耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)熱力學(xué)分析

摘要

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能是一種儲(chǔ)能規(guī)模大、對(duì)環(huán)境無污染的儲(chǔ)能方式。為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)效率，本工作提出了一種耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES+CSP+ORC)。該系統(tǒng)中光熱發(fā)電儲(chǔ)熱用來解決先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮熱有限的問題，而有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的中低溫余熱發(fā)電來進(jìn)一步提升儲(chǔ)能效率。本工作首先在AspenPlus軟件上搭建了該耦合系統(tǒng)的熱力學(xué)仿真模型，隨后本工作研究并對(duì)比兩種聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，研究結(jié)果表明，導(dǎo)熱油和太陽鹽相比，使用太陽鹽為聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)的系統(tǒng)性能更好，儲(chǔ)能效率達(dá)到了115.9%，往返效率達(dá)到了68.2%，?效率達(dá)到了76.8%，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)達(dá)到了92.8%，儲(chǔ)能密度達(dá)到了5.53kWh/m3。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)低環(huán)境溫度、高空氣汽輪機(jī)入口溫度及高空氣汽輪機(jī)入口壓力有利于系統(tǒng)儲(chǔ)能性能的提高。關(guān)鍵詞

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能；聚光太陽能輔熱；有機(jī)朗肯循環(huán)；熱力學(xué)模型；?分析當(dāng)前，以太陽能和風(fēng)能為主體的可再生能源的快速發(fā)展正在推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的變革。然而，風(fēng)電和光伏發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性特點(diǎn)，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)，也制約著可再生能源的高比例并網(wǎng)。儲(chǔ)能技術(shù)將富余能量存儲(chǔ)起來并在需要的時(shí)候釋放能量，是克服上述難題的重要解決方案。目前，規(guī)?；膬?chǔ)能技術(shù)有抽水蓄能、電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)。其中，CAES以其儲(chǔ)能效率高、儲(chǔ)能規(guī)模大、無環(huán)境污染等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外工業(yè)和科研部門的廣泛關(guān)注和持續(xù)研究。目前世界上已投入商業(yè)運(yùn)行的CAES電站是德國(guó)1978年建造的290MWHuntorf電站以及美國(guó)于1991年建造的110MWMcIntosh電站。Huntorf電站未對(duì)空氣汽輪機(jī)排氣余熱進(jìn)行回收利用，也未對(duì)壓縮機(jī)的壓縮熱進(jìn)行回收利用，導(dǎo)致其實(shí)際運(yùn)行效率為42%左右。此外，Huntorf電站使用了燃燒室，不僅依賴化石能源，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成了一定影響。McIntosh電站增加了對(duì)空氣汽輪機(jī)排氣余熱進(jìn)行回收利用，相對(duì)于Huntorf電站在燃燒室中節(jié)省了約1/4的化石燃料，并將系統(tǒng)效率提升至54%。這兩個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)電站的燃燒室需要消耗化石能源，不利于能源可持續(xù)發(fā)展，并對(duì)環(huán)境有較大污染，因此研究人員進(jìn)一步提出了用壓縮熱替代燃燒室的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES)。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所自主研發(fā)的山東省泰安市肥城10MW鹽穴AA-CAES電站并網(wǎng)成功，其系統(tǒng)額定效率達(dá)到60.7%，2022年9月我國(guó)河北省張北縣的國(guó)際首套100MWAA-CAES國(guó)家示范項(xiàng)目建設(shè)安裝完成，并順利實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能密度，文賢馗等針對(duì)AA-CAES系統(tǒng)提出了一種余熱回收利用的方法，該方法增加了一個(gè)空氣汽輪機(jī)發(fā)電模塊，該空氣汽輪機(jī)入口空氣經(jīng)過余熱的加熱后做功，做功結(jié)束后排入大氣。提出了一種耦合光熱的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES+CSP)，并對(duì)比了AA-CAES與AA-CAES+CSP的系統(tǒng)性能。模擬研究表明，相比于AA-CAES，AA-CAES+CSP系統(tǒng)循環(huán)效率提高7.9%，儲(chǔ)能密度提高4.46%。針對(duì)AA-CAES+CSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種不同的能量釋放策略，并對(duì)比了三種能量釋放策略的熱力學(xué)性能，得出三種釋能策略受環(huán)境溫度和環(huán)境壓力變化的影響規(guī)律。建立了一種風(fēng)光耦合絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，它利用棄風(fēng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，光熱加熱聚光太陽能集熱器，通過一氧化鈷和四氧化三鈷的熱化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)壓縮熱，有望降低棄風(fēng)棄光。提出了一種耦合光熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES+CSP+ORC)，并對(duì)比了AA-CAES、AA-CAES+CSP與AA-CAES+CSP+ORC三種系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，研究表明，在壓縮機(jī)功耗相同的情況下，三者的儲(chǔ)能效率依次為69.3%、83.5%和89.5%；能量效率依次為69.3%、44.4%和57.3%；電能折合效率依次為69.3%、64.0%和68.7%。上述文獻(xiàn)研究表明，耦合CSP以及ORC發(fā)電的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率得到了有效的提高。但是這些系統(tǒng)中的余熱利用并不充分，系統(tǒng)仍存在可優(yōu)化的空間。對(duì)此本工作提出了一種新型的耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過選用更高儲(chǔ)熱溫度的聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)，并加入兩級(jí)預(yù)熱器和熱水器使得余熱利用更加充分。針對(duì)該新型系統(tǒng)，本工作基于AspenPlus軟件平臺(tái)搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比不同聚光太陽能儲(chǔ)熱溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，隨后研究了系統(tǒng)各部件的?損失占比，最后分析環(huán)境溫度、空氣汽輪機(jī)入口溫度和入口壓力三個(gè)參數(shù)對(duì)耦合系統(tǒng)儲(chǔ)能特性的影響規(guī)律。本工作的研究結(jié)果對(duì)耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究具有指導(dǎo)意義。1系統(tǒng)工作原理概述1.1儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理圖1為在AspenPlus軟件上搭建的所提出的耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型圖。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由空氣壓縮/存儲(chǔ)模塊、聚光太陽能儲(chǔ)熱模塊、空氣汽輪機(jī)發(fā)電模塊和ORC發(fā)電模塊四個(gè)部分組成。壓縮過程包括一個(gè)四級(jí)壓縮機(jī)組CP1～CP4、四個(gè)串聯(lián)的級(jí)間冷卻器IC1～I(xiàn)C4、一個(gè)冷水罐CWT、一個(gè)熱水罐HWT和一個(gè)儲(chǔ)氣室ASC。聚光太陽能儲(chǔ)熱模塊由太陽能集熱器STC、冷罐COT和熱罐HOT組成?？諝馄啓C(jī)發(fā)電模塊包括節(jié)流閥TV，兩級(jí)空氣汽輪機(jī)組ATB1、ATB2，兩級(jí)預(yù)熱器PH1、PH2和兩個(gè)中間加熱器IH1及IH2。ORC發(fā)電模塊包括蒸發(fā)器RE、汽輪機(jī)RTB、冷凝器RC和泵RP。最后設(shè)置了熱水器WH。圖1

耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)圖在儲(chǔ)能過程中，電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組CP1～CP4產(chǎn)生的高壓空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室ASC內(nèi)。同時(shí)，各級(jí)壓縮機(jī)的高溫出口空氣在級(jí)間冷卻器IC1～I(xiàn)C4被冷水冷卻，因而通過換熱之后壓縮熱被儲(chǔ)存在熱水罐HWT中。另外，來自冷罐COT的低溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)通過太陽能集熱器STC加熱至高溫，隨后儲(chǔ)存在熱罐HOT中。在能量釋放過程中，高壓空氣從儲(chǔ)氣室ASC排出，然后通過節(jié)流閥TV控制空氣到流量恒定的空氣汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)入口壓力。在進(jìn)入空氣汽輪機(jī)前，壓縮空氣通過排氣空氣和低溫聚光太陽能傳熱介質(zhì)進(jìn)行兩級(jí)預(yù)熱PH1和PH2，而后經(jīng)中間加熱器IH加熱，最后在空氣汽輪機(jī)ATB中做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。隨后，中溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)與來自熱水罐的熱水共同流入朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE，為ORC系統(tǒng)提供熱量。高壓液體R123在蒸發(fā)器RE中蒸發(fā)成飽和蒸汽。隨后，R123蒸汽被注入朗肯循環(huán)汽輪機(jī)RTB進(jìn)行膨脹和發(fā)電。然后，R123廢氣通過冷凝器RC中的工業(yè)環(huán)境溫度冷卻水冷凝成飽和R123液體。最后，液體R123被泵RP加壓，并流回蒸發(fā)器RE中以完成整個(gè)循環(huán)。由于排氣R123蒸汽具有相對(duì)較低的溫度，因此沒有針對(duì)該蒸汽進(jìn)行余熱回收。中溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)被利用后，低溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)流向空氣預(yù)熱器PH1中預(yù)熱空氣。最后，熱水器WH吸收來自朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE的壓縮熱余熱以及第二級(jí)預(yù)熱器PH2的中溫空氣，加熱工業(yè)環(huán)境溫度冷卻水，生產(chǎn)熱水，為廠區(qū)及周邊地區(qū)供熱，自此完成全部余熱利用。從上述系統(tǒng)介紹中可知，相比于文獻(xiàn)[7-11]中的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，本工作加入聚光太陽能輔熱，以及ORC、兩級(jí)預(yù)熱器和熱水器后，不僅充分地利用了高溫、中溫、低溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)，同時(shí)也充分利用了壓縮過程收集的壓縮熱，具體數(shù)據(jù)將在下文中繼續(xù)介紹。1.2能量分析在建立能量分析模型中，本工作采用了以下幾點(diǎn)假設(shè)：①空氣被視為理想氣體；②忽略了各熱交換器和管道的壓降；③所有操作過程均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；④儲(chǔ)氣洞室的儲(chǔ)存和釋放過程是等溫的；⑤壓縮機(jī)、渦輪機(jī)和泵的等熵效率都是恒定的。1.2.1

