定壓運(yùn)行的aa-caes系統(tǒng)熱力性能分析

定壓運(yùn)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(wèn)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(wèn)題的重要手段。目前,已有的儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、常規(guī)電池、液流電池、燃料電池、超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電容/超級(jí)電容和熱能儲(chǔ)存等。壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)技術(shù)由于具有規(guī)模大、效率高、環(huán)境適應(yīng)性好、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛重視[2~4],但傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)依賴(lài)石油、天然氣等能源,使其發(fā)展受到局限。絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(AA-CAES)利用壓縮過(guò)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(duì)化石燃料的依賴(lài)問(wèn)題,使其建設(shè)地點(diǎn)的選擇更加靈活,并且實(shí)現(xiàn)零排放,近年來(lái)得到眾多學(xué)者的關(guān)注[5~7]。根據(jù)儲(chǔ)氣室中空氣壓力是否隨蓄能和釋能過(guò)程變化,將AA-CAES分為定壓和滑壓兩種運(yùn)行方式。滑壓運(yùn)行是儲(chǔ)氣室容積不變的運(yùn)行方式,其存在問(wèn)題為:壓縮機(jī)和透平的壓比工作范圍大,偏離最佳運(yùn)行工況,導(dǎo)致其運(yùn)行效率降低;壓縮機(jī)壓比的變化導(dǎo)致儲(chǔ)熱溫度變化較大,造成較大的不可逆損失。針對(duì)該問(wèn)題,一種在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中改變壓縮機(jī)和透平連接方式的方法被提出,但增加了系統(tǒng)的運(yùn)行復(fù)雜性。另外,儲(chǔ)氣室容積(滑壓運(yùn)行)不變時(shí),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(shí)儲(chǔ)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(chǔ)能密度。定壓運(yùn)行是儲(chǔ)氣室壓力始終保持不變的運(yùn)行方式,該方式壓縮機(jī)和透平均能在額定工況下高效穩(wěn)定運(yùn)行,且儲(chǔ)氣室中高壓空氣能夠完全利用,增加了儲(chǔ)能密度。定壓運(yùn)行的AA-CAES系統(tǒng)具有高效、儲(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn),目前得到一些學(xué)者的重視,基于定壓運(yùn)行AA-CAES系統(tǒng)的研究大多針對(duì)定壓儲(chǔ)氣室的實(shí)現(xiàn)及動(dòng)力學(xué)特性[9~11],而對(duì)系統(tǒng)熱力性能的分析很少。本研究以定壓運(yùn)行的AA-CAES系統(tǒng)為研究對(duì)象,首先建立該系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的熱力學(xué)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬,揭示換熱器效能、壓縮機(jī)總壓比、壓縮機(jī)級(jí)數(shù)及各級(jí)壓比分配等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱力特性的影響,為AA-CAES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。1空氣驅(qū)動(dòng)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(jī)、蓄熱/換熱設(shè)備、儲(chǔ)氣室和透平等單元。系統(tǒng)的工作原理為:儲(chǔ)電時(shí),多級(jí)間冷壓縮機(jī)將空氣壓縮至高壓,并將高壓空氣儲(chǔ)存在恒壓儲(chǔ)氣室中,同時(shí)利用蓄熱介質(zhì)回收且儲(chǔ)存壓縮機(jī)的間冷熱;發(fā)電時(shí),利用儲(chǔ)存的間冷熱,被間冷熱加熱的高壓空氣驅(qū)動(dòng)多級(jí)透平膨脹做功發(fā)電。