一種新型蒸汽恒壓抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及其熱力學(xué)分析

李丞宸,李宇峰,張嚴(yán),楊珍帥,王煥然

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限公司,454002,河南焦作)

我國(guó)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)引發(fā)了能源緊缺、環(huán)境污染等諸多亟待解決的問(wèn)題,因此發(fā)展風(fēng)能等可再生清潔能源勢(shì)在必行[1-2]?？稍偕茉吹睦檬艿狡洳▌?dòng)性、間歇性、隨機(jī)性等缺點(diǎn)的制約[3],儲(chǔ)能技術(shù)可以有效解決這些問(wèn)題。目前,抽水蓄能(PHS)和壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)因技術(shù)較為成熟、收益相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn),在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域中獲得廣泛關(guān)注[4]。但是,由于PHS的選址受到地形及水文條件的特殊限制,CAES不僅對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求,釋能過(guò)程還依賴化石燃料,造成環(huán)境污染[5],開發(fā)新型高效且不依賴化石燃料的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

在諸多儲(chǔ)能系統(tǒng)中,王煥然等提出的抽水壓縮空氣(PHCA)儲(chǔ)能系統(tǒng)兼?zhèn)淞薖HS和CAES的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了兩者的缺點(diǎn)[6-7]。與傳統(tǒng)的抽水蓄能相比,PHCA系統(tǒng)對(duì)地理環(huán)境要求較低,且不需要建造大型水壩,對(duì)生態(tài)環(huán)境沒(méi)有破壞;與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能相比,PHCA系統(tǒng)利用效率較高的水泵替代傳統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)能,利用效率較高的水輪機(jī)替代傳統(tǒng)氣體透平進(jìn)行釋能,且運(yùn)行過(guò)程中氣體溫度基本保持穩(wěn)定,趨于等溫壓縮和等溫膨脹,使系統(tǒng)的運(yùn)行效率顯著提高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)環(huán)境無(wú)負(fù)面影響,但在運(yùn)行過(guò)程中,設(shè)備始終存在變工況問(wèn)題,必然影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率和發(fā)電質(zhì)量。

目前,本團(tuán)隊(duì)已完成100 kW抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和調(diào)試,并初步得到了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,抽水壓縮空氣儲(chǔ)能原理可行高效,運(yùn)行過(guò)程中氣體的溫度變化遠(yuǎn)小于采用傳統(tǒng)壓縮機(jī)的儲(chǔ)能系統(tǒng),具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。

圖1所示的抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng),氣體在壓縮和膨脹過(guò)程中雖然溫度變化較小(約30～50 K),但是其壓力變化范圍較大,導(dǎo)致水輪機(jī)入口壓力持續(xù)變化,對(duì)水輪機(jī)的變工況性能提出了很高要求。恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)[7-9]的設(shè)計(jì)和研究成為了該系統(tǒng)改進(jìn)和提升的重要方向之一。

傳統(tǒng)的穩(wěn)壓方法包括加熱氣體和穩(wěn)壓節(jié)流兩種方法,但都具有其各自的局限性。加熱氣體的方法需要對(duì)水氣共容艙中的氣體部分輸入大量熱量,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制,為了保證壓力的可控性,只能采用換熱器進(jìn)行加熱。這種方法類似傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中利用換熱[10-12]對(duì)空氣進(jìn)行再熱的環(huán)節(jié),具有很高的損失,大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。穩(wěn)壓節(jié)流是目前工程領(lǐng)域使用較廣泛的穩(wěn)壓方法,但是對(duì)于抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō),調(diào)節(jié)減壓閥來(lái)保持水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,要求水輪機(jī)入口壓力始終低于儲(chǔ)氣壓力,大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率,提高系統(tǒng)的損失。另外,穩(wěn)壓節(jié)流過(guò)程中,釋能時(shí)間、壓力和流量之間常常難以匹配,降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。其后,姚爾人等提出了一種用高壓儲(chǔ)氣罐實(shí)現(xiàn)恒壓的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)[7],解決了PHCA系統(tǒng)中的變工況問(wèn)題,但當(dāng)儲(chǔ)能規(guī)模巨大時(shí),系統(tǒng)工作介質(zhì)的體積很大,高壓儲(chǔ)氣容器和水氣共容艙的體積隨之增大,儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)急劇增加,發(fā)電成本大幅提高[13]。

