100kW液态空气储能平台漏冷及低温泵实验研究

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近年来,中国风能、太阳能等可再生能源发展迅速,然而其固有的不稳定性导致大量的弃风、弃光现象,阻碍其进一步发展。此外,随着中国电网容量不断增加,电网“峰谷差”幅值逐年增大。因此,亟需发展大规模储能技术提高可再生能源稳定性、调节电网负荷。  液态空气储能作为一种极具发展潜力的大规模储能技术,相比于其它储能方式,具有储能密度高、储能容量大、对地理条件适应性好等优点。采用液相工质蓄冷可有效提高储能系统蓄冷效率和液化率,进而提高系统储能效率。蓄冷系统冷量损失及低温泵运行过程中较低的绝热效率都将使储能阶段高压空气节流/膨胀前温度升高,并最终导致储能效率降低。然而,国内外学者对此研究较少。同时,现有基于液相工质蓄冷的液态空气储能技术主要处于理论研究阶段,关于储能系统关键部件的运行特性缺少实验结果验证。因此,本文在现有100kW液态空气储能实验平台的基础上,通过理论和实验研究相结合的方法,开展了系统漏冷和低温泵的相关研究,主要内容包括:  1、液态空气储能系统热力学分析  基于热力学基本理论,通过Aspen HYSYS流程模拟软件建立储能系统仿真平台,揭示了蓄冷工质温升、低温泵绝热效率和补热温度等参数对系统储能效率的影响规律。  2、100kW液态空气储能平台漏冷分析  在现有100kW液态空气储能实验平台的基础上,通过新增温度测点研究储能系统静置时间内的蓄冷工质温升。实验结果表明,蓄冷工质冷罐总漏冷量为724.5W,12h静置时间下的漏冷损失约为8.69kWh,占100kW储能实验平台释能阶段蓄冷总冷量的7.4%。通过理论近似计算和有限元分析,得到蓄冷工质储罐漏冷量计算值并与实验结果进行对比,初步验证了理论近似计算和有限元分析结果。针对储罐筒体底部漏冷量较大的问题,提出将储罐支腿加长,使筒体底部绝热层厚度增加至680mm的方案,根据有限元分析,该方案下系统漏冷量比原方案降低23.8%。进一步分析表明,若采取增加冷箱内珠光砂保温层厚度及选用绝热性能更好的隔热垫等保温绝热措施,以使得蓄冷系统静置阶段冷量损失控制在1.5%时,则系统储能效率和液化率有望分别达到47.7%和71.9%。  3、100kW液态空气储能平台低温泵实验研究  以100kW液态空气储能实验平台为基础,搭建低温泵性能测试平台。在不同泵进出口压力和运行频率下开展变工况实验研究,得到了低温泵在30种不同工况下的流量、功率和效率变化曲线。结果表明,当低温泵运行频率40Hz、进口压力0.8MPa、出口压力2.8MPa时,泵效率达到测试范围内的最大值63.7%。针对应用于液态空气储能系统的活塞式低温泵,适当降低泵入口压力、提高泵出口压力和运行频率可提高泵效率,进而提升系统储能效率。当匹配更合适的低温泵,并使其运行至最佳工况点时,泵效率有望提升至75%,相比于63.7%泵效率的工况下,在不考虑系统漏冷的情况下,此时储能效率和液化率可由50.3%和76.6%分别提升至53.0%和81.0%。
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