壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與火電機(jī)組的耦合方案研究

李 斌，陳吉玲，李晨昕，陳海生，紀(jì) 律

(1．華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北保定 071003； 2．中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

目前，火電機(jī)組仍然承擔(dān)著電網(wǎng)主要的調(diào)峰任務(wù)。然而，火電機(jī)組深度調(diào)峰存在運(yùn)行成本高、設(shè)備使用壽命低等問題。隨著電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，需對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造[1]。

新能源的快速發(fā)展帶來的消納問題促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)在新能源并網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。近年來，以蓄電池儲(chǔ)能為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速。雖然蓄電池儲(chǔ)能緩解了電網(wǎng)調(diào)峰壓力，但仍存在許多不足。與壓縮空氣儲(chǔ)能相比，蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備成本較高；蓄電池運(yùn)行過程中容易引起電池隔膜崩潰和內(nèi)部短路，無法保證安全性；蓄電池的使用壽命相對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能較短；廢棄鋰電池的處理也會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有選址靈活、安全性高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外已建成多座兆瓦級(jí)新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范項(xiàng)目。中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心自主設(shè)計(jì)研發(fā)的 10 MW 級(jí)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES)是目前國際上容量最大、效率最高的新型壓縮空氣示范項(xiàng)目。

筆者將10 MW級(jí)AA-CAES與火電機(jī)組進(jìn)行耦合，并對(duì)不同耦合方案進(jìn)行了系統(tǒng)性能分析對(duì)比，確定了最優(yōu)耦合方案。

1 系統(tǒng)模型

1.1 火電機(jī)組模型

針對(duì)某電廠350 MW亞臨界、一次再熱、抽凝式火電機(jī)組，建立其汽輪機(jī)級(jí)組數(shù)學(xué)模型。

(1)

式中：qm,1、qm,0分別為變化前、后的主蒸汽質(zhì)量流量，t/h；p01、p0分別為變化前、后的調(diào)節(jié)級(jí)壓力，MPa；pg1、pg分別為變化前、后的級(jí)組排氣壓力，MPa；T01、T0分別為變化前、后的調(diào)節(jié)級(jí)溫度，K。

利用Ebsilon軟件搭建火電機(jī)組模型，其熱力系統(tǒng)包括8級(jí)回?zé)岢槠?，采暖抽汽從中壓缸排?號(hào)抽汽中引出。按照設(shè)計(jì)參數(shù)，非采暖季采用熱耗率驗(yàn)收(THA)工況，采暖季采用額定抽汽工況。

火電機(jī)組模型中主汽門、調(diào)節(jié)汽門和進(jìn)汽管道壓損為2%，中低壓連通管壓損為5%，再熱器及其管道壓損為10%，中壓聯(lián)合汽門及管道壓損為1.43%。高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)抽汽管道壓損為3%，除氧器和低壓加熱器(簡(jiǎn)稱低加)抽汽管道壓損為5%。非采暖季以THA工況作為基準(zhǔn)工況，采暖季以額定抽汽工況作為基準(zhǔn)工況，提取各級(jí)組的設(shè)計(jì)參數(shù)。為檢驗(yàn)所建模型的可靠性，對(duì)已有工況的系統(tǒng)性能進(jìn)行模擬。機(jī)組負(fù)荷的設(shè)定與電廠實(shí)際運(yùn)行工況相同，對(duì)主蒸汽質(zhì)量流量進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。通過計(jì)算可知，所建熱力系統(tǒng)模型的模擬值與設(shè)計(jì)值之間的最大相對(duì)誤差為1.22%，小于工程允許誤差，說明模型可靠性較高。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

為分析壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，首先對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行建模[3]。

壓縮機(jī)實(shí)際耗功wc為：

(2)

表1 熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)值與模擬值的比較

壓縮機(jī)第i+1級(jí)出口溫度Tc,i+1為：

(3)

膨脹機(jī)對(duì)外實(shí)際做功wt為：

(4)

膨脹機(jī)第i+1級(jí)排氣溫度Tt,i+1為：

(5)

