基于钢铁工业余热利用的液态空气储能系统热力学性能

王新东 ,  李俊先 ,  李博 ,  郭浩 ,  王俊杰

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1477-1486

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1477-1486 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502368
能源与动力工程

基于钢铁工业余热利用的液态空气储能系统热力学性能

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Thermodynamic Properties of Liquid Air Energy Storage System Based on Waste Heat Utilization in Steel Industry

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摘要

液态空气储能(liquid air energy storage,LAES)因其不受地理限制和储能密度高的特点,已经成为一种极具发展潜力的大规模储能技术。为了进一步提升LAES系统往返效率,提出一种耦合钢铁余热与有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)的新型LAES系统,该集成系统不仅能有效回收钢铁余热,还能显著提升LAES系统性能。通过建立集成系统的热力学模型,利用仿真计算对集成系统关键参数进行了热力性能敏感性分析和优化,开展了系统热力学分析评价。结果表明:不同有机工质随着有机透平进口温度的升高,其输入功率呈现先减小后增加的趋势,ORC效率和系统往返效率则都表现出先增大后减小的特征,且极值出现在临界温度附近。当热源温度从200 ℃升高到300 ℃时,系统输出功率从37.3 MW提升至51.9 MW。在最佳工况下,集成系统的电换电效率为118.66%,热电效率为35.62%。㶲分析表明,膨胀机、冷却器与汽化器是主要㶲损失源,需通过设备优化与温差调控进一步提升效率。研究成果可为LAES系统的效率提升和钢铁余热利用技术创新提供了重要的理论参考。

Abstract

Liquid air energy storage (LAES) has emerged as a promising large-scale energy storage technology due to its geographical independence and high energy density. To enhance the round-trip efficiency of LAES,a novel integrated system that combined steel industry waste heat recovery with an organic Rankine cycle (ORC) was proposed. This integrated system not only effectively recovered steel waste heat but also significantly enhanced LAES performance. A comprehensive thermodynamic model of the integrated system was developed,and sensitivity analysis along with optimization of key parameters affecting thermal performance was conducted through simulation calculations. The system’s performance was evaluated using thermodynamic analysis. The results demonstrate that the input power of different organic working fluids first decreases and then increases as the organic turbine inlet temperature rises,while both ORC efficiency and overall round-trip efficiency follow a similar trend,initially increasing and then decreasing with peak values occurring near the critical temperature. When the heat source temperature increases from 200 ℃ to 300 ℃,the system output power rises from 37.3 MW to 51.9 MW. Under optimal operating conditions,the system achieves a round-trip efficiency of 118.66% and a thermoelectric efficiency of 35.62%. Exergy analysis reveals that expanders,coolers,and cryogenic evaporators are the primary sources of exergy loss,necessitating further efficiency improvements through equipment optimization and temperature gradient control. These findings provide critical theoretical insights for enhancing LAES efficiency and promoting technological innovation in the utilization of steel waste heat.

Graphical abstract

关键词

液态空气储能(LAES) / 钢铁余热利用 / 有机朗肯循环(ORC) / 热力学性能分析

Key words

liquid air energy storage(LAES) / steel waste heat utilization / organic Rankine cycle(ORC) / thermodynamic performance analysis

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王新东, 李俊先, 李博, 郭浩, 王俊杰. 基于钢铁工业余热利用的液态空气储能系统热力学性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1477-1486 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502368
WANG Xin-dong, LI Jun-xian, LI Bo, GUO Hao, WANG Jun-jie. Thermodynamic Properties of Liquid Air Energy Storage System Based on Waste Heat Utilization in Steel Industry[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1477-1486 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502368