本文提出了一種蒸汽恒壓型抽水壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)。一方面,該系統(tǒng)解決了發(fā)電過(guò)程中的變工況特性;另一方面,相比于通過(guò)高壓儲(chǔ)氣罐實(shí)現(xiàn)恒壓的電力儲(chǔ)能系統(tǒng),水蒸氣在恒壓過(guò)程中發(fā)生凝結(jié)釋放潛熱,可以提高系統(tǒng)的熱量利用效率,而且凝結(jié)后的水蒸氣進(jìn)入水輪機(jī)參與發(fā)電,還可以增加量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的容量和儲(chǔ)能密度。另外,發(fā)電過(guò)程利用工業(yè)廢熱[14]實(shí)現(xiàn)了電能的高效轉(zhuǎn)化,提高了能量利用率,同時(shí)為工業(yè)蒸汽和工業(yè)余熱的利用提供了新途徑。

1 系統(tǒng)描述及計(jì)算模型

1.1 蒸汽恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

蒸汽恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)的工作流程主要分為預(yù)置階段、儲(chǔ)能階段和釋能階段3部分。

預(yù)置階段:在系統(tǒng)開始工作之前,利用壓縮機(jī)向水氣共容艙內(nèi)充入一定量的氣體,使其內(nèi)部的壓力達(dá)到預(yù)置壓力,即創(chuàng)造出水氣界面的高壓環(huán)境。之后,壓縮機(jī)僅用來(lái)補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)部的漏氣,壓縮機(jī)不再參與系統(tǒng)的儲(chǔ)能與釋能。

儲(chǔ)能階段:利用水泵向水氣共容艙內(nèi)部充水。由于氣體部分被壓縮,溫度會(huì)緩慢升高,所以調(diào)整噴淋閥門,使一部分水通過(guò)噴淋的方式進(jìn)入其內(nèi)部,加速水與氣體部分的換熱,調(diào)整水氣共容艙內(nèi)部的溫度,以此來(lái)保持內(nèi)部壓力恒定。

釋能階段:將水氣共容艙內(nèi)部的水放出,通過(guò)水輪機(jī)做功并發(fā)電。在壓縮空氣推動(dòng)水向外做功的過(guò)程中,氣體膨脹會(huì)引起氣體溫度和壓力降低。因此,向水氣共容艙內(nèi)部通入高壓蒸汽:一方面,高壓蒸汽使氣體溫度增加,彌補(bǔ)氣體壓力的降低;另一方面,液化后的蒸汽會(huì)進(jìn)入水中參與水輪機(jī)的做功,提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。

相比于圖1所示的抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng),蒸汽恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)解決了儲(chǔ)能與釋能過(guò)程中氣體壓力逐漸降低帶來(lái)的變工況問(wèn)題。本文系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要消耗熱量或蒸汽,對(duì)于特定環(huán)境下的儲(chǔ)能需求具有很大優(yōu)勢(shì),例如產(chǎn)生大量廢熱或蒸汽的化工過(guò)程、傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的輔助系統(tǒng)、儲(chǔ)電儲(chǔ)熱一體的大型分布式能源網(wǎng)絡(luò)等。與發(fā)電過(guò)程中消耗燃料的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)不同,本文系統(tǒng)對(duì)能源進(jìn)行梯級(jí)利用,運(yùn)行過(guò)程中不額外消耗燃料,具有廣闊應(yīng)用前景。

為了便于對(duì)蒸汽恒壓型抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行分析,本文的熱力學(xué)分析基于如下假設(shè):①水氣共容艙內(nèi)的工作空氣視為理想氣體且不溶于水;②忽略流體在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的流動(dòng)損失;③認(rèn)為水氣共容艙內(nèi)水中的壓力不隨水位高度變化;④水泵的入口始終為常溫常壓狀態(tài);⑤忽略儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)刻與釋能開始時(shí)刻的氣體狀態(tài)變化。