壓縮機(jī)—儲(chǔ)電過程在儲(chǔ)能過程中，風(fēng)電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)(CP1～CP4)壓縮空氣，各級(jí)壓縮機(jī)的等熵效率為：(1)式中，h代表各個(gè)位置點(diǎn)的焓值；in、out、s分別代表入口、出口、等熵過程。各級(jí)壓縮機(jī)出口溫度為：］(2)式中，代表各級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比。各級(jí)壓縮機(jī)功耗為：(3)式中，m代表質(zhì)量流量；t代表壓縮過程的時(shí)間；i代表壓縮機(jī)級(jí)數(shù)。1.2.2膨脹機(jī)—放電過程對(duì)于節(jié)流閥，能量平衡方程為:(4)在膨脹過程中，汽輪機(jī)(ATB1、ATB2和RTB)等熵效率為：(5)式中，TB代表汽輪機(jī)。各汽輪機(jī)的出口溫度為：(6)式中，代表汽輪機(jī)的膨脹比。各空氣汽輪機(jī)的輸出功率為：(7)1.2.3換熱器—換熱過程在儲(chǔ)存壓縮熱中，對(duì)于每個(gè)級(jí)間冷卻器(IC1～I(xiàn)C4)，統(tǒng)一的能量平衡方程為：(8)式中，W代表水。預(yù)熱器(PH1、PH2)能量平衡方程為：(9)(10)級(jí)前加熱器(IH1、IH2)統(tǒng)一的能量平衡方程為：(11)換熱器(RC和RE)能量平衡方程為：(12)(13)1.2.4太陽能集熱器—輔熱過程在太陽能集熱器中，有效吸收的太陽熱量為：(14)式中，O代表聚光太陽能傳熱介質(zhì)，包括導(dǎo)熱油、太陽鹽。1.2.5朗肯循環(huán)—高溫余熱利用過程在ORC余熱發(fā)電中，有機(jī)朗肯循環(huán)汽輪機(jī)(RTB)的輸出功率為：(15)式中，R代表有機(jī)朗肯循環(huán)介質(zhì)R123。泵的功耗：(16)1.2.6生產(chǎn)熱水—低溫余熱利用過程在熱水器中，水吸收的有效熱量為：(17)1.3?分析雖然能量分析可以描述AA-CAES系統(tǒng)中的能量流，但它不能量化不同類型的能量的質(zhì)量。因此，本工作還進(jìn)行了基于熱力學(xué)第二定律的?分析，得知每個(gè)器件的?破壞和不可逆性。一般來說，每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的?可以寫成：(18)式中，s代表各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的熵，j代表指定流股狀態(tài)，0代表環(huán)境狀態(tài)。1.3.1儲(chǔ)能過程對(duì)于壓縮機(jī)傳動(dòng)組(CP1～CP4)，?破壞方程可描述為：(19)對(duì)于每個(gè)中冷器(IC1～I(xiàn)C4)，統(tǒng)一的?破壞方程可以描述為：(20)1.3.2釋能過程對(duì)于節(jié)流閥，?破壞方程可以描述為：(21)對(duì)于每個(gè)汽輪機(jī)(ATB1、ATB2和RTB)，?破壞方程可以描述為：(22)(23)(24)1.4系統(tǒng)性能指標(biāo)能量釋放過程中的凈功率輸出可以表示為:(25)一般來說，用儲(chǔ)能效率(ESE)來衡量CAES系統(tǒng)的性能。它可以表示為能量釋放過程中的凈功率輸出與儲(chǔ)能過程中的凈功率輸入之比，即(26)由于本工作引入太陽能輔熱，為了清晰地得出儲(chǔ)電效率，本工作引入太陽能折算功和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)。(27)(28)往返效率(RTE)為能量釋放過程中輸出的總能量與儲(chǔ)能過程中輸入的總能量之比，即(29)?效率是能量釋放過程中總?輸出與能量?jī)?chǔ)存過程中總?輸入之比[15]，即(30)儲(chǔ)能密度為凈功率輸出與洞穴體積之比，即(31)2結(jié)果與討論基于上述物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行熱力學(xué)模擬，耦合系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件如表1所示。在此基礎(chǔ)上，分析聚光太陽能儲(chǔ)熱溫度對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的影響，最后探討環(huán)境溫度、空氣汽輪機(jī)入口溫度和空氣汽輪機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。表1

