基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)熱力學(xué)特性分析

劉 , ,俊杰,,

(1.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025； 2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

發(fā)展以分布式能源、可再生能源為代表的新型能源系統(tǒng)，是完善我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展體系、搶占能源技術(shù)革命制高點(diǎn)的國(guó)家戰(zhàn)略需求[1-2]。目前，基于燃?xì)獾姆植际侥茉礊榘l(fā)展主流方向，國(guó)內(nèi)已建和在建的天然氣分布式項(xiàng)目約50多個(gè)，裝機(jī)總?cè)萘考s600萬(wàn)kW，到2020年，天然氣分布式能源系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到5 000萬(wàn)kW[3-5]。

但是，天然氣分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量難以選擇，并且冷、熱、電負(fù)荷需求不同步，這嚴(yán)重限制了天然氣分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[5]。

為解決分布式能源系統(tǒng)熱電不平衡問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行策略等方面對(duì)天然氣分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Yang等[6]提出了一種太陽(yáng)能與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合的分布式能源系統(tǒng)，分析結(jié)果表明，引入壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)后CCHP系統(tǒng)效率可以提高1.015%。采用蓄能裝置可以有效地解決分布式能源系統(tǒng)中冷熱負(fù)荷不匹配問(wèn)題[7-9]。Fragaki等[10-11]提出通過(guò)采用蓄熱裝置可以有效地解決分布式能源系統(tǒng)中電、熱負(fù)荷需求不匹配的問(wèn)題，并可以有效地提高分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。常麗等[12]分析了基于天然氣的分布式能源系統(tǒng)中蓄冷裝置的不同裝機(jī)方案、運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，研究結(jié)果表明蓄冷裝置可以有效平衡供冷負(fù)荷，整體經(jīng)濟(jì)性較好。吳鳴等[12]提出并離網(wǎng)情況下混合儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)配置方案，分析結(jié)果表明，采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分布式電源穩(wěn)定的電力供應(yīng)和可再生能源電力平滑并入電網(wǎng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然可以較好的調(diào)節(jié)分布式能源系統(tǒng)的能量輸出特性，但是，天然氣分布式能源系統(tǒng)的熱電比相對(duì)較低，全年綜合熱電比約為1.18，在具有嚴(yán)重棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的地區(qū)，采用天然氣分布式能源可能進(jìn)一步加劇棄風(fēng)棄光現(xiàn)象[14]。并且，在熱負(fù)荷或者冷負(fù)荷較大時(shí)需要通過(guò)余熱鍋爐補(bǔ)燃天然氣來(lái)滿足用戶負(fù)荷。這使得高熱值的天然氣直接轉(zhuǎn)化為中低溫?zé)崮埽瑥哪艿摹疤菁?jí)利用”角度來(lái)說(shuō)，存在著能源的浪費(fèi)。

為解決上述問(wèn)題，專家學(xué)者對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與冷熱電聯(lián)產(chǎn)的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該復(fù)合系統(tǒng)可以有效地控制系統(tǒng)的熱電比，但是現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)外輸出功能力較低。為加強(qiáng)做功能力，需要添加內(nèi)燃機(jī)等部件，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[15-17]。

因此，本文提出了一種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)，通過(guò)壓縮過(guò)程中的儲(chǔ)氣室和排煙過(guò)程中的蓄熱器來(lái)調(diào)節(jié)分布式能源系統(tǒng)中電能和熱能的輸出情況，從而提高分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

1 基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)運(yùn)行原理為：膨脹透平對(duì)外輸出功一部分供給用戶負(fù)荷，一部分帶動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，高壓空氣通過(guò)儲(chǔ)氣室進(jìn)入燃燒室加熱升溫，然后進(jìn)入膨脹透平對(duì)外做功，壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮熱進(jìn)入蓄熱器1和2中，膨脹透平排煙余熱然后進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組產(chǎn)生冷能供給用戶，根據(jù)用戶冷、熱、電負(fù)荷情況，調(diào)整儲(chǔ)氣室對(duì)外釋放壓縮空氣的流量和蓄熱器釋放的熱量，從而控制系統(tǒng)能量對(duì)外輸出特性。

