ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
Mar. 2021
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*国家级大学生创新创业训练计划资助项目
(202010145041)，中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目(N182410001, N2025022)，国家自然科学基金项目
(51734004)
收稿日期：2020 - 07 -10
赖 茜(1999 -)，本科;110819辽宁省沈阳市。
通讯作者：孙文强，副教授,Email ：sunwq@ mail. new.
钢铁企业余热强化的压缩空气储能系统性能研究
*赖茜1梁伟1王世彪1孙文强V
(1.东北大学冶金学院热能工程系，2.国家环境保护生态工业重点实验室)
摘要为了解决传统压缩空气储能(CAES)系统依赖化石燃料以及先进绝热压缩空气储能
(AA-CAES)系统的透平初温较低的问题，研究设计了余热强化的压缩空气储能(WH- CAES)系统。通过建立该系统各环节热力学模型，研究了 WH - CAES 系统能量效率和储能
效率随压缩比比值和膨胀比变化的规律，并与AA -CAES 系统进行了对比分析。研究表明：
WH -CAES 系统可有效提高系统性能。随着压缩比的增大，WH - CAES 系统的系统能量效率
降低，储能效率升高。随着膨胀比的增大，系统能量效率和储能效率先增大后减小。在膨胀 比比值等于0. 334时，系统能量效率和储能效率达到最大，分别为57. 72%和77. 60%。
关键词压缩空气储能余热系统能量效率储能效率
文献标识码：A 文章编号：1001 -1617 (2021) 02-0023 -06
Performance of a compresd air energy storage system enhanced
by using waste heat of steelworks
Lai Xi 1 Liang Wei 1 Wang Shibiao 1 Sun Wenqiang 1,2
(1. Northeastern University ,
城南旧事感悟2. State Environmental Protection Key Laboratory of Eco - industry)
Abstract In order to eliminate the fossil fuel consumption of traditional compresd air energy storage (CAES ) systems and enhance the turbine inlet temperature o£ advanced adiabatic CAES ( AA -
CAES) systems , a waste heat enhanced CAES ( WH - CAES) system was designed in this work.
Thermodynamic models of the system were established to investigate the system energy efficiency and
energy storage efficiency with the ratio of compression ratios and the ratio of expansion ratios and com
pare with an AA - CAES system. Results show that WH - CAES system can effectively impro
ve the system performances. As the ratio of compression ratios increas , the system energy efficiency of the WH - CAES system decreas and the energy storage efficiency increas. As the ratio of expansion ra
tios increas , the system energy efficiency and energy storage efficiency increa first and then de
crea. The system energy efficiency and energy storage efficiency reach the maximum of 57. 72% and
77. 60% , respectively , when the ratio of expansion ratios is equal to 0. 334.
Keywords compresd air energy storage waste heat system energy efficiency energy storage eb ficiency
