基于aa-caes技術(shù)的熱穩(wěn)定性電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型研究

基于aa-caes技術(shù)的熱穩(wěn)定性電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型研究

0aa-caes系統(tǒng)隨著傳統(tǒng)能源的日益匱乏，以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可能源能源的重要性日益突出。而在對(duì)新能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中,其自身的不穩(wěn)定性成為能源利用的主要障礙。儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的一種有效方法。以先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(AdvancedAdiabaticCompressedAirEnergyStorage,簡(jiǎn)稱AA-CAES)系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)以壓縮空氣儲(chǔ)能(CompressedAirEnergyStorage,簡(jiǎn)稱CAES)和熱能存儲(chǔ)(ThermalEnergyStorage,簡(jiǎn)稱TES)技術(shù)為基礎(chǔ),將富余電力轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能,同時(shí)存儲(chǔ)空氣在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量;當(dāng)需要時(shí)再將熱量返還給進(jìn)入透平機(jī)的低溫高壓的空氣,利用透平做功發(fā)電。AA-CAES系統(tǒng)既避免了CAES系統(tǒng)由于使用燃料而造成的環(huán)境污染問(wèn)題,又具備大規(guī)模能量存儲(chǔ)的能力,因此受到廣泛關(guān)注。目前已有不少學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于AA-CAES系統(tǒng)的研究工作,工作重點(diǎn)主要從功輸出最大化的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和評(píng)估。但在實(shí)際情況中,除了電力需求,用戶端同樣需要冷量或熱量供應(yīng)。而當(dāng)用戶端對(duì)冷或熱的需求量較大時(shí),以電力輸出為主的AA-CAES系統(tǒng)的能量供應(yīng)并不能滿足用戶端的負(fù)荷需求,并且直接以電力進(jìn)行供暖和制冷會(huì)降低能量的品位,造成能量的浪費(fèi)?？紤]到目前針對(duì)AA-CAES系統(tǒng)應(yīng)用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域的研究較少,故本文建立了一種基于AA-CAES技術(shù)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),這對(duì)于解決用戶端冷熱電負(fù)荷的變動(dòng)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)冷熱電的供給與用戶端需求的動(dòng)態(tài)平衡,優(yōu)化AA-CAES系統(tǒng)的能量利用具有重要意義。1空氣源的調(diào)濕設(shè)置圖1所示系統(tǒng)是以AA-CAES技術(shù)為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型。當(dāng)不考慮熱用戶和冷用戶時(shí),AA-CAES系統(tǒng)僅以出功最大化為目的,后文中以AA-CAES系統(tǒng)的功輸出模型指代。如圖1中所示,AA-CAES冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型利用儲(chǔ)熱器存儲(chǔ)壓縮空氣的過(guò)程熱,以冷卻水作為熱量存儲(chǔ)介質(zhì),根據(jù)熱用戶的需要提供一定比例的熱量直接用于供熱,剩余的熱量由水返還給進(jìn)入透平機(jī)之前的壓縮空氣,實(shí)現(xiàn)空氣的升溫,同時(shí),由于膨脹之后的氣體溫度較低,可能存在制冷的能力,故可利用透平出口空氣進(jìn)行制冷。