式中：Tc,i和Tt,i分別為第i級(jí)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)入口空氣溫度，K；k為空氣絕熱系數(shù)；ηc,s和ηt,i分別為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)絕熱效率；R為理想氣體常數(shù)，J/(kg·K)；pc,i和pt,i分別為第i級(jí)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)入口空氣壓力，MPa。

10 MW級(jí)AA-CAES主要設(shè)備有壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器熱水罐、儲(chǔ)氣室和常溫罐等。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)分為儲(chǔ)能階段和釋能階段。在儲(chǔ)能階段，通過電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入功率來帶動(dòng)壓縮機(jī)做功，將空氣增壓至設(shè)計(jì)壓力，并儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中，壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱以水為介質(zhì)進(jìn)行換熱，并儲(chǔ)存在熱水罐中。在釋能階段，調(diào)節(jié)閥門開度，釋放儲(chǔ)存的高壓空氣，吸收儲(chǔ)能階段儲(chǔ)存的壓縮熱并在膨脹機(jī)中做功來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由于儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣溫度較低，不利于提高膨脹機(jī)的輸出功率，因此將釋能階段儲(chǔ)存的壓縮熱以水為介質(zhì)來加熱進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓空氣，以提高膨脹機(jī)的輸出功率。

儲(chǔ)能階段儲(chǔ)氣室設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，環(huán)境溫度為24.85 ℃，儲(chǔ)能時(shí)間設(shè)置為8 h，壓縮機(jī)為4級(jí)壓縮，為防止儲(chǔ)氣室壓力波動(dòng)引發(fā)末級(jí)壓縮機(jī)壓比突升，造成壓縮機(jī)溫度過高，需要將末級(jí)壓比設(shè)置為相對(duì)較低，壓縮機(jī)級(jí)間設(shè)置換熱器，換熱器為4級(jí)換熱，其換熱介質(zhì)為水，儲(chǔ)能階段忽略管道中的壓力損失和熱量損失。儲(chǔ)能階段具體參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

表2 儲(chǔ)能過程的具體參數(shù)

釋能階段釋能壓力設(shè)為7 MPa，膨脹機(jī)入口空氣溫度為100 ℃，釋能時(shí)間設(shè)為2 h，膨脹機(jī)為4級(jí)透平，膨脹機(jī)間設(shè)置換熱器，換熱器為4級(jí)換熱，換熱過程存在壓降，釋能階段忽略管道中的壓力損失和熱量損失，具體參數(shù)設(shè)計(jì)見表3。

表3 釋能過程的具體參數(shù)

2 AA-CAES與火電機(jī)組耦合方案

原AA-CAES示意圖見圖1。為達(dá)到壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與火電機(jī)組耦合的目的，根據(jù)火電機(jī)組的相關(guān)特性，并結(jié)合已建立的某350 MW供暖機(jī)組仿真模型，對(duì)10 MW級(jí) AA-CAES進(jìn)行改進(jìn)。該方案不僅可以省去AA-CAES中的冷熱水罐裝置，達(dá)到節(jié)約成本的目的，還可以幫助火電機(jī)組進(jìn)行熱電解耦，提升火電機(jī)組的靈活性。系統(tǒng)原理如下：夜間用電負(fù)荷較小，為保證供熱量，發(fā)電量有裕量，此時(shí)系統(tǒng)處于儲(chǔ)能階段，多余的電能帶動(dòng)壓縮機(jī)，將空氣進(jìn)行壓縮，同時(shí)收集空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱，用于加熱凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水被送回到凝結(jié)水的管路，此過程將電能轉(zhuǎn)化為壓力能和熱能，并將壓力能進(jìn)行存儲(chǔ)，熱能直接輸出到火電機(jī)組中；白天用電負(fù)荷較大，系統(tǒng)處于釋能階段，AA-CAES將高壓空氣釋放，利用少部分汽輪機(jī)抽汽將空氣加熱，而后空氣進(jìn)入膨脹機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖1 原AA-CAES示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original AA-CAES system

