集成恒壓壓縮空氣儲(chǔ)能的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)特性研究

張 斌, 王光磊, 徐 震, 周廣杰

(1．山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013; 2． 昌吉學(xué)院 物理與材料科學(xué)學(xué)院,新疆昌吉 831100;3. 山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,濟(jì)南 250100)

隨著我國(guó)雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施,燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電三聯(lián)供(CCHP)技術(shù)以其一次能源利用率高、環(huán)境友好、啟動(dòng)快等優(yōu)勢(shì),在區(qū)域、建筑供能領(lǐng)域前景廣闊,且對(duì)新能源電力消納具有重要意義[1]。CCHP系統(tǒng)通常按“以熱定電”模式工作,隨著需求側(cè)負(fù)荷波動(dòng),燃?xì)廨啓C(jī)往往變工況運(yùn)行,難以全工況高效地實(shí)現(xiàn)供需平衡,且存在電-熱輸出耦合性強(qiáng)、熱電比調(diào)節(jié)不靈活等問(wèn)題[2],綜合能源效率達(dá)不到預(yù)期。針對(duì)上述問(wèn)題,將壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)作為能量調(diào)節(jié)單元引入常規(guī)CCHP系統(tǒng),可有效消減燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)間,有望拓寬CCHP熱電比調(diào)節(jié)范圍,提高運(yùn)行靈活性。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)集成CAES的新型CCHP系統(tǒng)已開(kāi)展了一定的研究,主要集中在系統(tǒng)優(yōu)化配置與運(yùn)行方面。Vieira等[3]對(duì)比了集成非絕熱、絕熱、三聯(lián)供等各類CAES的CCHP系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)主機(jī)采用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)具有最高的能源利用效率。He等[4]提出的CCHP系統(tǒng)利用燃?xì)廨啓C(jī)排煙加熱膨脹機(jī)進(jìn)氣,從而提高耦合系統(tǒng)能源利用效率。Wang等[5]提出了集成太陽(yáng)能和絕熱CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng),最大供熱、供冷條件下系統(tǒng)效率分別為53.1%和45.36%。冉鵬等[6]研究了耦合超臨界CO2循環(huán)的CAES系統(tǒng),其循環(huán)效率和效率顯著高于傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)。He等[7]研究了集成絕熱CAES的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GTCC),其能源利用效率和效率分別達(dá)到90.81%和52.89%。此外,近年來(lái)還有學(xué)者研究了通過(guò)耦合集成先進(jìn)絕熱CAES提高火電機(jī)組靈活性的可行性[8-10]。

常規(guī)CAES采用定容儲(chǔ)氣,存在空氣節(jié)流損失和儲(chǔ)氣室容量浪費(fèi)等固有問(wèn)題,而恒壓CAES在儲(chǔ)能密度、往返效率(RTE)和運(yùn)行安全方面更具優(yōu)勢(shì)[11-12]。現(xiàn)有研究表明通過(guò)壓氣機(jī)旁路抽氣并結(jié)合壓縮空氣儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等措施,可有效提高燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)綜合能源效率和靈活性[13],若將恒壓CAES與壓氣機(jī)抽氣相結(jié)合則有望消減燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)間,進(jìn)一步提高系統(tǒng)能源利用效率和靈活性。筆者提出了一種集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng),建立了新型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,研究了恒壓CAES抽氣-釋氣流量調(diào)節(jié)策略對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

所構(gòu)建的集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)流程如圖1所示,其中燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)采用回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、吸收式制冷機(jī)配置方式,而恒壓CAES系統(tǒng)由壓氣機(jī)、換熱器、儲(chǔ)氣室、水泵/水輪機(jī)、噴射器和水箱組成,利用水壓能實(shí)現(xiàn)充/釋氣過(guò)程的恒壓運(yùn)行;α、β分別為抽氣系數(shù)和釋氣系數(shù)。在“以熱定電”運(yùn)行模式下,集成CAES的作用是平衡需求側(cè)電力負(fù)荷,提高系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)的響應(yīng)能力。

圖1 集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)及主要參數(shù)(抽氣、釋氣系數(shù)α、β均為0.1)

燃?xì)廨啓C(jī)排氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽供熱,或驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)供冷。當(dāng)需求側(cè)電負(fù)荷低于燃?xì)廨啓C(jī)輸出功時(shí),從壓氣機(jī)旁路抽取的部分空氣經(jīng)再壓縮后存入恒壓儲(chǔ)氣室,壓縮熱由換熱器回收外供,同時(shí)水泵/水輪機(jī)以水輪機(jī)模式回收儲(chǔ)氣室排水的液壓能輔助驅(qū)動(dòng)再壓縮機(jī),從而完成儲(chǔ)能過(guò)程;反之,恒壓儲(chǔ)氣室釋放的高壓空氣經(jīng)噴射器卷吸壓氣機(jī)中間抽氣,減壓后注入回?zé)崞饕栽黾尤細(xì)廨啓C(jī)輸出功,同時(shí)水泵/水輪機(jī)以水泵模式向儲(chǔ)氣室注水以維持恒壓。

