濕空氣透平循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)分析

王佳瑩,高毅超,曹越,戴義平

(1.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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濕空氣透平循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱力學(xué)分析

王佳瑩1,2,高毅超1,2,曹越1,2,戴義平1,2

(1.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

為提高傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)的發(fā)電功率和能量利用率,設(shè)計(jì)了一種熱電聯(lián)供型濕空氣透平循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES-HAT),其將水作為壓縮過(guò)程儲(chǔ)熱介質(zhì)、通過(guò)合理利用壓縮熱和排氣熱量、以濕空氣和水為工質(zhì)分別對(duì)外輸出電量和熱量,同時(shí)分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)燃燒室燃料質(zhì)量流量、透平功率、供電量、供熱量和系統(tǒng)效率的影響,揭示了釋能機(jī)組進(jìn)口工質(zhì)溫度隨參數(shù)變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)CAES相比,CAES-HAT具有更高的發(fā)電功率和效率,在給定系統(tǒng)條件下機(jī)組發(fā)電功率增加19.17%,達(dá)到354.75 MW,供熱功率達(dá)到66.36 MW,相同發(fā)電量下節(jié)省燃料18.17%,系統(tǒng)效率達(dá)到58.14%。釋能機(jī)組的參數(shù)對(duì)發(fā)電功率影響明顯,供電量和供熱量對(duì)水氣比變化敏感,該結(jié)果可為CAES系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。

壓縮空氣儲(chǔ)能;濕空氣;熱電聯(lián)供

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和維持電網(wǎng)穩(wěn)定具有重要意義,壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(compressed air energy storage, CAES)作為技術(shù)成熟的大規(guī)模機(jī)械儲(chǔ)能方式,具有成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1],但其發(fā)電量依賴(lài)于儲(chǔ)氣裝置容積,地理?xiàng)l件也限制了大型CAES系統(tǒng)的推廣[2]。為提高CAES系統(tǒng)發(fā)電量和適用性,Najjar等在CAES系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過(guò)增設(shè)飽和器建立了CASH系統(tǒng)并將其與原系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)CASH系統(tǒng)具有更高的發(fā)電量及發(fā)電效率[3-4]。趙攀等建立了CAES-HAT系統(tǒng),其利用壓縮熱和透平乏氣熱量加熱循環(huán)水,并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化[5]。

由于濕空氣透平(HAT)循環(huán)需水量大,經(jīng)飽和器的高溫水能量大部分輸出為低品位熱能,間接增加了系統(tǒng)用水量和燃料質(zhì)量流量,降低了供電效率。為了進(jìn)一步利用乏氣熱量,本文將水作為壓縮過(guò)程儲(chǔ)熱介質(zhì),提出了一種CAES-HAT熱電聯(lián)供系統(tǒng),其將飽和器出口的部分低溫水進(jìn)行循環(huán)再加熱,將未循環(huán)的低溫水熱量進(jìn)行回收。做功乏氣熱量采用分級(jí)利用,分別用來(lái)加熱飽和器出口工質(zhì)、部分飽和器出口低溫水和儲(chǔ)氣室出口干空氣。本文還對(duì)所提系統(tǒng)的部分關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。

1 熱電聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 CAES-HAT

CAES-HAT系統(tǒng)如圖1所示,儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程均分為兩級(jí)。此系統(tǒng)包含的3個(gè)子系統(tǒng)分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)、釋能系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 CAES-HAT熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