對(duì)于儲(chǔ)能與釋能之間的能量?jī)?chǔ)存階段,氣體部分溫度和壓力會(huì)有下降,下降幅度受環(huán)境溫度、儲(chǔ)存介質(zhì)材料及保溫特性、能量?jī)?chǔ)存時(shí)間等多方面因素影響。實(shí)際應(yīng)用中,若系統(tǒng)在能量?jī)?chǔ)存過(guò)程中溫度和壓力有所下降,可以根據(jù)具體的下降情況和目標(biāo)壓力、溫度,通過(guò)增加和減少蒸汽量對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此,本文忽略儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)刻與釋能開始時(shí)刻的氣體狀態(tài)變化。

另外,儲(chǔ)能空間主要取決于系統(tǒng)容量。對(duì)于大規(guī)模的抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng),可以增設(shè)高壓儲(chǔ)氣空間,并采用多個(gè)罐體切換運(yùn)行的方式以減小水氣共容艙空間[14-16]。本文涉及到水氣共容艙體積的相關(guān)內(nèi)容,均針對(duì)單個(gè)水氣共容艙進(jìn)行研究。在實(shí)際工程應(yīng)用中,還需要參考實(shí)際需求對(duì)水氣共容艙的體積與數(shù)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)模型

1.2.1 首次循環(huán) (1)儲(chǔ)能過(guò)程。首次儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)艙內(nèi)氣體的壓力[17]為

p1=ppr/(1-λ)

(1)

式中:ppr為預(yù)置壓力,即預(yù)壓縮結(jié)束時(shí)氣體的壓力;λ=Vw/Vs,定義為水氣共容艙的充水率,其中Vw為水氣共容艙內(nèi)水的體積,Vs為艙體體積。

考慮到儲(chǔ)能過(guò)程中艙內(nèi)水和空氣發(fā)生了熱交換,設(shè)首次儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)水氣熱平衡溫度為T1,則空氣溫度[18]為

(2)

式中:ma和mw分別表示艙內(nèi)空氣和水的質(zhì)量;cga和cw分別表示空氣和水的比熱容;T0為環(huán)境溫度;Tg為不考慮水氣熱交換首次儲(chǔ)能結(jié)束時(shí)氣體的溫度;狀態(tài)1表示首次儲(chǔ)能結(jié)束。

(2)釋能過(guò)程。釋能過(guò)程中艙內(nèi)的水流出,經(jīng)由水輪機(jī)做功發(fā)電。為實(shí)現(xiàn)恒壓釋能,此過(guò)程中將蒸汽發(fā)生器中的高壓飽和水蒸氣通入水氣共容艙內(nèi)。首次釋能過(guò)程結(jié)束時(shí)氣-汽混合物的溫度為[18]

(3)

式中:Zx2為首次釋能結(jié)束時(shí)空氣和水蒸氣混合氣體的壓縮因子[19];Rga和Rgv分別表示空氣和水蒸氣的氣體常數(shù);mv2表示首次釋能結(jié)束時(shí)通入水氣共容艙水蒸氣的質(zhì)量;狀態(tài)2表示首次釋能結(jié)束。

1.2.2 非首次循環(huán)(1)儲(chǔ)能過(guò)程。為保證第N(N≥2)次儲(chǔ)能過(guò)程中水氣共容艙內(nèi)氣體的壓力不變,充水時(shí),一部分水由艙體頂部進(jìn)入,經(jīng)噴嘴噴淋至艙內(nèi),吸收水蒸氣熱量使之冷凝,余下部分水由艙體下部直接充入。以第2次儲(chǔ)能過(guò)程為例,則水泵實(shí)際耗功

(4)

式中:MpN表示水泵在第N次儲(chǔ)能過(guò)程的質(zhì)量流量;HpN表示水泵的揚(yáng)程;狀態(tài)3表示第2次儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束。

第2次儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束時(shí),艙內(nèi)空氣的溫度[18]為

(5)