改進(jìn)后的AA-CAES示意圖如圖2所示，分別在儲(chǔ)能階段和釋能階段將其與火電機(jī)組的不同位置耦合，設(shè)為不同的耦合方案。

圖2 改進(jìn)后的AA-CAES示意圖Fig.2 Schematic diagram of the improved AA-CAES system

2.1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

選取以下2個(gè)指標(biāo)作為耦合機(jī)組系統(tǒng)性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，即熱耗率和能量利用系數(shù)。

熱耗率q0可表示為：

(6)

式中：qm,gs、qm,zr和qm,gr分別為給水質(zhì)量流量、再熱蒸汽質(zhì)量流量和供熱抽汽質(zhì)量流量，kg/s；Hgs、Hzr和Hgr分別為給水焓增、再熱蒸汽焓增和供熱焓增，kJ/kg；Pgrid為發(fā)電機(jī)做功，kW。

能量利用系數(shù)ηth表示系統(tǒng)產(chǎn)生的總電能與消耗總能量的比值，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合效益。

(7)

式中：Ptur為膨脹機(jī)功率，kW；Pcom為壓縮機(jī)耗功，kW；Qgs和Qzr分別為給水和再熱蒸汽吸熱量，kW。

2.2 儲(chǔ)能階段的耦合方案設(shè)計(jì)

在儲(chǔ)能階段中，火電機(jī)組多余的電能帶動(dòng)壓縮機(jī)將空氣進(jìn)行壓縮，同時(shí)收集空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱，用于加熱凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水被送回至凝結(jié)水的管路。壓縮過程的壓縮熱一定，通過改變抽水質(zhì)量流量，可將凝結(jié)水加熱至不同溫度。耦合方案中設(shè)計(jì)回水至凝結(jié)水系統(tǒng)，一方面是因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行過程中壓縮空氣產(chǎn)生的熱量有限，無法將凝結(jié)水加熱至過高的溫度，另一方面，回水至凝結(jié)水系統(tǒng)可降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因此，儲(chǔ)能階段的耦合方案設(shè)置為抽取凝結(jié)水泵出口的凝結(jié)水，并根據(jù)回水位置不同分別設(shè)為以下4個(gè)方案：回水至6號(hào)低加入口(方案1)、回水至5號(hào)低加入口(方案2)、回水至5號(hào)低加出口(方案3)和回水至除氧器(方案4)。儲(chǔ)能階段的各耦合方案示意圖見圖3。

利用Ebsilon軟件對(duì)4種方案進(jìn)行模擬，結(jié)果如表4所示。非采暖季抽水溫度為32.601 ℃，采暖季抽水溫度為32.61 ℃。抽取火電機(jī)組的凝結(jié)水用于吸收壓縮熱時(shí)，壓縮產(chǎn)生總熱量保持不變，適當(dāng)減少抽水質(zhì)量流量可以提升回水溫度，根據(jù)能量梯級(jí)利用確定回水位置，再根據(jù)回水溫度計(jì)算抽水質(zhì)量流量。

由表4可知，在儲(chǔ)能過程中，凝結(jié)水系統(tǒng)中的一部分熱量來源于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此耦合后機(jī)組的熱耗率相比原始機(jī)組有所降低，但由于壓縮過程中存在壓縮機(jī)耗功，能量利用系數(shù)也降低0.3%～0.4%。通過對(duì)比不同耦合方案可以發(fā)現(xiàn)，方案4不僅熱耗率最低，能量利用系數(shù)也最高，因此確定為儲(chǔ)能階段的最佳方案。

圖3 儲(chǔ)能過程各耦合方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of coupling schemes in energystorage process

表4 儲(chǔ)能過程各耦合方案的模擬結(jié)果

2.3 釋能階段的耦合方案

在釋能階段，耦合系統(tǒng)將高壓空氣釋放，利用少部分汽輪機(jī)抽汽將空氣加熱，而后空氣進(jìn)入膨脹機(jī)對(duì)外輸出功，完成電力供應(yīng)，達(dá)到快速響應(yīng)負(fù)荷變化的任務(wù)，以此將壓力能和多余的熱能轉(zhuǎn)化為電能。此時(shí)，用于加熱高壓空氣的蒸汽來自汽輪機(jī)抽汽。