該系統(tǒng)中壓縮機(jī)與透平的級(jí)數(shù)相同,為3~8級(jí),總壓比為70~150,每級(jí)透平出口壓力與對(duì)應(yīng)級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力相等,即透平末級(jí)出口壓力與壓縮機(jī)第一級(jí)進(jìn)口壓力相等,透平第一級(jí)出口壓力與壓縮機(jī)末級(jí)進(jìn)口壓力相等。壓縮機(jī)的每級(jí)間冷均配有獨(dú)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(jī)間冷器、透平再熱器和散熱器。當(dāng)空氣被壓縮時(shí),冷罐中儲(chǔ)熱介質(zhì)(水或其它介質(zhì))在壓縮機(jī)間冷器中被加熱升溫,然后儲(chǔ)存在熱罐中;透平膨脹做功時(shí),熱罐中的高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)入透平再熱器加熱高壓空氣;再熱器出來(lái)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(chǔ)氣室是恒壓的,保持儲(chǔ)氣室壓力恒定可利用水壓補(bǔ)償?shù)确绞絒9~11]。為了避免高溫空氣對(duì)儲(chǔ)氣室壁的損壞,高壓空氣需經(jīng)儲(chǔ)氣室前散熱器冷卻至室溫后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中,且由于儲(chǔ)氣室內(nèi)高壓空氣與外界一般有較強(qiáng)的導(dǎo)熱,可認(rèn)為儲(chǔ)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(jī)、透平、蓄熱/換熱器等單元的熱力學(xué)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(shí),為了說(shuō)明系統(tǒng)性能變化特性,熱力系統(tǒng)模型還設(shè)計(jì)了熱損失(蓄熱換熱單元中散熱器的散熱損失與儲(chǔ)氣室前散熱器的散熱損失)模型。在建立系統(tǒng)熱力學(xué)模型和性能計(jì)算時(shí),在壓縮機(jī)側(cè),按空氣的流動(dòng)方向壓縮機(jī)和壓縮機(jī)間冷器分別定義為1到N級(jí);在透平側(cè),按空氣流動(dòng)方向透平再熱器和透平分別定義為1到N級(jí);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(jī)的多變效率隨壓比變化,多變效率可用式(1)計(jì)算:壓縮機(jī)出口溫度為:其中多變指數(shù)滿(mǎn)足:第i級(jí)壓縮機(jī)的耗功功率為:第i-1級(jí)壓縮機(jī)出口到第i級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口的高壓空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)間冷器有壓降△pi-1,cool,則:定義第i-1級(jí)壓縮機(jī)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(jì)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(jì)算:透平出口溫度:其中多變指數(shù)滿(mǎn)足:第i級(jí)透平做功功率為:根據(jù)級(jí)的對(duì)應(yīng)性,第i級(jí)的透平出口壓力等于第N+1-i級(jí)壓縮機(jī)入口壓力,即:第i-1級(jí)透平出口到第i級(jí)透平入口的高壓空氣經(jīng)過(guò)透平再熱器有壓降△pi,heat,則:定義第i級(jí)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(dāng)換熱器效能不變時(shí),對(duì)應(yīng)透平的膨脹比與壓縮機(jī)的壓比成正比關(guān)系。2.3出口溫度的計(jì)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(jì)算各換熱器的出口溫度。壓縮機(jī)側(cè)的第i級(jí)壓縮機(jī)間冷器空氣出口溫度為:因?yàn)楦骷?jí)冷水溫度均為T(mén)0,因此上式變?yōu)?壓縮機(jī)側(cè)第i級(jí)壓縮機(jī)間冷器中冷水經(jīng)加熱后溫度為:透平側(cè)的第i級(jí)透平再熱器空氣出口溫度:2.4系統(tǒng)效率壓縮機(jī)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(jī)側(cè)第i級(jí)單位時(shí)間的蓄熱量為:透平側(cè)第N+1-i級(jí)單位時(shí)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(chǔ)氣室前散熱器入口空氣溫度為:儲(chǔ)氣室前散熱器的散熱量:系統(tǒng)中總散熱損失為:3變量對(duì)系統(tǒng)效率的影響由系統(tǒng)熱力學(xué)模型可知,系統(tǒng)的效率主要由壓縮機(jī)與透平的級(jí)數(shù)N、壓縮機(jī)每級(jí)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(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同變量對(duì)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(jí)數(shù)時(shí)圖2為壓縮機(jī)各級(jí)壓比相等,且換熱器效能等于0.7、0.8和0.9時(shí),系統(tǒng)效率隨壓縮機(jī)級(jí)數(shù)和總壓比的變化規(guī)律。