圖1 基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行方式為：在確定用戶的電負(fù)荷和熱負(fù)荷后，系統(tǒng)根據(jù)用戶電負(fù)荷的大小決定膨脹透平的進(jìn)口流量，壓縮機(jī)根據(jù)用戶熱負(fù)荷和電負(fù)荷的大小決定壓縮機(jī)入口空氣流量的大小，壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣室，高壓儲(chǔ)氣室根據(jù)外部電負(fù)荷的大小決定其釋放高壓空氣量，壓縮機(jī)根據(jù)外部電負(fù)荷和熱負(fù)荷確定壓縮空氣量，通過(guò)圧縮熱和膨脹透平排氣余熱來(lái)滿足用戶冷、熱負(fù)荷，系統(tǒng)內(nèi)多余的高壓空氣存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣室中，多余熱能存儲(chǔ)在蓄熱器1和2中，以備用戶負(fù)荷增加時(shí)使用。

2 系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

為了對(duì)基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)特性分析，本節(jié)對(duì)圖1系統(tǒng)中各個(gè)主要部件進(jìn)行建模。

(1)壓縮機(jī)模型[18]

壓縮機(jī)實(shí)際耗功為

ηcs——壓縮機(jī)絕熱效率；

k——空氣絕熱指數(shù)；

Rg——理想氣體常數(shù)/J·(kg·K)-1；

Ti——第i級(jí)壓縮機(jī)入口溫度/K；

pi+1——第i級(jí)壓縮機(jī)出口壓力/MPa；

pi——第i級(jí)壓縮機(jī)入口壓力/MPa。

壓縮機(jī)出口溫度為

式中Ti+1——第i級(jí)壓縮機(jī)出口溫度/K。

(2)膨脹機(jī)模型[18]

膨脹機(jī)對(duì)外實(shí)際做功為

ηri——膨脹機(jī)絕熱效率；

k——空氣絕熱指數(shù)；

Rg——理想氣體常數(shù)/J·(kg·K)-1；

Tt,i——第i級(jí)膨脹機(jī)入口溫度/K；

pt,i+1——第i級(jí)膨脹機(jī)出口壓力/MPa；

pti——第i級(jí)膨脹機(jī)入口壓力/MPa。

膨脹機(jī)排氣溫度為

式中Tt,i+1——膨脹機(jī)排氣溫度/K。

(3)燃燒室模型[18]

燃燒室效率的定義式為

式中ηcc——燃燒室熱效率；

Qe——工質(zhì)在燃燒室內(nèi)吸熱量/kJ·kg-1；

qv,g——天然氣消耗量/m3·h-1；

H1——天然氣低位熱值/kJ·m-3。

(4)蓄熱器模型

壓縮機(jī)出口溫度和膨脹機(jī)排煙溫度都較高(>426 K)，因此，蓄熱器采用熔融鹽的相變潛熱進(jìn)行蓄熱和放熱，蓄熱器效率取80%[19]。蓄熱器的運(yùn)行方式如圖2所示，蓄熱器儲(chǔ)熱過(guò)程中，壓縮機(jī)出口的高壓空氣通過(guò)管路1進(jìn)入蓄熱器，在蓄熱器中通過(guò)換熱器將圧縮熱以及膨脹機(jī)排氣余熱傳遞到蓄熱器中進(jìn)行存儲(chǔ)；蓄熱器釋熱過(guò)程中，冷水由管路3進(jìn)入蓄熱器，在換熱器中吸收蓄熱器中存儲(chǔ)的熱能升溫后由管路4輸出。

蓄熱器中的能量平衡方程為

cp,amaηthe(T1-T2)=cp,wmw(T4-T3)

(6)