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国际能源署(International Energy Agency,IEA)2024年10月16日发布的World Energy Outlook 2024中指出,清洁能源正以创纪录的速度融入全球能源系统。2023年全球可再生能源新增装机容量超过560 GW,其中中国贡献了约60%的份额。中国太阳能光伏发电的快速发展尤为突出,其新增装机规模已远超美国当前电力需求总量,成为全球清洁能源转型的核心驱动力[1]。然而,清洁能源具有不同步、间歇性、波动性以及难以预测的特性极易给电网运行带来不稳定性,导致电力系统可靠性下降[2]。针对这一问题,储能技术凭借其能量控制、能量转移、能量后备、电压控制和黑启动等多种功能,为能源转型问题提供了有效的解决方案[3]。
相较于其他储能技术,液态空气储能(liquid air energy storage,LAES)具有储能密度大、不受地理条件限制以及环境友好等特点,是一种经济且技术可行的大规模储能技术[4]。经过了漫长的发展历程,LAES目前已逐步达到商业示范水平。LAES的概念最早由Smith[5]于1977年提出。2011年,利兹大学与Highview Power公司合作建造了世界上首座350 kW/2.5 MW·h的LAES中试工厂[6]。2018年,Highview Power公司和 Viridor 公司开始运营电网级规模的液态空气储能示范电站,发电功率 5 MW,容量为 15 MW,采用低品位的废热预热透平机组进气,提升系统效率。2019年,Highview Power公司宣布在英国北部一座退役的火力发电厂现场建设英国第一座商业化50 MW/300 MW·h的LAES发电厂,预计2026年投入运营[7]。在中国,2018年,国网全球能源研究院有限公司在江苏省同里镇启动了500 kW/500 kW·h的LAES示范项目。2023年,由中国科学院理化技术研究所与中国绿发投资集团有限公司合作建设的60 MW/600 MW·h的LAES示范项目在青海开工建设,建成后将成为全球最大的LAES商业示范项目[8]。
LAES系统在储能阶段将电能转化为液态空气进行储存,在释能阶段通过液态空气气化后膨胀输出电能[9]。独立LAES系统的往返效率通常仅为约50%。而将LAES与外部热源耦合,可提升膨胀机入口温度,从而提高其功率输出和效率。Fan等[10]提出了一种与火电厂一体化的液态空气储能系统,在最佳配置下,LAES子系统的往返效率为58.31%,抽气压力为0.855 MPa。Li等[11]提出了与核电厂耦合的LAES,利用核电厂的过热蒸汽为LAES提供热源,使集成系统在高峰时段可提供约3倍于核电厂额定功率的输出,同时LAES的效率超过70%。Zhou等[12]提出一种创新的太阳能辅助LAES系统,通过串联的油气换热器和熔融盐空气换热器来提高涡轮机入口空气温度,在设计工况下往返效率可以达到72.38%。在地热发电厂的耦合应用方面,Cetin等[13]提出在非高峰时段利用地热发电厂的电力用于空气液化,并使用地热水加热空气,随后通过空气涡轮机膨胀,发电以满足高峰时段需求。结果表明,该系统中LAES子系统的往返效率为46.7%,整体系统效率为24.4%。
上述研究虽然设计不同热能系统,但将LAES与工业余热耦合的研究还相对少,尤其是针对钢铁行业的研究。中国钢铁行业正从高速发展向高质量发展转型,然而能源利用率仍然偏低,大量中低温余热资源尚未得到有效利用[14]。余热回收利用是钢铁行业实现节能减排与降低CO2排放量的重要途径,是实现钢铁行业“双碳”目标的关键措施之一[15]。将LAES与钢铁工业余热相结合,既能实现LAES的效率提升,也有效回收利用钢铁行业的余热资源。
为此,现构建一种耦合钢铁工业余热回收的LAES集成系统。在储能时期通过有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)回收多余的压缩热发电;在释能时期,利用钢铁工业余热烟气加热膨胀机前的高压空气提升功率输出,并采用有机朗肯循环进一步回收剩余热能。该系统不仅能有效回收钢铁余热,而且能显著提升LAES系统的性能。通过对系统进行参数优化和热力学分析,为钢铁工业余热利用与LAES耦合提供新技术的范例,有助于推动其大规模应用与发展。

1 物理模型

所提出的基于钢铁余热利用的液态空气储能系统如图1所示。该系统设置了两个ORC单元来回收剩余热能:ORC1在储能时期利用空气压缩热进行发电;ORC2在释能时期利用加热空气后的低品位余热发电。