擬建的耦合光熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件注：1bar=0.1MPa。2.1基本設(shè)計(jì)條件的選擇本工作所提耦合系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)ORC模塊的有機(jī)循環(huán)工質(zhì)為R123，考慮到成本、技術(shù)要求以及發(fā)電廠的設(shè)備類型，聚光太陽能儲(chǔ)熱模塊采用顯熱蓄熱技術(shù)。商業(yè)化的聚光太陽能集熱器主要分為槽式和塔式集熱器，其顯熱儲(chǔ)熱采用的儲(chǔ)熱介質(zhì)主要是導(dǎo)熱油和硝酸鹽。表1所示為模擬過程中耦合光熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件。2.2模擬結(jié)果討論與分析2.2.1聚光太陽能儲(chǔ)熱溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響為了對(duì)比不同聚光太陽能儲(chǔ)熱溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本工作在保證壓縮機(jī)功耗一定的情況下，選擇了兩種不同儲(chǔ)熱溫度的介質(zhì)并分別設(shè)計(jì)了額定工況，如表2所示。表2

在同一壓縮機(jī)功耗的情況下，不同聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度的額定工況表3所示為采用Therminol66導(dǎo)熱油和太陽鹽二元硝酸鹽兩種儲(chǔ)熱介質(zhì)條件下，本工作所提耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模擬結(jié)果。表3

在設(shè)計(jì)條件下耦合光熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的模擬結(jié)果結(jié)果表明，兩種儲(chǔ)熱溫度不同的介質(zhì)所需系統(tǒng)壓縮機(jī)功耗均為9190kWh，有機(jī)朗肯循環(huán)ORC的泵功耗均為16kWh左右，每天所產(chǎn)生60℃熱水均為106.2t。但二者所需太陽能集熱模塊的熱量依次為11335kWh和12710kWh，空氣汽輪機(jī)輸出功分別為7235kWh和9885kWh，有機(jī)朗肯循環(huán)ORC輸出功分別為880kWh和780kWh。最終采用Therminol66和太陽鹽為儲(chǔ)熱介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)儲(chǔ)能效率ESE分別為88.1%和115.9%，往返效率RTE分別為61.6%和68.5%，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)ES分別為61.1%和92.8%，?效率Ex分別為68.5%和76.8%，儲(chǔ)能密度EPV分別為4.212kWh/m3和5.538kWh/m3。由此可見，在相同壓縮機(jī)功耗的情況下，儲(chǔ)熱溫度越高，系統(tǒng)性能越好。表4所示為本工作系統(tǒng)與文獻(xiàn)[11]中已有的耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)性能的模擬結(jié)果對(duì)比。從表中結(jié)果可知，當(dāng)本工作系統(tǒng)采用儲(chǔ)熱介質(zhì)上限溫度更高的太陽鹽時(shí)，計(jì)算所得的儲(chǔ)能效率高26.4%，往返效率高11.2%，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)高23.5%，?效率高7.2%?？梢?，由于引入了更高溫度上限的儲(chǔ)熱介質(zhì)，本工作系統(tǒng)性能整體優(yōu)于文獻(xiàn)系統(tǒng)。因此，再次說明了選擇以太陽鹽為太陽能集熱器儲(chǔ)熱介質(zhì)為先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行輔熱是有利于系統(tǒng)性能的。在之后的分析中，本工作搭建的系統(tǒng)將選擇太陽鹽為聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)。表4