钢铁行业是我国国民经济的基础产业和工业 化支撑产业，也是高耗能行业⑷。在钢铁生产 过程中，需要消耗大量的电力⑵，约占其能源
总消耗量的38%。钢铁企业电力消耗量巨大,
电力成本是钢铁企业生产成本的重要组成部分,
直接影响企业的行业竞争力和经济效益。在工业
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分时电价制度下，利用储能技术⑶将谷期廉价的电力储存起来，待峰期电价高时再使用，是降低钢铁企业电力成本的有效方法。
在众多储能技术中，压缩空气储能（CAES）技术以其大容量、低成本、安全系数高、选址灵活和技术成熟等优点⑷，被认为是一种极具商业发展潜力与应用价值的技术⑸O CAES系统⑹以存储压缩空气的形式进行电力储能：在储能工况下，系统消耗电能带动压缩机，将空气压缩至储气室中；在释能工况下，储气室内的高压空气经升温后驱动膨胀机发电。传统CAES系统⑺通过燃烧化石燃料来提高透平初温，对化石燃料具有极强的依赖性⑻，而且在燃烧过程中会产生大气污染物。另外，空气压缩热的排放也严重制约着储能效率⑼。新型无补燃压缩空气储能系统［⑹（如先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）系统［⑴）利用绝热压缩过程产生的压缩热加热透平入口的空气，摆脱了对化石燃料的依赖。但进入透平的空气温度偏低，影响了系统的输出功、能量效率和储能密度。
为了解决该问题，结合钢铁企业余热资源丰富的特点，提出余热强化的压缩空气储能（WH -CAES）系统。该系统利用钢铁企业余热提高透平进口的空气温度，可以有效解决CAES系统消耗化石燃料以及AA-CAES系统透平初温低的问题，达到节能减排的目的。
1系统方案
WH-CAES系统主要由五类部件组成，分别是压缩机、压缩热换热器、储气室、余热换热器和膨胀机，其工作流程如图1所示。在储能阶段，空气进入压缩机绝热压缩，温度和压力迅速上升。随后高温高压的空气进入压缩热换热器释放热量。经两级压缩和两次换热后的低温空气存储在储气室中。在释能阶段，从储气室出来的高压空气进入压缩热换热器1，吸收热量，温度升高。被加热后的高压空气进入膨胀机1，带动发电机转动从而产生电能。从膨胀机1出来的空气进入压缩热换热器2，再进入余热换热器，与高温烟气进行热量交换。然后进入膨胀机2进行做功。最后，膨胀后的空气从膨胀机2中排出。
图1WH-CAES系统流程示意图
2数学模型
为了简化计算，提出如下假设：①整个系统处于稳态；②忽略空气在流经压缩热换热器、余热换热器和管道的压力损失和传热损失；③压缩机和膨胀机内的压缩和膨胀过程视为绝热过程。
（1）压缩机
在储能阶段，压缩机出口空气压力和温度分别为：
，c,out-心,4*%
式中叽，迪为各级压缩机进口空气压九Pa；0c为各级压缩机的压比；匚，込为各级压缩机进口空气温度,K；K为空气的绝热指数;7为各级压缩机压缩过程多变效率。
单位质量的空气流过各级压缩机时，消耗的压缩功为：
叫=九,。ut-九,in
式中/小和九何分别为各级压缩机进口和出口处的空气比焙，町/炮
。
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若各级压缩机输入功率为叽，则各级压缩机空气流量为：
叫=W c/w c
(2)压缩热换热器
储能阶段，空气在各个压缩热换热器放出的热量为：
Qst=m sl Cp(st,in1T”,out)
式中:％为储能阶段进入该压缩热换热器的空气流量，矽s；c”为空气定压比热,J/(kg•K)；r s(.n 和亿,。"分别为储能阶段流入和流出该压缩热换热器的空气温度,K。
释能阶段，空气在压缩热换热器中吸收的热量为：
Qre-m“Cp(T”,out—Tre,i”)
式中：叫。为释能阶段进入各级压缩热换热器的空气流量,kg/s；7；小和几E分别为释能阶段流入和流出压缩热换热器的空气温度,K o
(3)储气室
空气进入储气室后的热力状态变化过程可以分为：储能阶段、储释能间隔阶段和释能阶段。储气室容积恒定，假设储气室壁面温度恒定，在储能阶段，储气室内空气压力和温度随时间变化情况为：
dp_CptrimTm+_T)斤
dt_&
dT_CpPimTm+Z l4(瞌-T)-诃七
dt~~^pV&
在储释能间隔阶段，储气室内空气压力和温度随时间变化情况为：
电子科技大学分数线dp hA(Tm-T)
组词霸dt~c v V1
dT_hA(T m-T)
dt_c v pV R g T
在释能阶段，储气室内空气压力和温度随时间变化情况为:
dp_hA(Tg_T)-CpHigtT R
dt_c v V g
dT_皿(几_T)+(c”-cJnigtT R
dt c v pV8
式中:P为储气室内空气压力,Pa;7L为储气室入口空气温度,K；%”为储气室进口空气流量,kg/s；h为储气室内空气与壁面的对流换热系数,W/(m2-K)；4为储气室表面积,m2；T®为储气室壁面温度,K；c”为空气定容比热,J/(kg•K)；卩为储气室体积,mP叫皿为储气室出口空气流量,kg/
对流换热系数人可由下式［闵求得：
h=#(0.2356+0.01491m iB-zn out l0'8)
2T.