储能时期,空气经过三级压缩(AC1、AC2、AC3)至高压状态,在压缩过程中设置级间冷却器(IC1、IC2、IC3)以减少压缩功耗;高压空气被来自两级蓄冷装置的冷能逐级冷却;高压液态空气(A9)经过液体膨胀机(LT)膨胀至常压的气液两相态(A10);常压液态空气储存在液态空气储罐中(A14),常压低温气(A11)作为返流空气用于冷能回收。与传统LAES系统不同,该系统的级间冷却器回收热能无需储存,可直接用于ORC1单元发电。Wu等[16]指出,热能储存单元在LAES系统中占比达38.4%,因此采用ORC1单元不仅能够降低系统设备投资和复杂性,而且具有经济可行性。研究采用的两级蓄冷装置分别为甲醇水溶液(甲醇质量分数为80%)与丙烷,已在液态空气储能蓄冷的理论研究和工业应用中广泛应用[17-18]。

释能时期,常压液态空气(A14)通过低温泵(Cryo-Pump)加压转化为高压液态空气(A15);高压液态空气经过两级蓄冷装置回收冷能后气化为高压气态空气(A17);高压空气先经过预热(A17、A18),随后被钢铁中低温余热烟气(S1)加热,进入膨胀机(AT1、AT4)中做功发电;膨胀后的常压空气(A26)仍具有部分余热,作为预热器(HE-2)的热源。在膨胀过程中,余热烟气通过级间加热器(IH1~IH4)对空气加热,以提高电能输出。余热烟气加热高压空气后的剩余热能通过ORC2系统进行回收,实现热能的充分利用并提升系统功率输出。

2 研究方法及数学模型

为了对系统性能进行优化和评估,采用Aspen HYSYS软件进行建模计算。系统工作参数如表1[19-23]所示,模型基于以下假设对系统进行修正:①空气是纯净且干燥的状态;②系统是处于稳态下运行[24];③所有工质参数均基于Peng-Robinson方程[25];④忽略在储罐、管道和换热器中的热损失和压力损失[26];⑤蒸发器和冷凝器的夹点温差为2 ℃,其他换热器的夹点温差为10 ℃[10]。

2.1 热力学分析

根据热力学第一定律,对系统的能量特性分析。

压缩机通过电力驱动实现气体的高压压缩。各个压缩机的功率消耗计算公式为[19]

${W}_{AC}={m}_{AC}({h}_{i+1}-{h}_{i})$
${h}_{i+1}={h}_{i}+\frac{{h}_{i+1,s}-{h}_{i}}{{\eta }_{AC}}$

泵的能耗计算公式为[26]

${W}_{Pump}={m}_{Pump}({h}_{i+1}-{h}_{i})$
${h}_{i+1}={h}_{i}+\frac{{h}_{i+1,s}-{h}_{i}}{{\eta }_{Pump}}$

膨胀机输出功率的计算公式为[12]

${W}_{Tur}={m}_{Tur}({h}_{i+1}-{h}_{i})$
${h}_{i+1}={h}_{i}-{\eta }_{Tur}({h}_{i+1,s}-{h}_{i})$

式中:WAC为压缩机消耗的功率;WPump为泵消耗的功率;WTur为膨胀机输出的功率mAC、mPump和mTur分别为经过压缩机、泵和膨胀机的工质质量流量,kg/s;hi+1和hi分别为设备进出口处工质的焓,kJ/kg;ηAC、ηPump和ηTur分别为压缩机、泵和膨胀机的等熵效率;下标s为等熵过程。

在储能时期,压缩机消耗电能压缩空气;ORC1单元通过回收压缩热释放电能,同时低温透平通过膨胀输出电能以降低功率消耗。因此,整个储能时期系统输入的功率为

${W}_{in}=\sum _{i=1}^{3}{W}_{AC,i}+{W}_{ORC-Pump1}-{W}_{LT}-{W}_{OT1}$

式(7)中:Win为储能时期系统输入的电能;WAC为压缩机消耗的电能;WORC-Pump1为ORC1中泵消耗的电能;WLT和WOT1分别为液体膨胀机和ORC1透平产生的电能。