式中:mwcv表示冷凝蒸汽所用水量;mvcw則表示冷凝為水的蒸汽的量。

(2)釋能過(guò)程。第N次釋能過(guò)程與首次釋能過(guò)程類似,將高壓飽和水蒸氣通入水氣共容艙內(nèi),用于平衡釋能過(guò)程氣體膨脹引起的壓力降低。以第2次釋能為例,則水輪機(jī)輸出功為

(6)

式中:MtN表示水輪機(jī)的質(zhì)量流量;HtN表示水輪機(jī)的水頭;狀態(tài)4表示第2次釋能結(jié)束。

第2次釋能結(jié)束時(shí),氣-汽混合物的溫度為[18]

(7)

式中:Zx4為第2次釋能結(jié)束時(shí)空氣和水蒸氣混合氣體的壓縮因子。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律,本文采用分析對(duì)蒸汽恒壓抽水壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究[6-7,20]。

(1)水輪機(jī)分析。水輪機(jī)的損失為

It=Eti-WtN-Eto

(8)

式中:Eti為進(jìn)入水輪機(jī)的熱力學(xué)能;Eto為流出水輪機(jī)的熱力學(xué)能。

Ip=Epi+WpN-Epo

(9)

式中:Epi為進(jìn)入水泵的熱力學(xué)能;Epo為流出水泵的熱力學(xué)能。

(2)蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器的損失為

Ivg=Evgi+EQ-Evgo

(10)

式中:Evgi為進(jìn)入蒸汽發(fā)生器溫度較低的水蒸氣的熱力學(xué)能;Evgo為流出蒸汽發(fā)生器溫度較高水蒸氣的熱力學(xué)能;EQ為熱源所提供的熱量。

值得說(shuō)明的是,本文采用蒸汽發(fā)生器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的恒壓運(yùn)行,對(duì)于某些化工應(yīng)用背景,具有大量工業(yè)余熱和富余蒸汽資源,可以認(rèn)為該部分能量不需要消耗代價(jià),系統(tǒng)的性能會(huì)顯著提升。

(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)。系統(tǒng)損失為

I=Ei+WpN+EQ-Eo-WtN

(11)

式中:Ei為進(jìn)入系統(tǒng)的工質(zhì)的熱力學(xué)能;Eo為流出系統(tǒng)的工質(zhì)的熱力學(xué)能。

1.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)首次循環(huán)過(guò)程的能量變化規(guī)律不具有普適性,故將其作為啟動(dòng)循環(huán),自第2次循環(huán)后系統(tǒng)周而復(fù)始地運(yùn)行,每次循環(huán)的能量變化規(guī)律一致,因此本文以第N(N≥2)次循環(huán)為例,采用如下系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-8]。

(1)系統(tǒng)總效率為

(12)

式中:QvN為水蒸氣在蒸汽發(fā)生器吸收的熱量;ηvg為蒸汽發(fā)生器的效率。

(2)能量密度為

ρED=WtN/Vs

(13)

2 結(jié)果與分析

蒸汽恒壓型抽水壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

當(dāng)ppr=0.7 MPa、Tv=518.15 K、λ=0.7時(shí),第1、2次循環(huán)中水氣共容艙內(nèi)空氣的壓力和溫度變化曲線見圖3。每次循環(huán)的儲(chǔ)能時(shí)間設(shè)定為80 min,釋能時(shí)間設(shè)定為50 min,即循環(huán)周期為130 min。首次儲(chǔ)能時(shí)水氣共容艙內(nèi)壓力逐漸上升且上升速度逐漸加快,當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到80 min時(shí),艙內(nèi)氣體壓力達(dá)到3.33 MPa,而在此過(guò)程中溫度保持不變,始終為293.15 K。原因在于,儲(chǔ)能過(guò)程中,水進(jìn)入水氣共容艙內(nèi),雖然空氣被壓縮而導(dǎo)致溫度升高,但由于水的比熱容很大,當(dāng)壓縮空氣和水達(dá)到熱量平衡時(shí),空氣的溫度變化甚微,故認(rèn)為是等溫過(guò)程。第1次釋能時(shí),為保證此過(guò)程在恒壓工況下進(jìn)行,向其中通入溫度為518.15 K的水蒸氣,用于補(bǔ)充因釋能放水引起的空氣壓力降低,故空氣壓力不變,而溫度升高,且升溫速率逐漸減小,當(dāng)釋能時(shí)間達(dá)50 min時(shí),溫度達(dá)到452.17 K。第2次儲(chǔ)能過(guò)程中,向水氣共容艙內(nèi)充水,為保證儲(chǔ)能在恒壓狀態(tài)下進(jìn)行,一部分水以噴淋方式進(jìn)入水氣共容艙,用于冷凝水蒸氣,從而平衡因充水引起的空氣壓力升高。與此同時(shí),由于充入的水與空氣產(chǎn)生熱交換而使空氣的溫度降低,且其溫度降低速度越來(lái)越小,當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)間達(dá)到80 min時(shí),空氣溫度降至334.13 K。第2次釋能過(guò)程與第1次釋能過(guò)程相似,但空氣的最終溫度相較于第1次釋能過(guò)程的最終溫度略有升高,達(dá)到453.83 K,由于差值較小,故認(rèn)為此后的循環(huán)均與第2次循環(huán)相同。

