定壓運行的aa-caes系統(tǒng)熱力性能分析

定壓運行的aa-caes系統(tǒng)熱力性能分析

aa-caes系統(tǒng)能源技術(shù)是解決能源環(huán)境問題的重要技術(shù)，如能源行業(yè)和能源行業(yè)的大規(guī)模能源連接、能源系統(tǒng)的峰和反演、分布能源系統(tǒng)所需的技術(shù)。這是解決能源環(huán)境問題的重要手段。目前,已有的儲能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、常規(guī)電池、液流電池、燃料電池、超導磁能儲能、飛輪儲能、電容/超級電容和熱能儲存等。壓縮空氣儲能(CAES)技術(shù)由于具有規(guī)模大、效率高、環(huán)境適應性好、建設(shè)周期短等優(yōu)點,受到廣泛重視[2~4],但傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術(shù)依賴石油、天然氣等能源,使其發(fā)展受到局限。絕熱壓縮空氣儲能(AA-CAES)利用壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱加熱透平入口的高壓空氣,用蓄熱/換熱裝置代替了傳統(tǒng)CAES的燃燒室,從而解決了傳統(tǒng)CAES對化石燃料的依賴問題,使其建設(shè)地點的選擇更加靈活,并且實現(xiàn)零排放,近年來得到眾多學者的關(guān)注[5~7]。根據(jù)儲氣室中空氣壓力是否隨蓄能和釋能過程變化,將AA-CAES分為定壓和滑壓兩種運行方式。滑壓運行是儲氣室容積不變的運行方式,其存在問題為:壓縮機和透平的壓比工作范圍大,偏離最佳運行工況,導致其運行效率降低;壓縮機壓比的變化導致儲熱溫度變化較大,造成較大的不可逆損失。針對該問題,一種在系統(tǒng)運行過程中改變壓縮機和透平連接方式的方法被提出,但增加了系統(tǒng)的運行復雜性。另外,儲氣室容積(滑壓運行)不變時,為了保證透平入口壓力維持在一定的范圍內(nèi),系統(tǒng)發(fā)電結(jié)束時儲氣室仍剩余一定量的氣體,不僅降低了系統(tǒng)效率,而且大幅減小了儲能密度。定壓運行是儲氣室壓力始終保持不變的運行方式,該方式壓縮機和透平均能在額定工況下高效穩(wěn)定運行,且儲氣室中高壓空氣能夠完全利用,增加了儲能密度。定壓運行的AA-CAES系統(tǒng)具有高效、儲能密度高等優(yōu)點,目前得到一些學者的重視,基于定壓運行AA-CAES系統(tǒng)的研究大多針對定壓儲氣室的實現(xiàn)及動力學特性[9~11],而對系統(tǒng)熱力性能的分析很少。本研究以定壓運行的AA-CAES系統(tǒng)為研究對象,首先建立該系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的熱力學模型,和系統(tǒng)整體性能與部件參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,然后利用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行數(shù)值模擬,揭示換熱器效能、壓縮機總壓比、壓縮機級數(shù)及各級壓比分配等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)熱力特性的影響,為AA-CAES系統(tǒng)的設(shè)計及應用提供參考。1空氣驅(qū)動透平膨脹發(fā)電系統(tǒng)圖1為AA-CAES系統(tǒng)流程示意圖,該系統(tǒng)包括壓縮機、蓄熱/換熱設(shè)備、儲氣室和透平等單元。系統(tǒng)的工作原理為:儲電時,多級間冷壓縮機將空氣壓縮至高壓,并將高壓空氣儲存在恒壓儲氣室中,同時利用蓄熱介質(zhì)回收且儲存壓縮機的間冷熱;發(fā)電時,利用儲存的間冷熱,被間冷熱加熱的高壓空氣驅(qū)動多級透平膨脹做功發(fā)電。