本工作系統(tǒng)與文獻(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能模擬結(jié)果此外，通過表4可知，當(dāng)本工作系統(tǒng)采用上限儲(chǔ)熱溫度低于文獻(xiàn)系統(tǒng)的儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，本工作系統(tǒng)計(jì)算所得的儲(chǔ)能效率低1.4%，往返效率高4.3%，?效率低1.1%?？梢?，雖然采用了上限儲(chǔ)熱溫度低的儲(chǔ)熱介質(zhì)，但系統(tǒng)性能整體與文獻(xiàn)系統(tǒng)的性能接近。其原因在于本工作系統(tǒng)增加了預(yù)熱器PH，將空氣汽輪機(jī)高溫排氣以及低溫聚光太陽能儲(chǔ)熱介質(zhì)的余熱用來加熱級(jí)前加熱器入口空氣，彌補(bǔ)了級(jí)前加熱器熱源儲(chǔ)熱溫度低的缺陷，提高了空氣汽輪機(jī)入口溫度，使空氣汽輪機(jī)做功增加，從而提高了系統(tǒng)的往返效率。因此，本工作搭建的系統(tǒng)，在儲(chǔ)熱溫度低時(shí)，系統(tǒng)性能仍能保持較高水平。2.2.2?損失圖2所示為系統(tǒng)各主要器件的?損失率。由圖可見，系統(tǒng)中壓縮機(jī)CP的?損失占比最大為32%，其次是節(jié)流閥TV占比23%、空氣汽輪機(jī)ATB占比22%。其原因在于壓縮過程、膨脹過程和節(jié)流過程都是不可逆過程?？紤]到壓縮機(jī)CP等熵效率比汽輪機(jī)ATB低，因而產(chǎn)生了更多的?損失。其他的?損失來自各種換熱器，?損失率均小于5%，其中R123泵RP由于其耗功小，產(chǎn)生了最小的?損失，占比小于1%。圖2

耦合光熱發(fā)電儲(chǔ)熱-有機(jī)朗肯循環(huán)的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不同器件的?損失率2.3參數(shù)分析本小節(jié)進(jìn)一步分析所提出的AA-CAES+CSP+ORC系統(tǒng)的環(huán)境溫度、空氣汽輪機(jī)入口溫度和空氣汽輪機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。在模擬計(jì)算過程中，僅單一參數(shù)變動(dòng)，其他參數(shù)保持不變。2.3.1環(huán)境溫度環(huán)境溫度T0對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的R123工質(zhì)質(zhì)量流量mR和朗肯循環(huán)汽輪機(jī)RTB出口溫度的影響如圖3所示。當(dāng)環(huán)境溫度T0由10℃提高到35℃時(shí)，R123質(zhì)量流量由85500kg/h提高到175000kg/h，RTB出口溫度由41℃提高到59℃，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度T0升高使得各級(jí)壓縮機(jī)入口溫度升高，在壓縮機(jī)的壓縮比不變的前提下，根據(jù)公式(2)可知各級(jí)壓縮機(jī)出口溫度升高，熱水儲(chǔ)存的壓縮熱熱量升高，導(dǎo)致R123需要更大的質(zhì)量流量來消耗更多的壓縮熱量。而RTB出口溫度升高是因?yàn)槔淠鱎C的環(huán)境溫度冷凝水溫度升高，為了使RTB出口的氣態(tài)R123在更高溫度冷凝器RC中換熱冷凝，RTB的出口溫度也相應(yīng)升高。圖3