在释能时期,ORC2单元和多级膨胀机在输出电能高峰期间,系统整体的输出功率为

$\begin{array}{l}{W}_{out}=\sum _{j=1}^{4}{W}_{AT,j}+{W}_{OT2}-{W}_{ORC-Pump2}-\\ {W}_{Cryo-Pump}\end{array}$

式(8)中:Wout为释能时期系统输出的电能;WAT为膨胀机输出的电能;WORC-Pump2为ORC2中泵的电能消耗;WCryo-Pump和WOT2分别为低温泵和ORC2透平的电能输出。

整个系统的电换电效率,即往返效率为[10]

$RTE=\frac{{t}_{rls}{W}_{out}}{{t}_{str}{W}_{in}}$

式(9)中:trls和tstr分别为释能时间和储能时间,均为8 h。

对于ORC系统,系统效率是ORC净输出功率与输入能量的比值。ORC系统效率[18]定义为

${\eta }_{ORC}=\frac{{W}_{OT}-{W}_{ORC-Pump}}{m({h}_{in}-{h}_{out})}$

式(10)中:m为与有机物工质进行热量交换的流体质量流量,kg/s;hin和hout分别为与有机工质进行热交换的冷/热流体的进口焓和出口焓,kJ/kg。

本系统中,除了电能输入还有外部钢铁余热输入,为了更好地表征余热利用效果,故定义热电效率为[27]

${\eta }_{en}=\frac{{t}_{rls}{W}_{out}}{{t}_{rls}{Q}_{s}+{t}_{str}{W}_{in}}$

式(11)中:Qs为钢铁余热向系统输入的热能,kW。

2.2 㶲分析

㶲是表征系统能量利用率的重要物理量,描述了系统在任何可变过程中实现最大有用功的能力。根据热力学第二定律,系统㶲表达式为[21]

${E}_{x}=m[({h}_{i}-{h}_{0})-T({s}_{i}-{s}_{0})]$

式(12)中:Ex、h、T和s分别为㶲、焓值、温度和熵;下标0表示在环境温度(0.1 MPa,25 ℃)下的参数。

系统㶲损失主要发生在压缩机、透平膨胀机、泵和换热器中,各部件㶲损失的计算公式为[28]

${E}_{x,AC}={m}_{AC}({E}_{x,in}-{E}_{x,out})+{W}_{AC}$
${E}_{x,Pump}={m}_{Pump}({E}_{x,in}-{E}_{x,out})+{W}_{Pump}$
${E}_{x,Tur}={m}_{Tur}({E}_{x,in}-{E}_{x,out})-{W}_{Tur}$
${E}_{x,HE}=\sum _{i=1}^{N}({E}_{x,in,i}-{E}_{x,out,i})$

式中:${E}_{x,AC}、{E}_{x,Pump}、{E}_{x,Tur}、{E}_{x,HE}$分别为压缩机、泵、膨胀机以及换热器㶲损失;Ex,in为流入设备的㶲;Ex,out为流出设备的㶲。

3 结果与讨论

通过对ORC单元工质和钢铁余热温度进行敏感性分析,确定了系统的最佳运行工况。

3.1 ORC单元参数敏感性分析

ORC单元能够有效利用中低温热源,实现热能的有效回收,达到能量梯级利用。本系统引入两个ORC单元:ORC1单元利用压缩热,ORC2单元利用剩余钢铁余热。由于两个单元利用的热能温度不同,因此采用的有机工质也有所差异。本节将重点讨论ORC1单元,而与钢铁热源温度相关的ORC2单元将在下一节进行详细分析。

亚临界ORC循环更有利于系统的实现。在ORC单元中,有机工质的选择会显著影响系统性能。因此,在选择工质时不仅要考虑其热力性能,还需要兼顾工质的安全性、化学稳定性和环保[29]。选用R245fa、R600、R236ea和R600a共4种常用的有机工质作为工作流体,其物性参数如表2所示。

