xin2,ZHANG Shihai3,4,WEN Xiankui4(1The Electrical Engineering College,Guizhou University,G
4、uiyang 550025,Guizhou,China;2College of physics,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;3Guizhou Chuangxing Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550081,Guizhou,China;4Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550002,Guizhou,China)Abstract:In order
5、 to increase circulation efficiency and utilization rate of the compressed heat of the liquid air energy storage(B-LAES)system and make wise use of the cold energy of the liquid natural gas,this study suggests a LAES system that can achieve the combined cooling,heating,and power supply by coupling t
6、he liquid natural gas and the organic Rankine cycle system.The system is examined from the utilization rate of the compressed heat in the heat transfer oil,the circulation efficiency,the electricity recurrence conversion efficiency,and the exergy efficiency.Through the thoughtful and thorough use of
7、 compression heat in the heat transfer oil,the utilization rate of the compression heat is as high as 96.67%,which is almost 55%greater than that of the B-LAES system.Using the cold energy of liquid natural gas through coupling,the circulation efficiency of the system can reach 93.20%,which is 储能系统与
8、工程收稿日期:2022-08-23;修改稿日期:2022-09-07。基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0903604),贵州省科技厅科技支撑计划资助项目(黔科合支撑20202Y064),国家自然科学基金项目(11965007)。第一作者:肖力木(1998),男,硕士研究生,研究方向为压缩空气储能技术及控制优化,E-mail:;通讯作者:高欣,教授、博士生导师,研究方向为软凝聚态物理、大气电学等,E-mail:;张世海,正高级工程师,研究方向为汽轮发电机组故障诊断、火力发电厂机组调试,E-mail:。2023 年第 12 卷储能科学与技术roughly 16.9%greater t
9、han that of the B-LAES system.Using the organic Rankine cycle system,the electrical conversion efficiency of the system can reach 81.34%,which is almost 42.2%greater than that of the B-LAES system.Keywords:liquefied air energy storage;organic Rankine cycle;supplies of cooling,heating and electrical
10、powers;cycle efficiency;compression heat utilization我国能源“双碳”工作面临巨大的压力,亟须加快我国能源结构由煤炭向可再生能源的转变1-2。可再生能源发电过程受到天然因素的影响,具有间歇性和不稳定性3的特点,参与电网调峰会造成电网电能下降,所以不能直接参与电网调峰4。这导致可再生能源发电的多余电能利用困难,造成了严重的弃风、弃光、弃水(“三弃”)5等现象,也造成了巨大的能量浪费。近年来,大规模储能技术因其在改善可再生能源系统和电网负荷转移方面的重要作用而受到越来越多的关注6。抽水蓄能(PHES)和压缩空气蓄能(CAES)被视为主要的大规模蓄能