圖3 第1、2次循環(huán)時(shí)水氣共容艙內(nèi)空氣的壓力和溫度情況Fig.3 Air pressure and temperature changes in cylinder in first two cycles

系統(tǒng)總效率是指消耗單位能量所轉(zhuǎn)化的能量。當(dāng)ppr=0.7 MPa,蒸汽溫度分別為518.15、533.15、548.15 K時(shí),系統(tǒng)總效率與充水率的關(guān)系見圖4。當(dāng)充入水氣共容艙內(nèi)的蒸汽溫度越低時(shí),系統(tǒng)的總效率越高;隨著蒸汽溫度升高,使系統(tǒng)總效率達(dá)到最大值的充水率越大,即峰值逐漸后移,分別對(duì)應(yīng)充水率為0.58、0.60、0.62。隨著充水率的增加,系統(tǒng)總效率呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。以蒸汽溫度為518.15 K為例,隨著充水率的增加,雖然水輪機(jī)做功、水泵耗功及蒸汽發(fā)生器耗能均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但當(dāng)充水率小于0.58時(shí),水輪機(jī)做功的增長(zhǎng)率大于水泵耗功及蒸汽發(fā)生器耗能之和的增長(zhǎng)率,充水率大于0.58時(shí),則反之。

圖4 不同蒸汽溫度下系統(tǒng)總效率與充水率的關(guān)系Fig.4 Effect of water pumped rate on energy efficiency at different steam temperature

能量密度是單位體積所存儲(chǔ)的電能。當(dāng)ppr=0.7 MPa時(shí),通入水氣共容艙的蒸汽溫度不同的能量密度與充水率的關(guān)系見圖5。顯然,蒸汽溫度不同,能量密度相差很小,曲線近似重合。原因在于,雖然蒸汽溫度增加致使所需蒸汽量減少,但水輪機(jī)的流量及水頭都不因此發(fā)生明顯改變,故而做功量也變化甚微。隨著充水率的增加,能量密度不斷增大,且增長(zhǎng)率也逐漸增大。原因在于,水輪機(jī)做功隨著充水率的增加而不斷增大,水氣共容艙體積不變,則能量密度的變化趨勢(shì)與水輪機(jī)做功的變化趨勢(shì)一致。

圖5 不同蒸汽溫度下能量密度與充水率的關(guān)系Fig.5 Effect of water pumped rate on energy density at different steam temperature

結(jié)合本文系統(tǒng)的特點(diǎn),系統(tǒng)的發(fā)電量一部分來(lái)自于儲(chǔ)能過(guò)程中儲(chǔ)存的能量,一部分來(lái)源于蒸汽的熱量和蒸汽液化后參與做功。蒸汽溫度降低時(shí),對(duì)于相同的壓力,維持恒壓所需的蒸汽質(zhì)量增加,蒸汽液化的質(zhì)量也有所增加,導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)電量提高,系統(tǒng)效率提高。因此,系統(tǒng)效率提高的原因是釋能過(guò)程中補(bǔ)充的蒸汽質(zhì)量增加,不是儲(chǔ)存的電能增加導(dǎo)致的。