儲(chǔ)能系統(tǒng)基本組件為壓氣機(jī)、間冷器和儲(chǔ)氣室,其將可利用的電能或可再生能源轉(zhuǎn)換為空氣的機(jī)械能和水的熱能,級(jí)后高溫空氣與低溫儲(chǔ)水箱中水進(jìn)行熱量交換后存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣室中,低溫水吸收熱量后儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)水箱中。水循環(huán)系統(tǒng)包括低溫水箱、高溫水箱、水泵和供熱換熱器。在釋能階段,干空氣經(jīng)低溫回?zé)崞骱笈c高溫水分別從底部和上部同時(shí)進(jìn)入飽和器,在飽和器內(nèi)部逆向流動(dòng),高溫水被蒸發(fā)降溫,干空氣被加熱、加濕。飽和器出口產(chǎn)生飽和濕空氣和部分低溫水。低溫水分流,一部分經(jīng)過(guò)中溫回?zé)崞骱笈c高溫水箱中的水混合重新參與到氣水循環(huán)中,另一部分作為系統(tǒng)對(duì)外供熱熱源進(jìn)入到供熱換熱器。釋能系統(tǒng)包括高壓透平、低壓透平以及對(duì)應(yīng)燃燒室,高溫回?zé)崞鳌⒅袦鼗責(zé)崞?、低溫回?zé)崞鞣謩e用來(lái)加熱飽和濕空氣、部分低溫水和低溫壓縮空氣。

1.2 系統(tǒng)模型

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)計(jì)算模型[5-7],對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè):①干空氣組分設(shè)定為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%的N2和24%的O2;②儲(chǔ)能和釋能過(guò)程中系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài);③燃燒室絕熱且燃料燃燒充分,飽和器絕熱,出口濕空氣為飽和狀態(tài);④各換熱器冷端和熱端溫差都必須大于現(xiàn)有技術(shù)上所能達(dá)到的最小值,氣-氣換熱器最小溫差為10 ℃,氣-水換熱器最小溫差為5 ℃;⑤最低排氣溫度為354 K;⑥壓氣機(jī)和透平絕熱效率不變;⑦除間冷器、回?zé)崞骱惋柡推魍?其他壓損忽略不計(jì)。

系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)的空氣、水蒸氣等做功過(guò)程均作為實(shí)際氣體處理,并考慮其熱力性質(zhì)隨溫度和壓力的變化。

飽和器出口溫度[8]

(1)

式中:Twt(air,in)為進(jìn)入飽和器的空氣濕球溫度;ΔT至少為4 K。

透平功率

(2)

式中:Δhs為透平等熵焓降;ηtur為透平絕熱效率;mha和mc分別為濕空氣和燃燒室燃料的質(zhì)量流量。

供電量和供熱量分別為

(3)

(4)

式中:mw和Δhh分別為供熱換熱器工質(zhì)流量和焓降;t為系統(tǒng)釋能時(shí)間。

系統(tǒng)效率

(5)

(6)

(7)

式中:Wc為儲(chǔ)能過(guò)程壓縮功;Wpump為系統(tǒng)所耗泵功;Qfuel為輸入系統(tǒng)燃料熱量。

2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析

2.1 系統(tǒng)分析

采用REFPROP軟件[9]對(duì)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行物性查詢(xún),以Matlab為平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)特性進(jìn)行分析。系統(tǒng)相關(guān)部件及運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1,部分參數(shù)參照德國(guó)Huntorf CAES電站[10]選取。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

系統(tǒng)性能如表2所示,CAES-HAT系統(tǒng)效率達(dá)到58.14%,相同釋能空氣質(zhì)量流量下發(fā)電功率達(dá)到354.75 MW,與傳統(tǒng)CAES電站相比提高了19.17%,燃燒過(guò)程所需天然氣流量為9.42 kg/s,相同發(fā)電量情況下可節(jié)省燃料18.17%。