11、技术,但两者都受到地质特征的限制7,因此液态空气储能(LAES)应运而生。LAES技术储能密度高8,运行寿命长,且不需要洞穴、盐矿等大容量储存空间,摆脱了地理条件的限制9。系统在运行过程中产生了大量的冷能和热能,基于该技术特点,系统可以实现多能源互补和多能源协同供给10。LAES在电网用电低谷期充电,用电高峰期放电,从而实现电力负荷的调峰11。近年来,有许多研究学者对LAES进行优化分析,郎立12对LNG冷能回收利用方法及未来进行了展望;巩志超等13表述了LNG冷能利用方式及发展前景;何青等14建立了深冷液化空气储能(B-LAES)系统的热力学模型和分析模型,并对其进行了热力学分析和参数敏感性
12、分析;Tafone等15评估和分析了LAES主要运行参数以及冷/热储能利用系数对关键性能指标的影响;Ameel等16研究了液体空气储能的热力学循环,并获得了43.3%的最大往返效率;Dutta等17将LNG直接膨胀和ORC结合起来,并研究多种ORC工质,以提高能源利用率和效率;Kalan等18对改进的Kalina和双效吸收式制冷循环组成的联合制冷和电力系统进行了热经济性评估,从能量、和经济角度进行了分析;She等19将LNG和LAES耦合起来,从往返效率及发电量、浪费的冷能对系统进行了分析,得到了较好的结果;苏要港等20对利用LNG冷能的液化空气储能系统进行过程模拟、循环效率和效率分析。由于现
13、阶段B-LAES效率较低,导热油中的热量利用不完全19,在液态天然气利用方面造成了较大的冷量浪费。本工作提出将液态天然气(LNG)和液态空气储能(LAES)以及有机朗肯循环(ORC)耦合的冷热电三联供系统(ORC-LNG-LAES-CCHP),此系统可以连续使用来自于LNG的冷能用于液化空气,并实现LNG冷能的梯级利用,对导热油中储存的热能也进行了充分利用,实现冷热电三联供。建立了ORC-LNG-LAES-CCHP的模型及热力学模型,对系统进行效率分析及热力学分析,分析结果可为进一步优化LAES系统提供理论依据和应用支持。1 系统简介图1为基础的液态空气储能系统(B-LAES),可分为3部分。
14、第1部分是空气流。在充电阶段,空气(A1)经过压缩机组(AC1、AC2、AC3、AC4)并进行级间冷却(HE1、HE2、HE3、HE4),以保证进入下一级压缩机的空气是常温,经过压缩机组后的高压常温空气(A9)进入低温换热器(LTHE1)换热冷却成高压低温空气(A10),此后再经过节流阀(TV)绝热节流,变成常压低温的气液两相流(A11),再经过气液分离器(ASEP)分离,未液化的低温空气(A25)进入低温储气罐中,以供LTHE1冷却空气;液态空气(A12)则进入液态空气罐(LAT)中储存。在放电阶段,液态空气(A13)被液态泵(LAP)加压并送至低温换热器(LTHE2)中加热形成高压常温空气
15、(A15),A15再进入膨胀机组(AT1、AT2、AT3、AT4)并进行级间加热(HE5、HE6、HE7、HE8),以保证进入下一级膨胀机的空气是高温,最后经过膨胀机AT4做完功后的空气排放至大气中。第 2 部分是导热油流。在充电阶段,导热油(O1)被油泵(OP1)送至压缩机组的级间换热器来冷156第 1 期肖力木等:耦合LNG及ORC的液态空气储能系统热力学分析却高温空气,经换热后的高温导热油(O11)储存在高温油罐中;放电阶段,导热油(O12)被油泵(OP2)送至膨胀机组的级间换热器来加热低温空气,经换热后的导热油再进入换热器(HE9)中冷却至常温,然后回到常温油罐完成循环。第3部分是冷却
16、空气A30和A31,空气A30通过风机送至LTHE2换热成低温空气(A31),再进入低温储气罐中以供LTHE1冷却空气。图2是耦合LNG和ORC系统的可冷热电三联供的液态空气储能系统(ORC-LNG-LAES-CCHP),可分为5部分。第1部分是空气流,与B-LAES大致一样。第2部分是导热油流,在此系统中,充电阶段的导热油流程与B-LAES一致;在放电阶段,导热油一部分进入膨胀机组,此过程中导热油流程与B-LAES一致,一部分导热油被送至ORC系统加热ORC工质,一部分送至换热器(HE10)以供给热用户;最终这三部分导热油进入常温油罐完成循环。第 3 部分是丙烷流,在系统放电阶段,丙烷(P1)经泵加压送至低温换热器LTHE1换热被冷却成低温丙烷(P3),丙烷(P3)再经过换热器(PHE)将冷能供给冷用户,最终丙烷(P4)回到丙烷罐完成循环。第4部分是LNG流,液态天然气(LNG1)经泵送至LNG换热器(LNG HE)中与低温空气(A25)一起冷却高压常温空气(A9),此时的天然气(LNG3)仍然有较多的冷能,再经过低温换热器(LTHE2)换热将冷能供给冷用户,而天然气则供给天然气用户