式中cp,a——高溫氣體工質(zhì)的定壓比熱容/J·(kg·K)-1；

ma——高溫工質(zhì)質(zhì)量流量/kg·s-1；

ηthe——蓄熱器效率；

T1、T2——蓄熱器高溫工質(zhì)進(jìn)出口溫度/K；

cp,w——低溫工質(zhì)的定壓比熱容/J·(kg·K)-1；

mw——高溫工質(zhì)質(zhì)量流量/kg·s-1；

T3、T4——蓄熱器低溫工質(zhì)進(jìn)出口溫度/K。

圖2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)示意圖

(5)儲(chǔ)氣室模型[16]

儲(chǔ)氣室采用等溫模型，假設(shè)儲(chǔ)氣室在工作過(guò)程中為等溫過(guò)程，同時(shí)，考慮到儲(chǔ)氣室內(nèi)高壓氣體與外界環(huán)境之間的換熱，并假設(shè)儲(chǔ)氣室溫度與環(huán)境溫度會(huì)逐漸趨于一致，因此，儲(chǔ)氣室的出口溫度為環(huán)境溫度，入口溫度為蓄熱器2中高溫工質(zhì)的出口溫度。

(6)吸收式制冷機(jī)模型[20]

儲(chǔ)熱器中的高溫工質(zhì)進(jìn)入吸收式制冷機(jī)，作為制冷機(jī)的工作熱源使制冷機(jī)工作對(duì)外提供冷量。吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)定義為

式中COP——吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)；

Qc——吸收式制冷機(jī)對(duì)外輸出的冷量/kW；

Qsr——輸入吸收式制冷機(jī)的熱量/kW。

(7)換熱器模型

換熱器效能ε的定義為[21]

式中 下標(biāo)1和2——熱流和冷流；

下標(biāo)in和out——輸入換熱器的流體和輸出換熱器的流體。

2.2 系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)估系統(tǒng)性能和熱力學(xué)完善度，本文采用基于熱力學(xué)第一定律的系統(tǒng)一次能源效率和基于熱力學(xué)第二定律的系統(tǒng)效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[22]。

系統(tǒng)一次能源效率ηper定義為[22]

式中Qng——輸入系統(tǒng)的熱量/kW；

E——系統(tǒng)輸出的電能/kW；

Qc——系統(tǒng)輸出的冷能/kW；

Qh——系統(tǒng)輸出的熱能/kW。

式中Eng——輸入系統(tǒng)的熱量/kW；

E——系統(tǒng)輸出的電能/kW；

T0——環(huán)境溫度/K；

Tc,m——冷源溫度/K；

Th,m——熱源溫度/K。

3 實(shí)例分析

基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)如表1所示。通過(guò)Matlab軟件對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

通過(guò)計(jì)算可得，基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率為85.32%，系統(tǒng)效率為35.51%。該系統(tǒng)的一次能源效率較高，而效率相對(duì)較低。原因?yàn)?，在系統(tǒng)對(duì)外輸出的能量中高品位的電能所占的比例不高，而品位較低的熱能和冷能的比例較高，如圖3(a)所示，在系統(tǒng)對(duì)外輸出的中電能所占比例最高，如圖3(b)所示。

表1 基于壓縮空氣儲(chǔ)能分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 參數(shù)分析

為了進(jìn)一步分析基于壓縮氣體儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)的能量輸出特性，本節(jié)對(duì)影響分布式能源系統(tǒng)整體性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的壓縮機(jī)等熵效率、膨脹機(jī)等熵效率、膨脹機(jī)入口溫度、蓄熱器效率等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖3 分布式能源系統(tǒng)輸出比例示意圖

3.2.1 壓縮機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4為壓縮機(jī)等熵效率對(duì)基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)性能影響示意圖。由圖可知，隨著壓縮機(jī)等熵效率的升高，分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率變化不大，而系統(tǒng)效率會(huì)隨著壓縮機(jī)等熵效率的升高而升高。原因?yàn)?，壓縮機(jī)等熵效率主要影響壓縮機(jī)耗功和工質(zhì)出口溫度，壓縮機(jī)等熵效率升高，壓縮機(jī)耗功減小，膨脹透平出口溫度降低。壓縮機(jī)耗功減小，工質(zhì)出口溫度降低會(huì)使系統(tǒng)對(duì)外輸出功增加，而輸出熱能減少。分布式能源系統(tǒng)一次能源效率考察的是系統(tǒng)對(duì)外總輸出能量情況，因此，壓縮機(jī)等熵效率變化對(duì)分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率影響不大。在該分布式能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)外輸出中主要部分為系統(tǒng)對(duì)外輸出的功，由于壓縮機(jī)等熵效率升高系統(tǒng)耗功減小，對(duì)外輸出功增大，即系統(tǒng)對(duì)外輸出增加，因此，分布式能源系統(tǒng)的效率隨著壓縮機(jī)等熵效率的升高而升高。