表2 CAES-HAT與傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)性能比較

2.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析

高壓透平進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖2所示。圖2a顯示,一級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量mc1升高,二級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量mc2降低。飽和濕空氣在進(jìn)入一級(jí)燃燒室之前已通過(guò)高溫回?zé)崞鬟M(jìn)行了預(yù)熱,當(dāng)高壓透平進(jìn)口溫度較低時(shí),工質(zhì)對(duì)燃燒室的熱量需求較小,一級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量較低。高壓透平的進(jìn)口工質(zhì)溫升會(huì)提高其出口溫度,工質(zhì)對(duì)二級(jí)燃燒室的熱量需求降低,使得二級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量降低,但燃燒室總?cè)剂腺|(zhì)量流量mc升高?？偣β蔖tur隨高壓透平進(jìn)口溫度升高而升高。高壓透平功率Ptur1升高,低壓透平功率Ptur2略有升高,這是由于進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)的總?cè)剂狭髁吭龃?一方面增加了低壓透平做功工質(zhì)流量,另一方面改變了工質(zhì)組分,帶來(lái)了少量焓降差異。圖2b顯示:系統(tǒng)總供電量Wt隨高壓透平進(jìn)口溫度升高而明顯升高,在恒定水氣比下,進(jìn)入到系統(tǒng)供熱換熱器的低溫水熱能保持不變,系統(tǒng)供熱量Qh保持恒定;高壓透平進(jìn)口溫度越高,系統(tǒng)能耗越高,供熱效率ηh降低,但供電效率ηt和系統(tǒng)總效率η升高。

(a)對(duì)燃燒室燃料質(zhì)量流量和發(fā)電功率的影響

(b)對(duì)系統(tǒng)供電量、供熱量和系統(tǒng)效率的影響圖2 高壓透平進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

低壓透平進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響如圖3所示。圖3a顯示,低壓透平進(jìn)口溫度升高會(huì)使二級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量升高。低壓透平進(jìn)口溫度升高帶來(lái)其出口溫度升高,乏氣在高溫回?zé)崞鲀?nèi)與飽和濕空氣換熱量增加,由此降低了飽和濕空氣對(duì)一級(jí)燃燒室的熱量需求,使一級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量降低,但總?cè)剂腺|(zhì)量流量受二級(jí)燃燒室影響更大,總?cè)剂腺|(zhì)量流量升高。低壓透平功率升高明顯,高壓透平功率略有降低,一方面是進(jìn)口工質(zhì)質(zhì)量流量降低,另一方面是工質(zhì)成分變化帶來(lái)了焓降的差異,然而總功率受低壓透平影響更大,隨低壓透平進(jìn)口溫度升高而升高。圖3b顯示,系統(tǒng)供熱量不變,供電量上升明顯。

(a)對(duì)燃燒室燃料質(zhì)量流量和發(fā)電功率的影響

(b)對(duì)系統(tǒng)供電量、供熱量和系統(tǒng)效率的影響圖3 低壓透平進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

供熱效率下降,供電效率上升,系統(tǒng)總效率受供電效率影響呈上升趨勢(shì)。另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的因素是低壓透平進(jìn)口工質(zhì)壓力,其對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖4所示。圖4a顯示,隨低壓透平進(jìn)口壓力升高,一級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量升高,二級(jí)燃燒室降低,總?cè)剂腺|(zhì)量流量在較小的變化區(qū)間內(nèi)先升高后降低。這是因?yàn)殡S著壓力升高,低壓透平出口溫度降低,經(jīng)過(guò)高溫回?zé)崞鞯娘柡蜐窨諝鉁囟冉档偷木壒?。高壓透平功率降?低壓透平功率升高,總功率先升高后降低,但變化幅度不明顯。圖4b顯示:系統(tǒng)對(duì)外供電量先升高后降低,系統(tǒng)的供熱量保持恒定;供電效率先升高后降低,供熱效率與供電效率相反;總效率受供電效率影響較大,先升高后降低,但變化不明顯。這是由于系統(tǒng)總?cè)剂腺|(zhì)量流量和系統(tǒng)發(fā)電功率隨低壓透平進(jìn)口壓力變化幅值很小的緣故。