⑷余热换热器
经压缩热换热器2加热后的空气进入余热换热器，高温烟气的温度效率为：
T-T
gas,i n丄gas,o ut
&gas rrt>T1accesd
丄gas,in1air,in
式中：和纬咛"t分别为余热换热器高温烟气的进口和出口温度，心瞪“为余热换热器空气的进口温度,K。
余热换热器烟气和空气的出口温度分别为：T=T-p
gas,out gas,i n G gas
m_rrt mmagCgag
air,o ut air,in
i,in-Tair,in)
-T)
;as,i n gas,o ut丿
7n air C air
式中：叫皿为烟气的质量流量,kg/s;c gas为烟气的定压比热,J/(kg•K)；zn air为空气的质量流量, kg/s；%为空气定压比热容,J/(kg•K)o
⑸膨胀机
在释能阶段，空气在膨胀机的膨胀过程可看作压缩阶段的逆过程。膨胀机出口空气压力和温度分别为:
Pi,out~
g-1血
=T、#*x
式中：为各级膨胀机进口空气压力,PaQ为各级膨胀机的膨胀比；丁讣为各级膨胀机进口空气温度,K;%为各级膨胀机膨胀过程多变效率。
单位质量的空气流过各级膨胀机时，所做的膨胀功为：
W t=仇,i”—^i.out
式中傀m为各级膨胀机进口空气比焙，kj/kg；掘窗为各级膨胀机出口空气比熠,kJ/kg。
若各级膨胀机输出功为肌，则各级膨胀机的空气流量为：
m t=W t/w t
(6)系统评价指标
为了明确系统的性能，引入系统能量效率(7?)和储能效率(％)作为系统的评价指标
：
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r)=W/(W c+Q ltM)X100%
r)e=W/W c xlOO%
式中:『为释能阶段膨胀机产生的总功,J；兀为储能阶段压缩机消耗的总功,J；0檢为输入系统的余热热量,J。
3结果与讨论
系统原始参数如表1所示。
表1系统原始参数
参数符号单位取值储气室最大压力Pmax MPa7
储气室最小压力Pmin MPa4
催账
储气室容积V m3200000
环境温度g r20压缩机绝热效率%-0.85
膨胀机绝热效率Vt-0.80
余热烟气温度T gas,m迟500
余热烟气流量叫kg/s50
换热器效能-0.7
3.1压缩比比值对系统性能的影响
压缩比比值定义为：
r c=
式中：仇,1、仇,2分别为第一级和第二级压缩机的压缩比。
随着压缩比比值的升高，WH-CAES系统压缩机总输入功先减小后增大，如图2。WH-CAES系统压缩机总输入功在压缩比比值等于1.141时达到最小，为1123.73MWh o这是因为两级压缩机出口处的空气温度越接近，总输入功越小。压缩机1进口处的空气温度低于压缩机2进口处的空气温度，当压缩比比
值等于1.141时，压缩机1的压缩比大于压缩机2的压缩比，两级压缩机的出口处空气温度相等，此时两级压缩机的总输入功最小。
压缩比比值对AA-CAES和WH_CAES系统的透平总输出功的影响，如图3。AA-CAES 系统的透平总输出功随压缩比比值的升高稍有降低，但变化很小o当压缩比比值从1•5变化至3时，其总输出功变化不足5MWh，变化率仅为0.68%o这是因为，AA-CAES系统透平总输出功主要与流经压缩热换热器的高温空气的温度和流量有关，而与压缩机的压缩比比值的直接关系很小。而WH-CAES系统的透平输出功随压缩比比值的升高而升高，且其透平输出功明显高于AA-CAES系统的透平输出功。当压缩比比值等于1时，WH-CAES系统和AA-CAES系统的透平输出功分别为871.50和73&07MWh,WH -CAES系统的透平输出功比AA-CAES系统的高133.43MWh。这是因为在WH-CAES系统中，由于余热换热器的作用，膨胀机2的进口处空气温度升高，提高了透平总输出功，使WH-CAES系统的透平总输出功高于AA-CAES系统的透平总输出功。