由圖可知,換熱器效能不同時(shí),系統(tǒng)效率隨壓縮機(jī)總壓比和級(jí)數(shù)的變化的趨勢(shì)不同。在換熱器效能等于0.7情況下,總壓比一定時(shí),系統(tǒng)效率隨級(jí)數(shù)的增加而增加,如當(dāng)總壓比為70時(shí),級(jí)數(shù)從3到8級(jí)時(shí),系統(tǒng)效率從63.1%增加到68.8%,當(dāng)總壓比為150時(shí),級(jí)數(shù)從3級(jí)到8級(jí)時(shí),系統(tǒng)效率從61.0%增加到68.3%;壓縮機(jī)級(jí)數(shù)一定時(shí),總壓比越大,效率越低;當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)越大時(shí),總壓比對(duì)系統(tǒng)效率影響越小,如當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)等于3時(shí),壓比為70系統(tǒng)效率比壓比為150的高2.1個(gè)百分點(diǎn),而當(dāng)級(jí)數(shù)等于8級(jí)時(shí),前者比后者僅高0.5個(gè)百分點(diǎn)。其原因如圖3所示,當(dāng)總壓比一定時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨級(jí)數(shù)的增加而減小,當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)一定時(shí),總散熱損失隨總壓比的增大而增大,當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)增加時(shí),總壓比對(duì)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(shí),系統(tǒng)效率隨級(jí)數(shù)先增大后減小,系統(tǒng)的最佳效率出現(xiàn)在級(jí)數(shù)為5或6時(shí),如當(dāng)總壓比為70時(shí),級(jí)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(dāng)總壓比為150時(shí),級(jí)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(dāng)級(jí)數(shù)不大于5且為定值時(shí),系統(tǒng)效率隨總壓比的增大而減小,當(dāng)級(jí)數(shù)大于5且為定值時(shí),系統(tǒng)效率隨總壓比增大而增大;當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)越偏離級(jí)數(shù)5和6時(shí),系統(tǒng)效率受總壓比的影響越明顯,如當(dāng)級(jí)數(shù)為5和6時(shí),壓比為70和150兩系統(tǒng)效率分別相差0.2和-0.1個(gè)百分點(diǎn),而在級(jí)數(shù)為3和8時(shí),這兩個(gè)系統(tǒng)效率分別相差1.1和-0.7個(gè)百分點(diǎn)。其原因如圖3所示,當(dāng)總壓比一定時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨級(jí)數(shù)的增加先減小后增加,極小值也出現(xiàn)在級(jí)數(shù)為5或6處,當(dāng)級(jí)數(shù)不大于5且為定值時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比的增大而增大,當(dāng)級(jí)數(shù)大于5且為定值時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比增大而減小,當(dāng)級(jí)數(shù)越偏離級(jí)數(shù)5和6時(shí),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(shí),系統(tǒng)效率隨級(jí)數(shù)的增加而減小,如當(dāng)總壓比為70時(shí),級(jí)數(shù)從3級(jí)到8級(jí)時(shí),系統(tǒng)效率從70.7%減小到61.0%,當(dāng)總壓比為150時(shí),級(jí)數(shù)從3級(jí)到8級(jí)時(shí),系統(tǒng)效率從71.1%減小到63.5%;級(jí)數(shù)一定時(shí),系統(tǒng)效率隨總壓比的增大而增大;級(jí)數(shù)較高時(shí),系統(tǒng)效率受總壓比的影響較大,如當(dāng)級(jí)數(shù)為3和8時(shí),壓比為70和150的兩系統(tǒng)效率相差0.4和2.5個(gè)百分點(diǎn)。