環(huán)境溫度T0對(duì)R123質(zhì)量流量mR和有機(jī)朗肯循環(huán)汽輪機(jī)RTB出口溫度的影響環(huán)境溫度T0對(duì)壓縮機(jī)耗功WCP、空氣汽輪機(jī)輸出功WATB和朗肯循環(huán)汽輪機(jī)輸出功WRTB的影響如圖4所示。隨著環(huán)境溫度T0由10℃提高到35℃，WCP由8735kWh提高到9500kWh，WRTB由659kWh先升高到807kWh后降低到789kWh，WATB保持9885kWh不變。因?yàn)榄h(huán)境溫度T0升高導(dǎo)致各級(jí)壓縮機(jī)的出入口溫度均升高，焓差升高，由公式(3)可知WCP升高。而環(huán)境溫度T0的升高對(duì)WATB的相關(guān)參數(shù)沒有影響，所以WATB保持不變。根據(jù)圖3可知，隨著環(huán)境溫度T0的提高，R123質(zhì)量流量和RTB出口溫度升高，但RTB入口溫度不變。根據(jù)公式(15)，RTB出口溫度升高導(dǎo)致hout提高，使得WRTB降低；另外R123質(zhì)量流量mR升高則導(dǎo)致WRTB升高。在二者的共同作用下，WRTB呈現(xiàn)出隨環(huán)境溫度T0先升高后降低的趨勢(shì)。圖4

環(huán)境溫度T0對(duì)壓縮機(jī)耗功WCP、空氣汽輪機(jī)輸出功WATB和R123汽輪機(jī)輸出功WRTB的影響環(huán)境溫度T0對(duì)儲(chǔ)能效率ESE、往返效率RTE、儲(chǔ)能密度EPV、?效率和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)的影響如圖5所示。隨著環(huán)境溫度T0由10℃升高到35℃，ESE由120.58%下降至112.16%，RTE由76.4%下降至60.67%，?效率由78.41%下降至75.28%，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)由95.37%下降至88.98%，而EPV由5.477kWh/m3先升高至5.551kWh/m3后降低至5.541kWh/m3。根據(jù)圖4可知，隨著環(huán)境溫度T0的升高，WCP升高，WATB不變，WRTB先升高后降低。由于WRTB的降幅遠(yuǎn)小于WCP的增幅，同時(shí)QSTC和QWH保持不變，根據(jù)公式(25)和公式(31)，Wnet和EPV均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。而由公式(26)、公式(28)～(30)可得，ESE、RTE、?效率和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)均隨環(huán)境溫度升高而降低。圖5

環(huán)境溫度T0對(duì)ESE、RTE、EPV、?效率和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)的影響2.3.2空氣汽輪機(jī)入口溫度空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)R123質(zhì)量流量mR、熔融鹽溫度、朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE熔融鹽入口溫度的影響如圖6所示。隨著汽輪機(jī)入口溫度由490℃上升至550℃，R123質(zhì)量流量mR由103450kg/h上升至135000kg/h，熔融鹽溫度TSTC由500℃上升至560℃，有機(jī)朗肯循環(huán)蒸發(fā)器熔融鹽入口溫度由271℃上升至313℃。在空氣質(zhì)量流量不變的情況下，空氣汽輪機(jī)入口溫度升高，使得IH1和IH2熱流股入口溫度即熔融鹽溫度TSTC升高。在空氣汽輪機(jī)膨脹比不變的情況下，空氣汽輪機(jī)入口溫度升高，出口溫度相應(yīng)升高，使得IH1和IH2的熱流股出口溫度升高，因此朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE熔融鹽入口溫度升高，同時(shí)需要更大的R123質(zhì)量流量mR來吸收增加的熱量。圖6