1160
O
5
11
11
30
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丧
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V农村土地承包合同
S
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0.51 1.52 2.53 3.5
压缩比比值
I%
0.5
图2压缩机总输入功与压缩比比值的关系950
o
O
O
5
9
8
火车的发展史o
O
O
5
8
7
£
2
、
宦
田
鯉
粧®
1 1.5
2 2.5
3 3.5
压缩比比值
图3透平总输出功与压缩比比值的关系
WH-CAES和AA-CAES系统的系统能量效率都随压缩比比值的升高而降低，并且WH-CAES系统的系统能量效率高于AA-CAES系统的系统能量效率，如图4。当压缩比比值等于1时，WH-CAES系统和AA-CAES系统的系统能量效率分别为57.70%和4&86%,WH-CAES系统的系统能量效率比AA-CAES系统高出&84%。这是因为WH-CAES系统的透平输出功高于AA-CAES系统的透平输出功，所以WH-CAES系统的系统能量效率高于AA
-
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CAES 系统的系统能量效率。
压缩比比值对AA - CAES 和WH _ CAES 系
统的储能效率的影响，如图5。WH - CAES 系统 的储能效率随压缩比比值的升高而升高，AA- CAES 系统的储能效率随压缩比比值的升高而降
低。这与WH - CAES 和AA - CAES 系统的透平 总输出功随压缩比比值的变化趋势相同。当压缩
比比值等于1时，WH - CAES 系统和AA - CAES 系统的储能效率分别为77. 53%和 65. 66% , WH - CAES 系统的储能效率比AA - CAES 系统高出11.87%。
65
744. 39MWh o 而WH - CAES 系统在膨胀比比值
等于0.334时，透平总输出功达到最大，为
872. 52MWh o
图7和图8分别是膨胀比比值对AA -CAES
和WH - CAES 系统的系统能量效率和储能效率
的影响。可以看出，系统能量效率和储能效率随
膨胀比比值的变化规律，与透平总输出功随膨胀
比比值的变化规律相同，即先增大后减小，且在 膨胀比比值较小时变化更明显。AA -CAES 系统
9000
5 0
5
6 5 5 4
%
、褂
談*摄煤W 0.5
1
1.5 2
2.5 3
3.5
压缩比比值
600°
o
o o o
O 5 0 5 0 58 8 7 7 6
£三、否田耀
S3A S!
0.51 1.5膨胀比比值
冲车
2 2.5
图4 系统能量效率与压缩比比值的关系
85
60°
5 0
58 7 7 6
%、<«温謳0.51
1.5 2
2.5 3
3.5
压缩比比值
图6透平总输出功与膨胀比比值的关系
60
565248445 %>5
番針矗
4
1 1.5 2膨胀比比值
2.5
图5 储能效率与压缩比比值的关系
3.2膨胀比比值对系统性能的影响
膨胀比比值定义为：
T t =色,1/仅,2
式中侃」和民,2分别为第一级和第二级膨胀机的 膨胀比。
随着膨胀比比值的增大，AA -CAES 和WH
-CAES 系统两级透平的总输出功都是先增大后
减小，且当膨胀比比值较小时，总输出功的变化 更为明显，如图6。AA - CAES 系统在膨胀比比
值等于0.820时，透平总输出功达到最大，为
图7 系统能量效率与膨胀比比值的关系
80
5 0 5 0 5
7 7 6 6 51
1.5 2
2.5
膨胀比比值
图8
储能效率与膨胀比比值的关系