(a)對(duì)燃燒室燃料質(zhì)量流量和發(fā)電功率的影響

(b)對(duì)系統(tǒng)供電量、供熱量和系統(tǒng)效率的影響圖4 低壓透平進(jìn)口壓力對(duì)系統(tǒng)性能影響

水氣比為進(jìn)入飽和器的高溫水與干空氣質(zhì)量流量的比值,改變水氣比指在飽和器進(jìn)口干空氣質(zhì)量流量不變的情況下,對(duì)高溫水流量做出調(diào)整來(lái)獲得不同溫度和濕度的飽和濕空氣。不同水氣比下進(jìn)入中溫回?zé)崞鞯难h(huán)水質(zhì)量流量mMHE以及飽和器出口的濕空氣含濕量d和溫度Tout變化如圖5所示。圖5顯示:隨水氣比增加,飽和器出口濕空氣含濕量和溫度均升高;水氣比小于0.6時(shí),儲(chǔ)能階段產(chǎn)生的高溫水足以參與飽和器水循環(huán),中溫回?zé)崞餮h(huán)水量為0;隨水氣比增大,經(jīng)過(guò)中溫回?zé)崞鞯难h(huán)水量增大,中溫回?zé)崞鲹Q熱量增大,這間接降低了經(jīng)高溫回?zé)崞骱蟮娘柡蜐窨諝鉁囟?從而影響系統(tǒng)性能。

圖5 水氣比對(duì)濕空氣性質(zhì)的影響

水氣比變化對(duì)系統(tǒng)性能影響如圖6所示。

(a)對(duì)系統(tǒng)燃料質(zhì)量流量和透平功率的影響

(b)對(duì)系統(tǒng)供電量、供熱量和系統(tǒng)效率的影響圖6 水氣比對(duì)系統(tǒng)性能影響

圖6a顯示,二級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量均勻增加,一級(jí)燃燒室燃料質(zhì)量流量在較小范圍內(nèi)波動(dòng)后增大,總?cè)剂腺|(zhì)量流量增大。因?yàn)樗畾獗戎苯佑绊戯柡蜐窨諝夂瑵窳亢蜏囟?飽和濕空氣經(jīng)高溫回?zé)崞骱蟮臏囟入S水氣比增大先上升后降低。濕空氣含濕量增大,對(duì)工質(zhì)溫度變化影響加強(qiáng),低壓透平出口溫度略有上升,但為了同時(shí)滿(mǎn)足中低溫回?zé)崞鞯臒崃啃枨?高溫回?zé)崞鲀?nèi)部換熱量受到限制。透平功率隨水氣比增加均增大,總功率也隨之增大,這是工質(zhì)含濕量增大,其做功能力增強(qiáng)造成的。圖6b顯示:當(dāng)水氣比小于0.6時(shí),儲(chǔ)能階段存儲(chǔ)的熱水直接參與飽和器循環(huán)和供熱過(guò)程,系統(tǒng)供熱量很大,供電量相對(duì)較低;水氣比大于0.6時(shí),濕空氣含濕量隨水氣比增大而增大,供熱階段工質(zhì)流量減小,供熱量減小,但釋能機(jī)組工質(zhì)流量增大且做功能力增強(qiáng),供電量增大;供熱效率隨水氣比增大而降低,變化趨勢(shì)與供熱量相同,供電效率先增大后降低。系統(tǒng)總效率在水氣比小于0.6時(shí)較大,這是受到此階段供熱效率的影響;當(dāng)水氣比大于0.6時(shí),系統(tǒng)總效率先上升后下降,這是受到此階段供電效率的影響。綜合考慮電站性質(zhì),均衡供電量和供熱量,合適的水氣比對(duì)于電站的經(jīng)濟(jì)性建設(shè)具有重要意義。