本文的主要假設(shè)條件如下:1)空氣為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程;空氣與水的比熱容為定值;2)忽略管道、儲(chǔ)氣室及換熱器中的壓力損失和部件的熱量損失,不考慮壓氣機(jī)與電動(dòng)機(jī)、透平機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的能量轉(zhuǎn)換效率與能量損失;3)以系統(tǒng)經(jīng)歷一次儲(chǔ)能過(guò)程和一次做功過(guò)程為一次循環(huán),假設(shè)每一次循環(huán)中儲(chǔ)熱器存儲(chǔ)的熱量都被完全利用。定義X為供熱率,表示熱用戶用熱量占總存儲(chǔ)熱量的比例,Y為熱返還率,表示壓縮空氣用熱量占總存儲(chǔ)熱量的比例,滿足X+Y=1。同時(shí),本文將分別從能量效率和效率的角度對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。1.1系統(tǒng)供冷確定圖1中所示系統(tǒng)的主要部件為壓氣機(jī)、換熱器1、儲(chǔ)熱器、熱用戶、儲(chǔ)氣室、換熱器2、透平機(jī)、冷用戶。下面依次推導(dǎo)各部件主要參數(shù)的表達(dá)式。根據(jù)壓氣機(jī)等熵過(guò)程的做功公式,當(dāng)空氣質(zhì)量為ma時(shí),壓氣機(jī)耗功為壓氣機(jī)出口空氣溫度為其中,πc=p2/p1為壓比,ηc為壓氣機(jī)的等熵效率,γ為比熱容比,cp為空氣的比定壓熱容,T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度,假定等于環(huán)境溫度T0。1換熱器1實(shí)現(xiàn)了空氣與水的熱量交換。根據(jù)換熱器能效ε1的定義,可以得到其中cw為水的比熱容。假設(shè)macp=mwcw,則根據(jù)能效定義,可分別得空氣和水的出口溫度T3和Tw。經(jīng)換熱器1的熱量交換,質(zhì)量為mw溫度為T(mén)w的水將熱量存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱器中:熱用戶的用熱量根據(jù)儲(chǔ)熱器中熱量分配的比例得到:儲(chǔ)氣室采用等溫模型,僅考慮儲(chǔ)氣室的進(jìn)出口氣體溫度,并假設(shè)儲(chǔ)氣室的進(jìn)氣與放氣均為等溫過(guò)程。由于儲(chǔ)氣過(guò)程中儲(chǔ)氣室溫度會(huì)與環(huán)境溫度趨于一致,故儲(chǔ)氣室的出氣溫度為儲(chǔ)熱器供給給換熱器2的熱量為YQTES,根據(jù)換熱器2的能效ε2定義,結(jié)合換熱器的假設(shè)條件,可得換熱器2處空氣的出口溫度:透平機(jī)的輸出功為:出口氣體溫度為:其中,πt為膨脹比,ηt為透平機(jī)的等熵效率。假設(shè)空氣溫度由進(jìn)口溫度T6升至出口溫度T7,出口溫度假定為環(huán)境溫度,則該過(guò)程供給給冷用戶的冷量為由于X和Y均為變量,若返還給空氣的熱量較多,經(jīng)膨脹后空氣溫度可能高于溫度T7,此時(shí)系統(tǒng)無(wú)制冷量.故需判定系統(tǒng)有冷量輸出時(shí)Y的最大值。根據(jù)T7=T0,當(dāng)透平機(jī)的出口溫度T6=T0時(shí),系統(tǒng)恰無(wú)制冷能力.假設(shè)透平機(jī)出口溫度T6,max=T0,根據(jù)膨脹比πt,可得允許的最高溫度T5,max為:根據(jù)熱量守恒,在換熱器2處有當(dāng)Ymax確定,便可確定系統(tǒng)的供冷情況。由于系統(tǒng)的能量消耗僅為壓氣機(jī)的耗功,故將壓氣機(jī)部分的耗功作為衡量標(biāo)準(zhǔn),定義功效率、熱效率和冷效率如下:三者之和定義為能量利用系數(shù):1.2儲(chǔ)熱器存儲(chǔ)的由水一帶走氣該部分涉及到的主要部件與1.1節(jié)相同.進(jìn)入壓氣機(jī)的為輸入功,離開(kāi)壓氣機(jī)的由空氣帶走。則進(jìn)入的為:離開(kāi)的為:壓氣機(jī)部分的損失為:進(jìn)入換熱器1的由空氣提供,離開(kāi)的由水帶走,則進(jìn)入換熱器1的為:則換熱器1中的損失為:儲(chǔ)熱器存儲(chǔ)的由水帶入:由于儲(chǔ)熱器中熱量分配與水的質(zhì)量有關(guān),故的分配也與水的質(zhì)量有關(guān)。