热泵储电的热力学分析及其在燃煤电厂调峰中的应用

蓝狮平台网讯：当前，由于可再生能源持续并入电网，大规模储能技术备受关注。其中热泵储电，也称卡诺电池，作为一种新兴的大规模储能技术，因其不受地理条件的限制、成本低、储能密度高和系统效率高等优点，有着广阔的应用前景。然而，这种独立的卡诺电池存在热利用效率低的缺陷，可通过系统集成克服这一缺陷。

上海交通大学ChangyingZhao教授课题组开发并分析了一种基于热泵-有机朗肯循环（HP-ORC）的余热集成储能系统，实现了热泵储电与燃煤电厂的耦合，并通过循环效率和?效率之间的权衡优化，找到适合现有燃煤电厂的运行参数。相关研究表明，HP-ORC通常用于中低温储能系统，一般由蒸发器、压缩机、两个蓄热罐（潜热蓄热罐和显热蓄热罐）、膨胀机、冷凝器和泵组成。

在储能阶段，有机工质进入蒸发器并由来自燃煤电厂冷却塔前的蒸汽加热蒸发后，在压缩机内被压缩至高温高压状态，潜热蓄热罐中的LiNO3-KNO3熔盐通过相变吸收来自有机工质的部分热量，显热蓄热罐中的加压水吸收有机工质的剩余热量，进而实现了电能向热能的转化和存储。

在释能阶段，有机工质在高压下被泵送至蓄热罐进行换热，其在显热蓄热罐内预热，在潜热蓄热罐内蒸发至过热状态，并在涡轮机中膨胀做功并驱动发电机产生电能。同时，有机工质的选取会直接影响系统的效率，通过多标准对比，该研究采用丁烯作为有机工质。基于热力学第一定律和热力学第二定律，研究人员对HP-ORC系统进行了能量分析和?分析，以系统的循环效率和?效率作为评价性指标，研究分析了热源温度、有机朗肯循环冷凝温度、换热器夹点温差、压缩机/膨胀机等熵效率对循环效率和?效率的影响。

研究结果表明，循环效率与热源温度、压缩机/膨胀机等熵效率呈正相关，与朗肯循环冷凝温度、换热器夹点温差呈负相关。在一定的系统参数设定下，显热蓄热罐的?损失为41.52kWh，潜热蓄热罐的?损失为36.45kWh，分别占系统总?损的35%和30.7%，这是由蓄热罐中高温升程传热的不可逆因素所导致的。

为进一步优化HP-ORC系统，该研究通过多目标遗传算法，以循环效率和?效率为目标函数，得到了目标函数的最优解集。结果表明，当循环效率从0.96增加到0.99时，?效率下降了1.9%，由于两个目标函数之间的强相关性且目标函数之间的权衡已达到最佳，最优解集的任何一点都可以被选为最优设计。当热源温度和最大储存压力设计为87.1℃和3.6MPa时，循环效率和?效率分别可以达到0.97和0.64。在多目标优化条件下，与额定功率300MW燃煤机组耦合的HP-ORC系统，其输出功率受燃煤电厂排汽热和非高峰期用电量的共同影响。当燃煤电厂在1:00的非高峰期功率达155MW时，该HP-ORC系统可提供150MW的电力，所需的最大热量达到785MW，故需要额外的厂外余热；一天的电力需求在13:00达到峰值，为449.9MW。在这种模式下，该集成系统总共可以提供890.2MWh的电力，集成卡诺电池的燃煤电厂最大调峰能力可达94.4%。与抽汽加热相比，该集成系统不会降低燃煤电厂的额定功率。此外，充分利用错峰用电进行调峰，系统整体电效率提升了38.6%。

图1集成HP-ORC系统的燃煤电厂运行参数

该项研究分析了热泵-有机朗肯循环系统的热力学特性，探索了其与燃煤电厂集成的可行性，为集成卡诺电池的燃煤电厂调峰运行提供了理论依据和解决方案。相关研究成果发表在《EnergyConversionandManagement》。