當(dāng)Tv=518.15 K,λ=0.7,預(yù)置壓力分別為0.70、0.85、1.00 MPa時(shí),系統(tǒng)總效率與單個(gè)水氣共容艙體積的關(guān)系見圖6。當(dāng)水氣共容艙內(nèi)的預(yù)置壓力越低時(shí),系統(tǒng)的總效率越高。原因在于,預(yù)置壓力降低則恒壓所需的蒸汽量減少,繼而蒸汽發(fā)生器耗能減少,總效率增大。隨著水氣共容艙體積的增大,系統(tǒng)總效率呈先減后增、繼而減小的趨勢(shì),即存在谷值和峰值。當(dāng)系統(tǒng)總效率未達(dá)谷值時(shí),隨著水氣共容艙體積的增大,水輪機(jī)做功增長(zhǎng)率始終小于水泵與蒸汽發(fā)生器耗能之和的增長(zhǎng)率,故系統(tǒng)總效率呈減小趨勢(shì),且蒸汽發(fā)生器耗能增長(zhǎng)率在此期間逐漸減小,故而系統(tǒng)總效率的增長(zhǎng)漸趨平緩,直至系統(tǒng)總效率達(dá)到谷值。其后的變化趨勢(shì)和水輪機(jī)做功增長(zhǎng)率與水泵、蒸汽發(fā)生器耗能之和增長(zhǎng)率的大小有關(guān)。隨著預(yù)置壓力的升高,使系統(tǒng)總效率達(dá)到谷值和峰值的水氣共容艙體積越小,其中谷值對(duì)應(yīng)的體積分別為45、35、25 m3,峰值對(duì)應(yīng)的體積分別為130、110、90 m3。

圖6 不同預(yù)置壓力下系統(tǒng)總效率隨Vs的關(guān)系Fig.6 Effect of Vs on energy efficiency under different initial pressure

為進(jìn)一步研究預(yù)置壓力對(duì)系統(tǒng)總效率的影響機(jī)制,當(dāng)蒸汽溫度Tv=518.15 K、充水率λ=0.7、預(yù)置壓力變化時(shí),水輪機(jī)做功、蒸汽發(fā)生器耗能與系統(tǒng)總效率的變化規(guī)律見圖7。圖中QN表示蒸汽發(fā)生器耗能量。隨著預(yù)置壓力的增大,水輪機(jī)做功與蒸汽發(fā)生器耗能均呈增大趨勢(shì)。原因在于,預(yù)置壓力升高致使水輪機(jī)水頭增大,故而做功增加。與此同時(shí),增加蒸汽的量才能平衡逐漸升高的工作壓力,從而導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器耗能增加。且由圖7可知,蒸汽發(fā)生器耗能始終高于水輪機(jī)做功,同時(shí)隨著預(yù)置壓力的增大,蒸汽發(fā)生器耗能的增長(zhǎng)率也始終高于水輪機(jī)做功的增長(zhǎng)率,因此導(dǎo)致系統(tǒng)總效率隨預(yù)置壓力的增大而逐漸降低。

圖7 不同預(yù)置壓力下WtN、QN、η的變化規(guī)律Fig.7 Effect of initial pressure on WtN,QN,η

當(dāng)Tv=518.15 K、λ=0.7、預(yù)置壓力不同時(shí),能量密度與水氣共容艙體積的關(guān)系見圖8。當(dāng)水氣共容艙內(nèi)的預(yù)置壓力越高,系統(tǒng)的能量密度越大。原因在于:預(yù)置壓力越大水輪機(jī)做功的水頭越高,則做功量越大。隨著水氣共容艙體積的增大,系統(tǒng)能量密度與總效率的變化趨勢(shì)相似,即呈先減后增、繼而減小的趨勢(shì),也存在谷值和峰值。隨著預(yù)置壓力的效率達(dá)到谷值和峰值的水氣共容艙體積越小,其中谷值對(duì)應(yīng)的體積分別為45、40、35 m3,峰值對(duì)應(yīng)的體積分別為130、110、90 m3。