2 熱力學(xué)模型

2.1 部件模型

2.1.1 壓氣機(jī)

壓氣機(jī)模型適用于壓氣機(jī)和再壓縮機(jī),出口參數(shù)由下式計(jì)算:

pc,o=πcpc,i

(1)

(2)

(3)

壓氣機(jī)耗功Wc為

Wc=qm,c(hc,o-hc,i)

(4)

式中:qm,c為通過(guò)壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量。

2.1.2 透平

透平出口參數(shù)由下式計(jì)算:

pt,o=pt,i/πt

(5)

(6)

ht,o=ht,i-(ht,i-hap)/ηt

(7)

式中:pt,i、pt,o分別為透平進(jìn)口和出口壓力;Tt,i、Tt,o分別為透平進(jìn)口和出口溫度;ht,i、ht,o、hap分別為透平進(jìn)口、出口和絕熱出口比焓;πt為透平壓比;ηt為透平絕熱效率。

透平輸出功Wt為

Wt=qm,t(ht,i-ht,o)

(8)

式中:qm,t為通過(guò)透平的空氣質(zhì)量流量。

2.1.3 燃燒室

忽略燃料進(jìn)口焓及散熱損失,則燃燒室能量和質(zhì)量守恒方程為

qm,cchcc,i+qm,fuLηcc=qm,ghg

(9)

qm,g=qm,fu+qm,cc

(10)

式中:qm,cc、hcc,i分別為燃燒室進(jìn)口空氣質(zhì)量流量和比焓;qm,g、hg分別為燃燒室出口燃?xì)赓|(zhì)量流量和比焓;qm,fu為燃料質(zhì)量流量;L為燃料低位熱值,取48.6 MJ/kg;ηcc為燃燒室效率,取0.98[14]。

則燃燒室出口壓力pcc,o為

pcc,o=(1-φcc)pcc,i

(11)

式中:pcc,i為燃燒室進(jìn)口壓力;φcc為燃燒室壓力損失系數(shù),取0.05[13]。

2.1.4 余熱鍋爐

余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱用于供熱或制冷,其輸出熱量Qb為

Qb=qm,b(hb,i-hb,o)ηb

(12)

式中:qm,b為通過(guò)余熱鍋爐的燃?xì)赓|(zhì)量流量;hb,i、hb,o分別為余熱鍋爐進(jìn)口和出口燃?xì)獗褥?ηb為余熱鍋爐熱效率。

2.1.5 換熱器

系統(tǒng)中換熱器涉及空冷器和回?zé)崞鲀深?其中空冷器利用供熱回水回收空氣壓縮熱,回?zé)崞鲃t利用低溫空氣回收高溫燃?xì)怙@熱。換熱器模型如下:

Ta,o=Ta,i(1-ε)+εTf,i

(13)

pa,o=pa,i(1-φhe)

(14)

式中:Ta,i、Ta,o、Tf,i分別為進(jìn)口空氣、出口空氣和進(jìn)口換熱流體溫度;pa,i、pa,o分別為進(jìn)口和出口空氣壓力;φhe為換熱器壓力損失系數(shù);ε為換熱器效能。

換熱器壓力損失系數(shù)φhe為

(15)

換熱器內(nèi)與空氣換熱的流體質(zhì)量流量qm,f為

(16)

式中:qm,he為通過(guò)換熱器的空氣質(zhì)量流量;cp,a、cp,f分別為空氣、換熱流體的比熱容。

2.1.6 水泵/水輪機(jī)

在儲(chǔ)能和釋能過(guò)程中,水泵/水輪機(jī)分別按水輪機(jī)和水泵模式工作。水輪機(jī)輸出功Why為

Why=qm,hyηhy(hhy,i-hhy,o)

(17)

式中:qm,hy為通過(guò)水輪機(jī)的水質(zhì)量流量;ηhy為水輪機(jī)效率;hhy,i、hhy,o分別為水輪機(jī)進(jìn)口和出口水的比焓。

水泵耗功Wp為

Wp=qm,pηp(hp,o-hp,i)

(18)

式中:qm,p為通過(guò)水泵的水質(zhì)量流量;hp,i、hp,o分別為水泵進(jìn)口和出口水的比焓;ηp為水泵效率。

2.1.7 噴射器

噴射器是本文構(gòu)建的新型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)關(guān)鍵部件,由主流噴嘴、吸入室、混合室和擴(kuò)壓室4個(gè)部分組成。參考文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16],噴射器采用一維等壓混合理論模型。