空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)R123質(zhì)量流量、熔融鹽溫度、朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE熔融鹽入口溫度的影響空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)壓縮機(jī)耗功WCP、空氣汽輪機(jī)輸出功WATB和朗肯循環(huán)汽輪機(jī)輸出功WRTB的影響如圖7所示。隨著汽輪機(jī)入口溫度由490℃上升至550℃，WCP保持9190kWh不變，WATB由9140kWh上升至9885kWh，WRTB由596kWh上升至777kWh。因?yàn)榭諝馄啓C(jī)入口溫度升高不影響WCP的相關(guān)參數(shù)，所以WCP保持不變。因?yàn)楦骷?jí)空氣汽輪機(jī)出入口溫度均升高，出入口焓差增大，導(dǎo)致WATB升高。因?yàn)镽123質(zhì)量流量mR升高，RTB膨脹比不變，所以WRTB升高。圖7

空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)汽輪機(jī)耗功WCP、空氣汽輪機(jī)輸出功WATB和朗肯循環(huán)汽輪機(jī)輸出功WRTB的影響空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)ESE、RTE、?效率和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)的影響如圖8所示。隨著汽輪機(jī)入口溫度由490℃上升至550℃，ESE由105.8%上升至115.8%，RTE由72.5%下降至68.5%，?效率保持77.5%不變，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)由87.2%升高至92.7%。根據(jù)圖7可知，WCP不變，WATB和WRTB均升高，導(dǎo)致Wnet和熔融鹽溫度升高，因此QSTC和QWH升高。根據(jù)公式(26)和公式(29)，ESE和RTE升高。根據(jù)公式(28)，儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)隨空氣汽輪機(jī)入口溫度的升高而降低。圖8

空氣汽輪機(jī)入口溫度對(duì)ESE、RTE、?效率和儲(chǔ)電折合轉(zhuǎn)化系數(shù)的影響2.3.3空氣汽輪機(jī)入口壓力空氣汽輪機(jī)入口壓力對(duì)R123質(zhì)量流量和朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE熔融鹽入口溫度的影響如圖9所示。隨著空氣汽輪機(jī)入口壓力由25bar上升至35bar，R123質(zhì)量流量mR由142500kg/h降低至128850kg/h，朗肯循環(huán)蒸發(fā)器熔融鹽入口溫度由265℃下降至245℃。由于第一級(jí)汽輪機(jī)ATB1的入口壓力升高，而入口溫度和出口壓力不變，所以出口溫度降低，導(dǎo)致IH2熱流股出口溫度降低。然而，IH1不受影響，導(dǎo)致朗肯循環(huán)蒸發(fā)器熔融鹽入口溫度降低，熱量減少，從而使得R123的質(zhì)量流量mR減小。圖9

空氣汽輪機(jī)入口壓力對(duì)R123質(zhì)量流量mR和朗肯循環(huán)蒸發(fā)器RE熔融鹽入口溫度的影響空氣汽輪機(jī)入口壓力對(duì)壓縮機(jī)耗功WCP、空氣汽輪機(jī)輸出功WATB和朗肯循環(huán)汽輪機(jī)輸出功WRTB的影響如圖10所示。首先汽輪機(jī)入口壓力升高，也就是節(jié)流閥出口壓力升高，本工作在保證充電時(shí)間為5h不變，儲(chǔ)氣庫入口空氣質(zhì)量流量為3.59kg/h不變，儲(chǔ)氣庫最大壓力56bar不變的情況下進(jìn)行模擬，隨著空氣汽輪機(jī)入口壓力由25bar升高到35bar，WCP保持9190kWh不變，WATB由9461kWh升高至10228kWh，WRTB由821kWh下降到742kWh。因?yàn)閃CP的相關(guān)參數(shù)不受空氣汽輪機(jī)入口壓力的影響，所以WCP保持不變。由于儲(chǔ)氣庫入口空氣質(zhì)量流量不變，充電時(shí)間不變，因此儲(chǔ)氣庫容積VASC一定。由于空氣汽輪機(jī)入口壓力升高，使得第一級(jí)空氣汽輪機(jī)的出口溫度降低?？紤]到第一級(jí)空氣汽輪機(jī)入口溫度不變，因而出入口的焓差增大，根據(jù)公式(7)，WATB升高。由于RTB出入口焓差不變，而R123質(zhì)量流量降低，導(dǎo)致WRTB降低。由于儲(chǔ)氣庫排氣壓力升高，儲(chǔ)氣庫出口空氣質(zhì)量流量mA也隨之升高，從理論上看也會(huì)導(dǎo)致空氣汽輪機(jī)組輸出功升高，但是由于儲(chǔ)氣庫