ORC单元的性能与其运行工况密切相关。由于处于亚临界条件下,有机透平入口的有机工质呈饱和状态,其温度和压力相互对应。有机透平进口温度的变化将直接影响其做功量,从而影响整个系统性能。如图2所示,ORC1单元中膨胀机进口温度(O4)与效率和输入功率存在显著关联。图2中四种工质均呈现出相同的变化趋势:随着膨胀机进口温度升高,输入功率先减小后增加,而ORC1效率和系统往返效率则先增大后减小,最值出现在临界温度附近。这是因为ORC1效率越高,其利用压缩热输出的电能越多,从而使储能时期系统输入电能减少,进而提高系统的往返效率。图2中数据显示,R245fa、R600、R236ea和R600a在进口温度分别为153、151和131 ℃时,其输入功率达到最小值,同时ORC1效率和系统效率最大值。因此,这些特定的进口温度即为各工质的最佳运行工况。

在系统性能影响因素中,除运行参数外,有机工质的物性特征也起着重要作用。图3对比了4种工质在最佳进口温度条件下的性能指标,包括ORC1效率、ORC1功率输出及系统往返效率。结果表明,有机工质采用R245fa时,往返效率最高为118.50%;这主要归功于在ORC1单元中具有最高的电能输出,达到8.20 MW,同时ORC1效率高达16.49%。因此,选用R245fa作为ORC1单元的工作流体可获得最优的系统性能。

3.2 钢铁余热温度敏感性分析

将钢铁工业余热引入液态空气储能系统,一方面能有效回收钢铁余热;另一方面可以提升液态空气储能系统的性能。烟气入口温度会影响高压空气在膨胀机中的电能输出,同时也会影响ORC2效率,进而影响整个系统性能。中国钢铁行业中低温余热产生占比较高,但相关利用技术较少,因此选择200~300 ℃中低温余热烟气[14]作为研究对象。

为了比较不同有机工质在临界温度下的最佳参数性能,对ORC2系统进行分析。钢铁余热温度的变化会影响ORC2的热能利用率。图4比较了采用不同钢铁余热源温度后,有机工质在ORC2单元的最大输出功率。结果表明,随着热源温度越高,系统可利用热能增加,ORC2单元输出功率越高。在热源温度为280 ℃时,不同有机工质的输出功率差异显著,而其他温度下相差较小。此外,数据分析表明,R236ea始终具有最大的功率输出,因此选用R236ea作为ORC2的有机工质可获得最优性能。

随着热源温度升高,高压空气进入膨胀机做功产生的电能也相应增加,同时ORC2的电能输出也随之提升。如图5所示,热源温度的升高,使整个系统的电能输出和往返效率呈现明显的上升趋势。具体而言,当热源温度从200 ℃升高到300 ℃时,系统输出功率从37.3 MW增加至51.9 MW,往返效率则从85.21%提升至118.66%。

热源温度越高,利用的钢铁余热热能越多,只通过往返效率无法全面反映热能的利用效率。如图6所示,ORC2效率和系统热电效率反映了钢铁余热能的利用水平。研究表明,随着热源温度的升高,系统的热电效率呈现上升趋势,在热源温度达到300 ℃时,热电效率达到了最高值35.62%。此外,热源温度的升高,也导致ORC2需要回收的热能越多。图6还显示热源温度与ORC2的效率呈正相关,表明较高的热源温度有利于余热的充分利用。

4 热力学分析

ORC1采用R245fa、ORC2采用R236ea时系统性能最佳;当热源温度为300 ℃时,系统往返效率和热电效率达到最大值。对系统进行热力学分析和评价。

4.1 能量分析

基于热力学第一定律,对优化后的系统进行分析。图7为储能和释能时期,系统中空气的状态参数。图7(a)为储能过程,空气经过三级压缩至8 MPa;压缩后的高压空气被导热油冷却至35 ℃(A3、A5、A7);高压空气经过蓄冷装置逐级冷却后变为液态空气(A9);高压液态空气被液体膨胀机膨胀至常压后,液态空气进入液态空气储罐进行储存(A14),低温气态空气作为冷源返流经过蓄冷装置(A11~A13)。图7(b)为释能过程,液态空气被泵加压到6 MPa;高压液态空气发生气化(A15~A17);高压空气先被预热(A17~A18),再被钢铁余热加热至290 ℃再进入膨胀机做功输出电能。