以環(huán)境溫度作為衡量指標(biāo),熱用戶得到的為:對(duì)于儲(chǔ)氣室,僅需要考慮其進(jìn)氣溫度與出氣溫度,且壓力不變,故損失為:進(jìn)入換熱器2的由熱水提供,離開(kāi)的由空氣帶走。故進(jìn)入換熱器2的為:則換熱器2的損失為:進(jìn)入透平機(jī)的由空氣帶入:離開(kāi)的即輸出功:則透平的損失為:以環(huán)境溫度作為衡量標(biāo)準(zhǔn),則冷量為:從的角度定義系統(tǒng)的功、熱和冷效率如下:三者之和定義為總效率:2系統(tǒng)的制冷能力根據(jù)公式推導(dǎo)結(jié)果,給定具體參數(shù)值,如表1所示。根據(jù)表1中的參數(shù),首先確定X和Y的變化范圍。根據(jù)式(11)和式(12),可以得到Y(jié)max=1.196,對(duì)應(yīng)的Xmin=-0.196。即當(dāng)儲(chǔ)熱器返還給空氣的熱量為存儲(chǔ)熱量的1.196倍時(shí),才會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)制冷量的情況,再結(jié)合0≤Y≤1,故系統(tǒng)始終有制冷能力。同理可知,X的變化范圍滿足0≤X≤1。2.1功采暖系統(tǒng)的能量效率趨勢(shì)在上述限制條件下,根據(jù)能量效率相關(guān)的參數(shù)公式,得到圖2和圖3。由圖2可知,隨著熱用戶用熱量的增加,透平輸出功由于進(jìn)氣溫度降低而減少,同時(shí)由于透平出氣溫度下降,系統(tǒng)制冷量增加。根據(jù)圖3,功冷熱的效率變化曲線與數(shù)值變化曲線一致,能量利用系數(shù)單調(diào)增加,即從輸出能量的總量上考慮,X=1時(shí),功冷熱的能量輸出之和最大。需要說(shuō)明的是,由于在評(píng)價(jià)能量效率時(shí)僅從量的角度去衡量,沒(méi)有考慮功冷熱品位的不等價(jià)性,故能量利用系數(shù)存在大于1的情況。當(dāng)從的角度分析時(shí),根據(jù)效率的參數(shù)表達(dá)式,可以得到參數(shù)的變化趨勢(shì)如圖4和圖5所示。由圖7可知,由于功與等價(jià),功對(duì)應(yīng)的值與圖2中相同,同理效率變化也相同;隨著熱用戶用熱量的增加,系統(tǒng)冷量增加,且X較小時(shí),冷量的增量較小,而當(dāng)X較大時(shí),冷量的增量較大。根據(jù)圖5,功冷熱的效率趨勢(shì)與能量效率變化趨勢(shì)相同,總效率則先降低后增加,最大值為77.7%,出現(xiàn)在X=1時(shí),最小值約為72.2%,出現(xiàn)在X≈0.2處。最大值與最小值相差約5.5%,這說(shuō)明在X<0.2時(shí),隨著X增加,功效率減小量多于熱和冷兩者效率增加量之和,而隨著X的繼續(xù)增加,冷量出現(xiàn)了明顯的增加,總效率升高?？偟膩?lái)看,當(dāng)從角度分析系統(tǒng)的能量變化時(shí),系統(tǒng)的功輸出為能量輸出的主體,熱與冷所占比例較小,且比功低一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)比能量利用系數(shù)與總效率的變化趨勢(shì),可以發(fā)現(xiàn)兩者的變化規(guī)律存在不同,這也是因?yàn)閮烧邔?duì)能量分析的角度有差異。能量利用系數(shù)隨X的增加而單調(diào)增加,故X越大,系統(tǒng)輸出的能量總量越多,同時(shí),系統(tǒng)在進(jìn)行冷熱電聯(lián)供時(shí),應(yīng)避開(kāi)總效率最低的狀態(tài)以減小損失。當(dāng)X=1時(shí),能量利用系數(shù)最大,此時(shí)系統(tǒng)的效率也最大。2.2系統(tǒng)能量輸出總量如前所述,系統(tǒng)的功輸出模型僅從出功最大化的角度評(píng)價(jià)系統(tǒng)效率,不考慮儲(chǔ)熱器中熱量利用和透平出口氣體的狀態(tài),故功輸出模型對(duì)應(yīng)于X=0的狀態(tài)點(diǎn),且系統(tǒng)的功效率與能量利用系數(shù)、效率相同。而系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型則綜合考慮功冷熱的輸出情況,且隨X的變化,系統(tǒng)的輸出特性不同。