該系統(tǒng)中壓縮機與透平的級數(shù)相同,為3~8級,總壓比為70~150,每級透平出口壓力與對應級壓縮機進口壓力相等,即透平末級出口壓力與壓縮機第一級進口壓力相等,透平第一級出口壓力與壓縮機末級進口壓力相等。壓縮機的每級間冷均配有獨立的蓄熱/換熱設(shè)備,蓄熱/換熱設(shè)備包括冷罐、熱罐、壓縮機間冷器、透平再熱器和散熱器。當空氣被壓縮時,冷罐中儲熱介質(zhì)(水或其它介質(zhì))在壓縮機間冷器中被加熱升溫,然后儲存在熱罐中;透平膨脹做功時,熱罐中的高溫儲熱介質(zhì)進入透平再熱器加熱高壓空氣;再熱器出來的蓄熱介質(zhì)仍高于環(huán)境溫度,經(jīng)散熱器冷卻至環(huán)境溫度返回至冷罐中。系統(tǒng)中的儲氣室是恒壓的,保持儲氣室壓力恒定可利用水壓補償?shù)确绞絒9~11]。為了避免高溫空氣對儲氣室壁的損壞,高壓空氣需經(jīng)儲氣室前散熱器冷卻至室溫后儲存在儲氣室中,且由于儲氣室內(nèi)高壓空氣與外界一般有較強的導熱,可認為儲氣室溫度為環(huán)境溫度。2熱損失模型的建立為了揭示系統(tǒng)熱力性能,根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成分別建立壓縮機、透平、蓄熱/換熱器等單元的熱力學模型,在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)總體效率與各單元關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時,為了說明系統(tǒng)性能變化特性,熱力系統(tǒng)模型還設(shè)計了熱損失(蓄熱換熱單元中散熱器的散熱損失與儲氣室前散熱器的散熱損失)模型。在建立系統(tǒng)熱力學模型和性能計算時,在壓縮機側(cè),按空氣的流動方向壓縮機和壓縮機間冷器分別定義為1到N級;在透平側(cè),按空氣流動方向透平再熱器和透平分別定義為1到N級;蓄熱介質(zhì)取為水。假設(shè):空氣為理想雙原子氣體,Cp為定值1kJ/(kg·K),由于研究中空氣溫度范圍大致在300-500K之間,Cp值變化不大;不考慮換熱器蓄熱介質(zhì)側(cè)壓降損失和水循環(huán)耗功;不考慮熱罐、管道等散熱損失。2.1根據(jù)總壓比的確定總壓比軸流或離心壓縮機的多變效率隨壓比變化,多變效率可用式(1)計算:壓縮機出口溫度為:其中多變指數(shù)滿足:第i級壓縮機的耗功功率為:第i-1級壓縮機出口到第i級壓縮機進口的高壓空氣經(jīng)過壓縮機間冷器有壓降△pi-1,cool,則:定義第i-1級壓縮機表征壓比為:因此總壓比為:將式(5)和式(6)代入式(7)得:2.2透平膨脹比的計算軸流或向心透平多變效率隨膨脹比變化,多變效率可用式(10)計算:透平出口溫度:其中多變指數(shù)滿足:第i級透平做功功率為:根據(jù)級的對應性,第i級的透平出口壓力等于第N+1-i級壓縮機入口壓力,即:第i-1級透平出口到第i級透平入口的高壓空氣經(jīng)過透平再熱器有壓降△pi,heat,則:定義第i級透平表征膨脹比βi*,t為:因此,總膨脹比為:將式(15)和式(16)代入式(17)得:根據(jù)表征壓比和表征膨脹比的定義和式(14)得:由式(9)、式(19)、式(20)得:即當換熱器效能不變時,對應透平的膨脹比與壓縮機的壓比成正比關(guān)系。2.3出口溫度的計算換熱器效能為:本研究取:則,換熱器效能為:根據(jù)效能的定義,可計算各換熱器的出口溫度。壓縮機側(cè)的第i級壓縮機間冷器空氣出口溫度為:因為各級冷水溫度均為T0,因此上式變?yōu)?