系统中各个设备的电能消耗或者产生情况如表3所示。在储能时期,三级空气压缩机和ORC1单元的泵会消耗53.59 MW的电能;ORC1单元回收压缩热产生了8.20 MW的电能;液态空气膨胀机回收了0.92 MW的电能。在释能时期,空气膨胀机输出了45.12 MW的电能;ORC2回收了剩余钢铁余热能,输出了7.58 MW。整个储能过程系统的电能输入为43.77 MW,释放过程系统的电能输出为53.48 MW。ORC1单元在储能时期利用压缩热减少了电能输入,ORC2单元在释能时期回收剩余钢铁余热增加了电能输出,同时还有钢铁余热补热增加空气膨胀做功,因此系统的往返效率达到118.66%。钢铁余热烟气在释能时期输入102.04 MW热能,整个系统热电效率为35.62%。

4.2 㶲分析

基于热力学第一定律的能量分析描述了系统中能量数量转化的过程,但不能够分析系统中能量质量的贬值和损耗。相比于能量分析,㶲分析则从能量质的角度来分析和评价整个系统的性能。

㶲分析能够全面评价系统的性能,并对系统优化提供更全面的指导意义。表4和图8描述了系统中各设备的㶲损失。如图8所示,膨胀机的㶲损失最高,其占整个系统31.31%;㶲损失最小的是加热器,仅为4.54%。这是因为膨胀机级数多并且流体在其中经历较大的温度和压力变化,所以膨胀机中的损失最大。同样,液态空气泵(Cryo-Pump)的㶲损失也显著高于两个ORC单元的泵。

系统中在较高温区运行的级间加热器(IH1~IH4),空气对数换热温差较小且没有发生相变,因此㶲损失最小。相比之下,在深低温区的EVA-1的㶲损失是最大的,为2 421.27 kW,占整个系统损失的10.50%。这是由于在该换热器中存在较大的温度跨度并且发生相变过程。在今后的研究中为了减少系统的㶲损失,一方面可以着重研发出具有更高效率和性能的动设备;另一方面减少系统中换热器的数量和换热温差。

5 结论

针对独立型液态空气储能系统效率不高以及钢铁余热利用技术有限的特点,提出一种基于钢铁余热利用的LAES系统。该系统在储能时期,利用有机朗肯循环回收压缩热发电,既能避免热能的储存也减少了系统电能的输入;在释能时期,将中低温钢铁余热用于补热以提升功率输出。通过建立热力学模型对系统中两个ORC单元以及钢铁余热温度进行优化分析,并对系统进行热力学评价,得到以下结论。

(1)将R245fa、R600、R236ea和R600a这4种有机工质进行分析对比后表明,ORC1单元采用R245fa、ORC2单元采用R236ea的系统组合具有最佳性能。随着有机透平进口温度的升高,不同有机工质的输入功率均呈现出先减小后增加的趋势,ORC效率和系统往返效率均呈现先增大后减小的特征,其极值出现在临界温度附近。

(2)当热源温度从200 ℃升高到300 ℃时,系统输出功率从37.3 MW增加到51.9 MW,往返效率从85.21%升高到118.66%。热源温度为300 ℃时,热电效率达到最高值35.62%,此时ORC2对热能回收更充分。

(3)与传统液态空气储能系统相比,所提出的系统在热力学性能方面显著提升。在储能阶段,ORC1单元通过回收压缩热减少了8.20 MW的电能输入。在钢铁余热输入下,系统在释能时期可以输出51.93 MW的电能。在最佳工况下,系统的往返效率达到了118.66%,热电效率为35.62%。

(4)系统中㶲损失最大的是膨胀机,占系统总㶲损失的31.31%;㶲损失最小的是加热器,仅为4.54%。为了减少系统㶲损失,未来研究可以从两方面着手:一是研发出效率和性能更高的动设备;二是降低系统中换热器的数量和换热温差。

本研究提出的系统既能有效回收钢铁余热,又能提升液态空气储能系统的性能。研究结论为钢铁厂的升级改造和液态空气储能多场景应用提供了新范例。

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基金资助

国家重点研发计划(2024YFE0208500)

中国绿发投资集团有限公司科技创新项目(202309CHDD020)

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