釋能階段方案1～方案6分別為抽取1號(hào)～6號(hào)抽汽至壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中膨脹機(jī)前的換熱器，加熱后回水位置為對(duì)應(yīng)的疏水冷卻器，由于7號(hào)和8號(hào)抽汽溫度不足100 ℃，無法達(dá)到10 MW級(jí)AA-CAES的要求，此處不考慮。由于采暖季熱網(wǎng)內(nèi)具有較大的熱慣性，且釋能階段是在用電負(fù)荷較大的白天用電高峰期，此時(shí)對(duì)采暖的需求相對(duì)較小，抽取少量采暖抽汽對(duì)熱用戶供暖的影響并不明顯，因此采暖季另設(shè)置方案7，即抽取少部分采暖抽汽用于加熱高壓空氣。釋能階段各耦合方案的示意圖見圖4，模擬結(jié)果見表5。

在釋能過程中，由于抽取部分汽輪機(jī)抽汽至壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)來加熱高壓空氣，系統(tǒng)熱耗率略提高，但能量利用系數(shù)也增大。由表5可知，在保證換熱器入口空氣溫度的前提下，采用更低品位的抽汽可以降低整體系統(tǒng)的熱耗率。但模擬發(fā)現(xiàn)，如果抽汽的能量品味過低，雖然熱耗率降低，但無法保證空氣的加熱效果(方案6)，因而不能達(dá)到預(yù)期的膨脹機(jī)功率。模擬結(jié)果表明，在保證入口空氣溫度加熱效果的前提下，抽取5號(hào)抽汽時(shí)熱耗率最低，且能量利用系數(shù)最高，因此釋能階段選取方案5為最佳方案。

圖4 釋能過程各耦合方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of coupling schemes in energyrelease process

表5 釋能過程各耦合方案的模擬結(jié)果

2.4 最佳耦合方案

結(jié)合儲(chǔ)能階段和釋能階段的最佳方案，選定最佳方案如下：儲(chǔ)能階段從凝結(jié)水泵出口抽取凝結(jié)水，其吸收壓縮熱后被送回至除氧器；釋能階段抽取少部分5號(hào)抽汽，用于加熱高壓空氣后被送回至5號(hào)低加疏水冷卻器，最佳耦合方案如圖5所示。

圖5 最佳方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of the optimal coupling scheme

假定實(shí)際運(yùn)行過程中按照儲(chǔ)能8 h、釋能2 h的運(yùn)行方式計(jì)算耦合方案的系統(tǒng)性能[4-6]。原始機(jī)組和耦合機(jī)組的熱耗率、能量利用系數(shù)的對(duì)比見表6。

表6 原始機(jī)組和耦合機(jī)組的熱力參數(shù)對(duì)比

由表6可知，在實(shí)際運(yùn)行過程中，相比原始機(jī)組，耦合機(jī)組的熱耗率有所降低，其中非采暖季熱耗率降幅為16.366 kJ/(kW·h)，采暖季熱耗率降幅為22.645 kJ/(kW·h)；相應(yīng)地，由于儲(chǔ)能階段壓縮機(jī)耗功較大，系統(tǒng)的能量利用系數(shù)略減小，其中非采暖季減幅為0.139 66%，采暖季減幅為0.043 3%。該耦合方案是電能、熱能2種形式能輸入輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有可參與火電機(jī)組深度調(diào)峰和協(xié)助火電機(jī)組熱電解耦等特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過程中為火電機(jī)組的靈活性改造帶來諸多收益。

3 系統(tǒng)性能

在上述方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究釋能階段膨脹機(jī)入口空氣溫度和空氣流速對(duì)系統(tǒng)性能的影響。分別選取釋能階段方案4和方案5進(jìn)行膨脹機(jī)入口參數(shù)的模擬，其中方案4和方案5中膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量均為29.417 kg/s，其他參數(shù)見表5。