2.2 部件損失

Ed=Ei-Eo

(19)

式中:Ei、Eo分別為流入和流出部件的;Ed為部件損失。

Ei和Eo包括物理和化學(xué):

Ei=EW,i+∑qm,iei

(20)

Eo=EW,o+∑qm,oeo

(21)

式中:EW,i、EW,o分別為輸入和輸出部件的功;qm,i、qm,o分別為流入和流出部件的質(zhì)量流量;ei、eo分別為流入和流出部件的比。

e=h-h0-T0(s-s0)

(22)

式中:h為比焓;s為比熵;h0、T0、s0分別為參考狀態(tài)下的比焓、溫度和比熵。

Ed,c=qm,cΔec+Wc

(23)

Ed,t=qm,tΔet-Wt

(24)

Ed,cc=qm,ccecc,i-qm,gecc,o

(25)

Ed,b=qm,bΔeb

(26)

Ed,he=qm,heΔehe+qm,f[cp,fΔTf-

T0ln(Tf,i/Tf,o)]

(27)

Ed,p=qm,pΔep+Wp

(28)

Ed,hy=qm,hyΔehy-Why

(29)

Ed,e=∑qm,eiee,i-qm,eoee,o

(30)

式中:Ed,e為噴射器的損失;qm,ei、qm,eo分別為噴射器進(jìn)口和出口流體質(zhì)量流量;ee,i、ee,o分別為噴射器進(jìn)口和出口流體的比;Δei為流入和流出各個(gè)部件的比差;ΔTf為進(jìn)出口換熱流體溫差;Tf,o為出口換熱流體溫度;ecc,i、ecc,o分別為燃燒室進(jìn)口和出口流體的比。

2.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱電比γ可表示為

(31)

一次能源利用率ηen可表示為

(32)

式中:Q為系統(tǒng)外供熱量;Wn為系統(tǒng)輸出功。

當(dāng)需求側(cè)電負(fù)荷低于燃?xì)廨啓C(jī)輸出功時(shí),恒壓CAES單元以儲(chǔ)能模式運(yùn)行,系統(tǒng)輸出功和外供熱量可表示為

Wn=ηg(Wt+Why-Wc-Wre/ηm)

(33)

Q=∑qm,he(ha,i-ha,o)+Qb

(34)

式中:ηg為發(fā)電機(jī)效率;ηm為電動(dòng)機(jī)效率;Wrc為再壓縮機(jī)耗功;ha,i、ha,o分別為空冷器空氣進(jìn)口和出口比焓。

當(dāng)需求側(cè)電負(fù)荷高于燃?xì)廨啓C(jī)輸出功時(shí),恒壓CAES單元以釋能模式運(yùn)行,系統(tǒng)輸出功和外供熱量可表示為

Wn=ηg(Wt-Wc-Wp/ηm)

(35)

Q=Qb

(36)

(37)

式中:λfu為燃料系數(shù)。

2.4 模型驗(yàn)證

上述模型求解采用Matlab軟件,流體熱物性參數(shù)使用REFPROP 9.1軟件計(jì)算。利用文獻(xiàn)報(bào)道的絕熱CAES數(shù)據(jù)[17]和回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)據(jù)[18],對(duì)本文所建模型和算法進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1和表2。由此可見(jiàn),本文模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合較好,其中絕熱CAES計(jì)算相對(duì)誤差較高,但最大誤差不超過(guò)5.29%。

表1 絕熱CAES計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果與分析

3.1 模型輸入?yún)?shù)

基于本文所建模型,以額定功率10 MW回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)建的CCHP系統(tǒng)為對(duì)象,研究了不同抽氣、釋氣條件下集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。抽氣、釋氣系數(shù)定義如下:

(38)

(39)

式中:qm,st、qm,re分別為壓氣機(jī)旁路抽氣質(zhì)量流量和儲(chǔ)氣室放氣質(zhì)量流量。

系統(tǒng)的熱力學(xué)分析輸入?yún)?shù)如表3所示。

表3 熱力學(xué)分析輸入?yún)?shù)[17-18]

3.2 熱力學(xué)特性分析

燃?xì)廨啓C(jī)變負(fù)荷調(diào)節(jié)策略主要有壓氣機(jī)流量調(diào)節(jié)和透平初溫調(diào)節(jié)2種,其中壓氣機(jī)流量通過(guò)改變進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉角度來(lái)調(diào)節(jié),但這會(huì)使壓氣機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況,絕熱效率降低,從而拖累機(jī)組效率。本文構(gòu)建的新型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP采用聯(lián)合壓氣機(jī)旁路抽氣與恒壓CAES的調(diào)節(jié)策略,通過(guò)改變抽氣系數(shù)和釋氣系數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱、電輸出功率,使壓氣機(jī)始終運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下。考慮壓氣機(jī)和透平通流匹配,壓氣機(jī)旁路抽氣量通常不高于工質(zhì)流量的20%,因而本文研究的抽氣、釋氣系數(shù)范圍取0～0.2。