壓縮機側(cè)第i級壓縮機間冷器中冷水經(jīng)加熱后溫度為:透平側(cè)的第i級透平再熱器空氣出口溫度:2.4系統(tǒng)效率壓縮機總耗功率和透平總出功率為:因此,系統(tǒng)效率為:2.5系統(tǒng)的熱損失及熱損失壓縮機側(cè)第i級單位時間的蓄熱量為:透平側(cè)第N+1-i級單位時間熱水釋放的熱量:蓄熱/換熱單元中散熱器的散熱損失為:儲氣室前散熱器入口空氣溫度為:儲氣室前散熱器的散熱量:系統(tǒng)中總散熱損失為:3變量對系統(tǒng)效率的影響由系統(tǒng)熱力學模型可知,系統(tǒng)的效率主要由壓縮機與透平的級數(shù)N、壓縮機每級壓比(或總壓比與壓比分配)、換熱器效能等決定。采用MATLAB軟件進行數(shù)值模擬,分析不同變量對系統(tǒng)效率的影響?；緟?shù)選取如表1所示。3.1總壓比不同級數(shù)時圖2為壓縮機各級壓比相等,且換熱器效能等于0.7、0.8和0.9時,系統(tǒng)效率隨壓縮機級數(shù)和總壓比的變化規(guī)律。由圖可知,換熱器效能不同時,系統(tǒng)效率隨壓縮機總壓比和級數(shù)的變化的趨勢不同。在換熱器效能等于0.7情況下,總壓比一定時,系統(tǒng)效率隨級數(shù)的增加而增加,如當總壓比為70時,級數(shù)從3到8級時,系統(tǒng)效率從63.1%增加到68.8%,當總壓比為150時,級數(shù)從3級到8級時,系統(tǒng)效率從61.0%增加到68.3%;壓縮機級數(shù)一定時,總壓比越大,效率越低;當壓縮機級數(shù)越大時,總壓比對系統(tǒng)效率影響越小,如當壓縮機級數(shù)等于3時,壓比為70系統(tǒng)效率比壓比為150的高2.1個百分點,而當級數(shù)等于8級時,前者比后者僅高0.5個百分點。其原因如圖3所示,當總壓比一定時,系統(tǒng)總散熱損失隨級數(shù)的增加而減小,當壓縮機級數(shù)一定時,總散熱損失隨總壓比的增大而增大,當壓縮機級數(shù)增加時,總壓比對系統(tǒng)總散熱損失的影響變小。在換熱器效能等于0.8情況下,總壓比一定時,系統(tǒng)效率隨級數(shù)先增大后減小,系統(tǒng)的最佳效率出現(xiàn)在級數(shù)為5或6時,如當總壓比為70時,級數(shù)為3、5、6、8的系統(tǒng)效率分別為68.4%、69.7%、69.5%、68.5%,當總壓比為150時,級數(shù)為3、5、6、8的系統(tǒng)效率分別為67.3%、69.5%、69.6%、69.2%;當級數(shù)不大于5且為定值時,系統(tǒng)效率隨總壓比的增大而減小,當級數(shù)大于5且為定值時,系統(tǒng)效率隨總壓比增大而增大;當壓縮機級數(shù)越偏離級數(shù)5和6時,系統(tǒng)效率受總壓比的影響越明顯,如當級數(shù)為5和6時,壓比為70和150兩系統(tǒng)效率分別相差0.2和-0.1個百分點,而在級數(shù)為3和8時,這兩個系統(tǒng)效率分別相差1.1和-0.7個百分點。其原因如圖3所示,當總壓比一定時,系統(tǒng)總散熱損失隨級數(shù)的增加先減小后增加,極小值也出現(xiàn)在級數(shù)為5或6處,當級數(shù)不大于5且為定值時,系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比的增大而增大,當級數(shù)大于5且為定值時,系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比增大而減小,當級數(shù)越偏離級數(shù)5和6時,系統(tǒng)總散熱損失受總壓比的影響越明顯。