其原因如圖3所示,當(dāng)總壓比一定時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨級(jí)數(shù)的的增加而增加,當(dāng)級(jí)數(shù)一定時(shí),系統(tǒng)總散熱損失隨總壓比的增大而減小,且在級(jí)數(shù)較高時(shí),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(shí)系統(tǒng)效率和總散熱損失隨總壓比、級(jí)數(shù)的變化可以看出:在效能為0.7和0.9時(shí),系統(tǒng)效率和總散熱損失隨級(jí)數(shù)的變化很大,而效能為0.8時(shí),系統(tǒng)效率和總散熱損失隨級(jí)數(shù)的變化較小,如圖3所示。且在3種效能下,相比于級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率和總散熱損失的影響,總壓比對(duì)系統(tǒng)效率和總散熱損失的影響較小。3.2不同級(jí)數(shù)時(shí),系統(tǒng)效率隨性能的變化情況必然發(fā)生圖4為壓縮機(jī)各級(jí)壓比相等時(shí)系統(tǒng)效率隨換熱器效能的變化的情況。由圖可知:當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)為3時(shí),系統(tǒng)效率隨換熱器效能增加而增加,而當(dāng)級(jí)數(shù)為8時(shí),系統(tǒng)效率隨換熱器效能增加先增加后減小。這是因?yàn)閾Q熱器效能增加時(shí)可有效回收壓縮熱,但同時(shí)也增加了換熱壓損,這對(duì)系統(tǒng)效率具有相反的影響。當(dāng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)小時(shí),隨效能增加回收的壓縮熱對(duì)系統(tǒng)效率的提升(前者)大于壓損對(duì)效率的減弱(后者);當(dāng)級(jí)數(shù)大時(shí),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(jī)總壓比和級(jí)數(shù)為常數(shù)時(shí),以效率最大為目標(biāo),對(duì)壓比分配進(jìn)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(jí)數(shù)取4、5和6,總壓比取70、110和150。與圖2對(duì)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(jī)總壓比和級(jí)數(shù)的變化趨勢(shì)相同。表2為優(yōu)化后的壓比分配情況和較等壓比時(shí)(同樣的效能、總壓比和級(jí)數(shù))系統(tǒng)效率的增加值,當(dāng)換熱器效能為0.7時(shí),首級(jí)壓比最高,中間幾級(jí)壓比區(qū)別不大,末級(jí)壓比略有提高,當(dāng)效能是0.8時(shí),首級(jí)壓比較高,其與壓比區(qū)別不大,當(dāng)效能是0.9時(shí),末級(jí)壓比較低,其余各級(jí)壓比區(qū)別不大。這是因?yàn)樾茌^低和較高兩種情況下系統(tǒng)的總熱損失趨勢(shì)不同。各級(jí)壓比優(yōu)化分配后系統(tǒng)效率較等壓比分配時(shí)的系統(tǒng)效率提高很小,如當(dāng)效能為0.7時(shí),效率提高0.1個(gè)百分點(diǎn)左右;當(dāng)效能0.8時(shí),效率提高0.02個(gè)百分點(diǎn)左右;當(dāng)效能為0.9時(shí),效率基本沒(méi)有提高,因此在一般情況下,等壓比分配時(shí)系統(tǒng)效率非常接近最優(yōu)結(jié)果,在工程應(yīng)用中可采用等壓比分配這種設(shè)計(jì)。4機(jī)壓比、級(jí)數(shù)和壓比的關(guān)聯(lián)關(guān)系為了滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的迫切需求,針對(duì)傳統(tǒng)CAES和滑壓運(yùn)行的AA-CAES系統(tǒng)存在問(wèn)題,全面地分析了定壓運(yùn)行的AA-CAES系統(tǒng)的熱力特性。(1)建立定壓運(yùn)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(jī)壓比、級(jí)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(jī)總壓比和級(jí)數(shù)影響較大,且換熱器效能取不同值時(shí),系統(tǒng)效率隨總壓比和級(jí)數(shù)變化呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。當(dāng)效能等于0.