圖4 壓縮機(jī)等熵效率對(duì)分布式能源系統(tǒng)性能的影響

3.2.2 膨脹機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖5為膨脹透平等熵效率對(duì)基于壓縮空氣儲(chǔ)能分布式能源系統(tǒng)性能影響示意圖。由圖可知，隨著膨脹透平等熵效率的升高，分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率逐漸降低，效率逐漸增加。原因?yàn)椋蛎浲钙降褥匦侍岣吆?，膨脹透平排氣溫度降低，?duì)外輸出熱量減少，從而使得分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率降低；同時(shí)，隨著膨脹透平絕熱效率的升高，膨脹透平對(duì)外做功能力增加，即，膨脹透平對(duì)外輸出的電能增大，并且電能的增加量大于熱量的減小量，因此，分布式能源系統(tǒng)的效率會(huì)隨著膨脹透平絕熱效率的升高而增大。

圖5 膨脹透平等熵效率對(duì)分布式能源系統(tǒng)性能的影響

3.2.3 膨脹機(jī)入口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6為膨脹透平入口溫度對(duì)基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)性能影響示意圖。由圖可知，隨著膨脹透平入口溫度的升高，分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率和效率都相應(yīng)的升高。原因?yàn)椋谙到y(tǒng)中其他參數(shù)不變的情況下，膨脹透平入口溫度升高，系統(tǒng)對(duì)外輸出功和輸出的熱量都會(huì)相應(yīng)增加，因此，系統(tǒng)的一次能源效率和效率都會(huì)升高。

圖6 膨脹透平入口溫度對(duì)分布式能源系統(tǒng)性能的影響

3.2.4 蓄熱器效率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖7為蓄熱器效率對(duì)基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)性能影響示意圖。由圖可知，隨著蓄熱器效率的升高，分布式能源系統(tǒng)的一次能源效率和效率都有一定程度的升高，但是效率的升高幅度較小。原因?yàn)?，蓄熱器效率的升高使系統(tǒng)內(nèi)對(duì)外輸出的熱量增多，因此，系統(tǒng)的一次能源效率升高。但是，系統(tǒng)對(duì)外輸出的熱能溫度較低，系統(tǒng)對(duì)外輸出的值較低，因此，蓄熱器效率的升高對(duì)系統(tǒng)效率的影響不顯著。

圖7 蓄熱器效率對(duì)分布式能源系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié)論

本文提出了一種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)，通過(guò)模擬分析研究了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

(1)基于壓縮空氣儲(chǔ)能的分布式能源系統(tǒng)一次能源效率為85.32%，系統(tǒng)效率為35.51%，系統(tǒng)具有較高的能量利用率；

(2)從能量角度出發(fā)，分布式能源系統(tǒng)對(duì)外輸出的電能所占比例最小為20.59%，其次是冷能為36.77%，最高的為熱能42.64%；從能質(zhì)角度出發(fā)，系統(tǒng)對(duì)外輸出的電能所占比例最高為64.27%，其次為熱能31.25%，最小的為冷能4.47%；

(3)壓縮機(jī)絕熱效率、膨脹透平入口溫度的提高可以提高系統(tǒng)的一次能源效率和效率；膨脹透平絕熱效率的增加會(huì)使系統(tǒng)一次能源效率降低，效率增加；蓄熱器效率的增加對(duì)系統(tǒng)效率的影響不顯著，但會(huì)增加系統(tǒng)一次能源效率。