在換熱器效能等于0.9情況下,總壓比一定時,系統(tǒng)效率隨級數(shù)的增加而減小,如當總壓比為70時,級數(shù)從3級到8級時,系統(tǒng)效率從70.7%減小到61.0%,當總壓比為150時,級數(shù)從3級到8級時,系統(tǒng)效率從71.1%減小到63.5%;級數(shù)一定時,系統(tǒng)效率隨總壓比的增大而增大;級數(shù)較高時,系統(tǒng)效率受總壓比的影響較大,如當級數(shù)為3和8時,壓比為70和150的兩系統(tǒng)效率相差0.4和2.5個百分點。其原因如圖3所示,當總壓比一定時,系統(tǒng)總散熱損失隨級數(shù)的的增加而增加,當級數(shù)一定時,系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比的增大而減小,且在級數(shù)較高時,系統(tǒng)總散熱損失受總壓比的影響較大。比較效能為0.7、0.8、0.9時系統(tǒng)效率和總散熱損失隨總壓比、級數(shù)的變化可以看出:在效能為0.7和0.9時,系統(tǒng)效率和總散熱損失隨級數(shù)的變化很大,而效能為0.8時,系統(tǒng)效率和總散熱損失隨級數(shù)的變化較小,如圖3所示。且在3種效能下,相比于級數(shù)對系統(tǒng)效率和總散熱損失的影響,總壓比對系統(tǒng)效率和總散熱損失的影響較小。3.2不同級數(shù)時,系統(tǒng)效率隨性能的變化情況必然發(fā)生圖4為壓縮機各級壓比相等時系統(tǒng)效率隨換熱器效能的變化的情況。由圖可知:當壓縮機級數(shù)為3時,系統(tǒng)效率隨換熱器效能增加而增加,而當級數(shù)為8時,系統(tǒng)效率隨換熱器效能增加先增加后減小。這是因為換熱器效能增加時可有效回收壓縮熱,但同時也增加了換熱壓損,這對系統(tǒng)效率具有相反的影響。當壓縮機級數(shù)小時,隨效能增加回收的壓縮熱對系統(tǒng)效率的提升(前者)大于壓損對效率的減弱(后者);當級數(shù)大時,隨效能增加前者先大于后者,然后又小于后者。3.3系統(tǒng)總體效率圖5為換熱器效能、壓縮機總壓比和級數(shù)為常數(shù)時,以效率最大為目標,對壓比分配進行優(yōu)化。圖中共選取27組數(shù)據(jù):換熱器效能取0.7、0.8和0.9,級數(shù)取4、5和6,總壓比取70、110和150。與圖2對比可知,壓力分配優(yōu)化后和等壓比分配的系統(tǒng)效率隨壓縮機總壓比和級數(shù)的變化趨勢相同。表2為優(yōu)化后的壓比分配情況和較等壓比時(同樣的效能、總壓比和級數(shù))系統(tǒng)效率的增加值,當換熱器效能為0.7時,首級壓比最高,中間幾級壓比區(qū)別不大,末級壓比略有提高,當效能是0.8時,首級壓比較高,其與壓比區(qū)別不大,當效能是0.9時,末級壓比較低,其余各級壓比區(qū)別不大。這是因為效能較低和較高兩種情況下系統(tǒng)的總熱損失趨勢不同。各級壓比優(yōu)化分配后系統(tǒng)效率較等壓比分配時的系統(tǒng)效率提高很小,如當效能為0.7時,效率提高0.1個百分點左右;當效能0.8時,效率提高0.02個百分點左右;當效能為0.9時,效率基本沒有提高,因此在一般情況下,等壓比分配時系統(tǒng)效率非常接近最優(yōu)結(jié)果,在工程應用中可采用等壓比分配這種設(shè)計。4機壓比、級數(shù)和壓比的關(guān)聯(lián)關(guān)系為了滿足電力系統(tǒng)對儲能的迫切需求,針對傳統(tǒng)CAES和滑壓運行的AA-CAES系統(tǒng)存在問題,全面地分析了定壓運行的AA-CAES系統(tǒng)的熱力特性。(1)建立定壓運行的AA-CAES系統(tǒng)熱力特性模型,分析了系統(tǒng)效率與換熱器效能、壓縮機壓比、級數(shù)和壓比分配的關(guān)聯(lián)關(guān)系。(2)系統(tǒng)效率受壓縮機總壓比和級數(shù)影響較大,且換熱器效能取不同值時,系統(tǒng)效率隨總壓比和級數(shù)變化呈現(xiàn)出不同的趨勢。當效能等于0.