3.1 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6給出了在釋能階段不同膨脹機(jī)入口空氣溫度下抽汽質(zhì)量流量、膨脹機(jī)功率、熱耗率以及能量利用系數(shù)的模擬結(jié)果。由圖6可知，隨著膨脹機(jī)入口空氣溫度的升高，該系統(tǒng)釋能階段抽汽質(zhì)量流量、膨脹機(jī)功率、熱耗率和能量利用系數(shù)均線性增大。膨脹機(jī)入口空氣溫度受抽汽壓力和抽汽溫度的限制，抽汽溫度越高，抽汽質(zhì)量流量越大，膨脹機(jī)入口空氣溫度越高。這是因?yàn)樵谂蛎洐C(jī)入口空氣質(zhì)量流量不變的情況下，為使膨脹機(jī)入口空氣溫度升高，需抽取更多的抽汽用于加熱高壓空氣，熱耗率也隨之提高。隨著膨脹機(jī)入口空氣溫度的升高，膨脹機(jī)做功能力增強(qiáng)，膨脹機(jī)功率線性增大。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，以消耗熱能為代價(jià)換取膨脹機(jī)做功的電能形式，能量利用系數(shù)也線性增大，這說明通過提高膨脹機(jī)入口空氣溫度可提高整體系統(tǒng)性能。

(a) 抽汽質(zhì)量流量(b) 膨脹機(jī)功率

(c) 熱耗率(d) 能量利用系數(shù)圖6 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.6 Influence of inlet air temperature of the expander on system performance

從圖6可以看出，可以通過改變火電機(jī)組側(cè)的抽汽質(zhì)量流量來改變儲(chǔ)能側(cè)膨脹機(jī)的功率，在短時(shí)間內(nèi)改變負(fù)荷，從而幫助火電機(jī)組快速響應(yīng)電網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)指令，平穩(wěn)地完成調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。

3.2 膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖7給出了釋能階段不同膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量下抽汽質(zhì)量流量、膨脹機(jī)功率、熱耗率以及能量利用系數(shù)的模擬結(jié)果。由圖7可知，通過增大膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量，同樣可以達(dá)到提升膨脹機(jī)功率的目的，且系統(tǒng)性能參數(shù)均隨入口空氣質(zhì)量流量的增大而增大。膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量增大時(shí)，需增大抽汽質(zhì)量流量來保證膨脹機(jī)入口空氣溫度，這導(dǎo)致熱耗率提高。同時(shí)，由于進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓空氣質(zhì)量流量增大，膨脹機(jī)做功能力增強(qiáng)，膨脹機(jī)功率線性增大。這說明膨脹機(jī)做功容量整體保持穩(wěn)定，增大膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量不會(huì)影響系統(tǒng)整體的做功能力。

可見，通過改變膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量同樣可以改變儲(chǔ)能側(cè)膨脹機(jī)的功率，從而在短時(shí)間內(nèi)幫助火電機(jī)組提升或降低負(fù)荷，達(dá)到火電機(jī)組熱電解耦靈活性改造的目的。

(a) 抽汽質(zhì)量流量(b) 膨脹機(jī)功率

(c) 熱耗率(d) 能量利用系數(shù)圖7 膨脹機(jī)入口空氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Influence of inlet air mass flow rate of the expander on system performance

4 結(jié) 論

(1) 提出了10 MW級(jí)AA-CAES耦合方案，儲(chǔ)能階段利用壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮熱加熱火電機(jī)組的凝結(jié)水，釋能階段利用火電機(jī)組的抽汽加熱進(jìn)入膨脹機(jī)做功的高壓空氣。

(2) 熱耗率最低、能量利用系數(shù)最高的最佳方案為儲(chǔ)能階段凝結(jié)水回水至除氧器，釋能階段用少量5號(hào)抽汽加熱高壓空氣。相比原始機(jī)組，耦合機(jī)組的能量利用系數(shù)均增大，但由于消耗了汽輪機(jī)的抽汽熱量，耦合機(jī)組的熱耗率也有所提高。

(3) 通過改變參數(shù)來改變儲(chǔ)能側(cè)出力，膨脹機(jī)功率隨入口空氣溫度和質(zhì)量流量的增大而線性增大。這說明增大入口空氣溫度和質(zhì)量流量可以提升火電機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)的AGC指令速度，在短時(shí)間內(nèi)完成并網(wǎng)發(fā)電的任務(wù)。