3.2.1 儲(chǔ)能過(guò)程

當(dāng)需求側(cè)電負(fù)荷降低時(shí),恒壓CAES單元以儲(chǔ)能方式運(yùn)行。儲(chǔ)能過(guò)程中,集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)運(yùn)行特性如圖2～圖4所示。圖2為不同抽氣系數(shù)下系統(tǒng)熱、電輸出功率和熱電比的變化規(guī)律。由圖2可知,隨著抽氣系數(shù)增大,系統(tǒng)輸出的電功率降低,而輸出的熱功率反而提高。這是由于壓氣機(jī)旁路抽氣使透平工質(zhì)流量降低,透平做功減少,系統(tǒng)輸出的電功率相應(yīng)降低。另外,雖然余熱鍋爐的輸出熱減少,但抽氣及再壓縮熱的補(bǔ)充使系統(tǒng)總輸出熱增加。相比之下,系統(tǒng)輸出電功率的降幅顯著高于輸出熱功率的增幅,當(dāng)抽氣系數(shù)為0.2時(shí)兩者的相對(duì)變化率分別達(dá)到57.3%和26.1%,如圖3所示。由圖2還可以發(fā)現(xiàn),隨著抽氣系數(shù)增大,CAES儲(chǔ)能過(guò)程中新型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)的熱電比快速增加,當(dāng)抽氣系數(shù)為0.2時(shí)可達(dá)2.27,相對(duì)原型CCHP系統(tǒng)提高了193%。

圖2 不同抽氣系數(shù)下輸出功率和熱電比

圖3 不同抽氣系數(shù)下輸出功率相對(duì)變化率

圖4 不同抽氣系數(shù)下一次能源利用率和效率

3.2.2 釋能過(guò)程

當(dāng)需求側(cè)電負(fù)荷增加時(shí),恒壓CAES單元以釋能方式運(yùn)行。釋能過(guò)程中,集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)運(yùn)行特性如圖5～圖7所示。圖5為不同釋氣系數(shù)下系統(tǒng)熱、電輸出功率和熱電比的變化規(guī)律。由圖5可知,隨著釋氣系數(shù)增大,系統(tǒng)輸出的電功率顯著增加,而輸出的熱功率穩(wěn)定并略有降低。這是由于釋氣增加了透平工質(zhì)流量和做功,同時(shí)引射中間抽氣減少了壓氣機(jī)耗功,從而使系統(tǒng)輸出的電功率增加。另外,雖然余熱鍋爐的燃?xì)饬髁吭黾?但釋氣參與回?zé)崾谷細(xì)膺M(jìn)口溫度降低,系統(tǒng)輸出的熱功率幾乎不變。

圖5 不同釋氣系數(shù)下輸出功率和熱電比

當(dāng)抽氣系數(shù)為0.2時(shí),系統(tǒng)輸出的電功率增加到13.3 MW,相對(duì)額定工況的增幅可達(dá)33.4%,系統(tǒng)輸出的熱功率相對(duì)減少了0.92%,如圖6所示。由圖5還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)抽氣系數(shù)為0.2時(shí),CAES釋能過(guò)程中新型CCHP系統(tǒng)的熱電比減小到0.58,相對(duì)原型CCHP系統(tǒng)降低了25.75%。

圖6 不同釋氣系數(shù)下輸出功率相對(duì)變化率

圖7 不同釋氣系數(shù)下一次能源利用率和效率

4 結(jié)論

(1) 建立了壓氣機(jī)、燃燒室、透平、余熱鍋爐、換熱器、噴射器、水泵/水輪機(jī)等部件和系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,利用文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,表明模型計(jì)算結(jié)果吻合較好,滿足工程應(yīng)用。

(2) 對(duì)基于額定功率10 MW回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的CCHP系統(tǒng),抽氣系數(shù)和釋氣系數(shù)在0～0.2內(nèi)時(shí),系統(tǒng)熱電比范圍達(dá)到0.58～2.27,一次能源利用率穩(wěn)定在58.1%～59.5%,效率不低于32.2%。

(3) 抽氣-釋氣流量策略適用于集成恒壓CAES的燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié),可在不減少熱負(fù)荷的前提下拓寬熱電比范圍,實(shí)現(xiàn)寬工況高效運(yùn)行。