圖8 不同預(yù)置壓力下能量密度隨Vs的關(guān)系Fig.8 Effect of Vs on energy density under different initial pressure

從圖6與圖8曲線的趨勢(shì)可以看出,單個(gè)水氣共容艙體積較小時(shí),其性能均優(yōu)于極大值。但是,水氣共容艙體積過(guò)小導(dǎo)致的單個(gè)罐體容量較小,系統(tǒng)的實(shí)用性較差。事實(shí)上,結(jié)合本文系統(tǒng)的具體運(yùn)行過(guò)程,充水率和預(yù)置壓力不變的情況下,單個(gè)水氣共容艙體積減小,實(shí)際參與儲(chǔ)能的氣體量減少,導(dǎo)致維持恒壓所需的蒸汽量減少(熱損失減少),系統(tǒng)的總效率和能量密度提升。在實(shí)際的應(yīng)用中,需要結(jié)合實(shí)際的邊界條件(容量需求、蒸汽溫度、蒸汽流量等)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)工況點(diǎn)選取。

當(dāng)ppr=0.7 MPa,蒸汽溫度分別為518.15、533.15、548.15 K時(shí),損失與充水率的關(guān)系見圖9。蒸汽溫度越高損失越小,但其差別不太明顯。原因在于,蒸汽溫度越高,平衡壓力所用的水蒸氣的量越少,相變引起的損失則越小。隨著充水率的提升,損失不斷增加,且其增長(zhǎng)率不斷增大。原因在于,隨著充水率的增長(zhǎng),工作壓力增大,釋能時(shí)平衡壓力所需要的水蒸氣量也增加,則儲(chǔ)能過(guò)程因水蒸氣相變引起的損失越來(lái)越大。

圖9 不同蒸汽溫度下?lián)p失與充水率的關(guān)系 Fig.9 Effect of water pumped rate on exergy loss at different steam temperature

當(dāng)Tv=518.15 K、λ=0.7、預(yù)置壓力不同時(shí),損失與單個(gè)水氣共容艙體積的關(guān)系見圖10。預(yù)置壓力和單個(gè)水氣共容艙體積增大,損失也隨之增大。原因在于,預(yù)置壓力增加,工作壓力也隨之增加,則平衡壓力所用蒸汽量增多,損失隨之增大。隨著水氣共容艙體積的增大,參與儲(chǔ)能的工作介質(zhì)的量隨之增加,導(dǎo)致各個(gè)損失增加。

圖10 不同預(yù)置壓力下?lián)p失與Vs的關(guān)系Fig.10 Effect of Vs on exergy loss under different initial pressure

當(dāng)ppr=0.7 MPa、Tv=518.15 K、λ=0.7時(shí),系統(tǒng)在第N(N≥2)次循環(huán)時(shí)的輸入、輸出及損失見表2。顯然,系統(tǒng)中主要的損失發(fā)生在蒸汽發(fā)生器和水氣共容艙中。原因在于,以上設(shè)備中的工作物質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生相變,使該單元損失較大。

表2 系統(tǒng)輸入、輸出及損失Table 2 Input and output exergy and exergy loss of system

表2 系統(tǒng)輸入、輸出及損失Table 2 Input and output exergy and exergy loss of system

參數(shù)介質(zhì)或單元數(shù)值/MJ比例/%輸入蒸汽386.6465.16水泵耗功73.9412.46蒸汽發(fā)生器耗能132.8122.38損失水輪機(jī)單元5.461.59水泵單元4.651.35蒸汽發(fā)生器單元215.8262.85水氣共容艙117.4734.21輸出水34.5513.82水輪機(jī)做功215.4486.18

3 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)總效率隨著充水率的變化先增后減,同時(shí)蒸汽溫度越高,效率越低;隨著水氣共容艙體積的變化,系統(tǒng)總效率先后出現(xiàn)谷值和峰值,同時(shí)預(yù)置壓力越高,效率越低。

(2)能量密度隨著充水率增加而增大,與蒸汽溫度關(guān)系較小;隨著水氣共容艙體積增大,能量密度先后出現(xiàn)谷值和峰值,同時(shí)預(yù)置壓力越高則能量密度越大。