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于系統(tǒng)的功輸出模型,由于功與等價(jià),其能量利用系數(shù)與效率相等,均為72.4%,而對(duì)于冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型,當(dāng)X=0時(shí),由于系統(tǒng)有一定的冷量輸出,系統(tǒng)的能量利用系數(shù)升高,為80.8%,而由于冷效率較小,僅為0.2%,故系統(tǒng)的總效率為72.6%。當(dāng)對(duì)比效率的最值可以發(fā)現(xiàn),對(duì)冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型,當(dāng)不考慮能量品位差異時(shí),能量利用系數(shù)由80.8%升至182.3%,能量輸出的總量均大于功輸出模型,最低為1.1倍,最高為2.5倍;而從效率角度考慮時(shí),功輸出模型的效率值比冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型的最小效率高0.2%,比最大效率低5.3%,而在X=0時(shí),冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型的效率略高于功輸出模型。因此,從能量輸出總量的角度看,AA-CAES系統(tǒng)冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型的能量輸出總量始終大于功輸出模型;而從角度考慮時(shí),功輸出模型的輸出略小于同條件下的冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型,且其效率處于冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型效率的最大值與最小值之間。2.3其他部件損失系統(tǒng)損失集中在壓氣機(jī)、透平機(jī)、儲(chǔ)氣室、換熱器1和換熱器2五個(gè)部件,根據(jù)參數(shù)公式可得五部件的損失隨X的變化趨勢(shì),如圖6所示。由圖6可以看出,除換熱器2之外,其余部件的損失都與X的變化無(wú)關(guān)。換熱器2處的損失隨著熱用戶用熱量的增加先增大,再減小;其余部件的損失為定值。這是因?yàn)閷?duì)于透平機(jī),其損失僅與膨脹比有關(guān),與進(jìn)口空氣的溫度無(wú)關(guān),故其損失不受X變化的影響;對(duì)于換熱器1和壓氣機(jī),參數(shù)均與X無(wú)關(guān),故損失不變;儲(chǔ)氣室的損失與儲(chǔ)氣室進(jìn)出口氣體溫度有關(guān),當(dāng)換熱器1能效較高時(shí),溫差較小,故損失值較小,且與X無(wú)關(guān)。換熱器2的損失則與輸入和輸出的變化有關(guān)。對(duì)照?qǐng)D6,分別取X=0、0.2、0.6和1,得到各部件的損失占總損失的比例情況,如表3所示。壓氣機(jī)、透平機(jī)及換熱器1的損失之和約占系統(tǒng)總損失的80%,且透平機(jī)的損失最大,最高可達(dá)40%;儲(chǔ)氣室由于進(jìn)出口溫差的原因存在損失,但所占比例較小;換熱器2的損失波動(dòng)性較大。綜上所述,從損失的角度考慮系統(tǒng),當(dāng)X=1時(shí),五部件的損失之和最小,此時(shí)系統(tǒng)的總效率最大;當(dāng)X≈0.2時(shí),五部分的損失之和最大,此時(shí)系統(tǒng)的總效率最小。3系統(tǒng)的能量特性本文主要結(jié)論如下:1)提出了AA-CAES技術(shù)應(yīng)用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)模型,并從熱力學(xué)角度對(duì)該模型的能量輸出特性進(jìn)行了分析,得到了系統(tǒng)輸出冷熱電的變化規(guī)律;通過(guò)對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)熱器中的熱量利用進(jìn)行控制,得到了冷熱電的輸出比重與熱量利用之間的關(guān)聯(lián)性。2)分析了AA-CAES系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型與功輸出模型的能量輸出特性,并對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)于本文采用的模型,前者的能量輸出總量始終大于后者,最低約為1.1倍,最高約為2.5倍;且前者的輸出多于同條件下的后者,其最大效率比后者高5.3%。因此,在能量輸入相同的條件下,AA-CAES冷熱電聯(lián)