高壓透平進(jìn)口溫度、低壓透平進(jìn)口溫度和壓力以及水氣比對(duì)進(jìn)入釋能機(jī)組前工質(zhì)溫度Ti的影響如圖7所示。

圖7a顯示,高壓透平進(jìn)口溫度升高對(duì)Ti影響較小,因?yàn)榇藚?shù)對(duì)加熱飽和濕空氣的低壓透平工質(zhì)出口溫度、流量以及成分影響較小。圖7b顯示,Ti隨著低壓透平進(jìn)口溫度升高而升高,這是在滿(mǎn)足各回?zé)崞鲹Q熱量情況下,由低壓透平出口工質(zhì)溫度升高所致。圖7c顯示,Ti隨低壓透平進(jìn)口壓力升高而降低,這是低壓透平進(jìn)口壓力增大,其出口工質(zhì)溫度降低,在高溫回?zé)崞鲀?nèi)部提供給濕空氣的換熱量降低所致。圖7d顯示,水氣比對(duì)系統(tǒng)工質(zhì)組分影響較大,隨水氣比增大,為保證各級(jí)回?zé)崞鲹Q熱量,一級(jí)燃燒室進(jìn)口工質(zhì)溫度在水氣比為0.8時(shí)達(dá)到最大值,水氣比大于0.8時(shí)下降明顯。

(a)高壓透平進(jìn)口溫度 (b)低壓透平進(jìn)口溫度的影響的影響

(c)低壓透平進(jìn)口壓力 (d)水氣比的影響的影響圖7 不同做功條件對(duì)進(jìn)入釋能機(jī)組工質(zhì)溫度的影響

3 結(jié) 論

本文提出了一種濕空氣透平循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能熱電聯(lián)供系統(tǒng),其將水作為壓縮過(guò)程儲(chǔ)熱介質(zhì),通過(guò)合理利用壓縮熱和排氣熱量,并以濕空氣和循環(huán)水為工質(zhì)分別對(duì)外輸出電量和熱量。系統(tǒng)熱力學(xué)分析研究結(jié)果如下。

(1)CAES-HAT熱電聯(lián)供系統(tǒng)總效率為58.14%,火用效率為48.72%,供熱功率達(dá)66.36 MW,供電功率可達(dá)354.75 MW,燃燒室所需天然氣流量為9.42 kg/s。與傳統(tǒng)CAES電站相比,本文系統(tǒng)供電功率增加了19.17%,相同發(fā)電量情況下可節(jié)省燃料18.17%。

(2)釋能機(jī)組的部分參數(shù)對(duì)發(fā)電量和發(fā)電功率的影響明顯,對(duì)供熱功率沒(méi)有影響,供電量和供熱量對(duì)水氣比變化敏感。

(3)CAES-HAT系統(tǒng)在原CAES系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)循環(huán)水設(shè)備,通過(guò)分化系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置,可大大提高CAES系統(tǒng)的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,為CAES系統(tǒng)進(jìn)一步研究提供參考。

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[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

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(編輯 苗凌)

Thermodynamic Analysis for CAES-HAT System Combined Power and Heat Generation

WANG Jiaying1,2,GAO Yichao1,2,CAO Yue1,2,DAI Yiping1,2

(1. Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A combined heat and power system (CAES-HAT) based on humid air turbine cycle is proposed to improve turbine power and efficiency of the conventional CAES system, where water serves as the heat storage medium in charge process to utilize compression heat and exhaust air heat properly for generating electricity and heat with humid air and water as working media, respectively. The changing trends of combustor fuel flow rate, turbine power, electricity supply, heat supply and system efficiency are analyzed with respect to several key parameters. The trend of working medium temperature of discharge progress inlet is discussed by changing the above parameters. Compared with the conventional CAES system, the proposed CAES-HAT system produces more electricity power and operates more efficiently. The electricity power of the proposed system increases by 19.17% under the design condition and reaches 354.75 MW. The heat power reaches 66.36 MW and the system saves 18.17% of fuel with the same power generation, and its total efficiency reaches 58.14%. The parameters of discharge units affect electricity power obviously. Power and heat supply are more sensitive to liquid-to-gas ratio.

compressed air energy storage; humid air; combined heat and power

2015-12-11。 作者簡(jiǎn)介:王佳瑩(1990—),女,碩士生;戴義平(通信作者),男,教授。

時(shí)間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607005

TK02

A

0253-987X(2016)07-0026-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1522.010.html