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壓縮空氣蓄能系統熱經濟學分析鹿院衛,劉廣林,馬重芳,呂鵬飛

作者:admin來源:本網 日期:2017-11-16 13:31:13 人氣: 標簽:

  +熱力循環壓縮空氣蓄能系統熱經濟學分析鹿院衛,劉廣林,馬重芳,呂鵬飛(北京工業大學環境與能源工程學院傳熱強化與過程節能教育部重點。其原理為:在用電低谷,空氣經兩級壓縮后被常溫儲存于貯氣室中,電能轉化為空氣壓縮能量儲存,此過程空氣冷卻所釋放的熱量排放于大氣中;用電高峰時空氣先經回熱換熱器,利用燃氣輪機尾氣余熱加熱后進入汽輪機(AT)做功,然后與天然氣在燃燒室混合燃燒進入燃氣輪機(GT)做功,完成一個循環。本文研究的超臨界壓縮空氣蓄能系統則采用5~6所提出的模式,考慮到系統工質參數,蓄能系統采用兩級壓縮,中間冷卻的方式,以降低系統的壓縮功,膨脹機采用兩級膨脹做功方式,如所示。系統工作原理為:在用電低谷時將低價電能用于壓縮空氣進行蓄能,空氣先由低壓壓縮機(LP)壓縮后在高溫蓄能換熱器(HS1)中換熱并蓄熱后進入高壓壓縮機(HP)壓縮,再進入高、低溫蓄熱換熱器(HS1、HS2)換熱、蓄能,最后經節流閥節流降溫進入儲液罐以液態形式儲存空氣;在用電高峰時,空氣由工質泵P加壓后依次進入低、高溫蓄熱換熱器進行加熱,然后進入高壓汽輪機(HT)膨脹做功后再經高溫蓄熱換熱器換熱,最后進入低壓膨脹機(LT)做功,完成一個循環過程。

  超臨界壓縮空氣蓄能系統與CAES的最大區別在于:超臨界壓縮空氣蓄能系統儲存工質為儲存于低溫灌中的常壓低溫液態空氣,解決了CAES系統工質以常溫高壓狀態儲存于大空間的特殊地理條件的限制,且不需要燃氣輪機等設備,系統工藝相對簡單,從而大大減少了系統的初投資;其次CAES系統的天然氣燃燒放熱做功過程是整個系統的核心,而超臨界壓縮空氣蓄能系統則無此過程,工質在系統膨脹做功過程需要的熱量來自壓縮空氣蓄能過程中存儲于蓄熱器中的熱量,同時也可利用其它廢熱或太陽能等可再生能源,提高了能量的利用。

  對兩系統經濟性進行分析時,按照設備功能將系統分成不同的子系統,如和虛線框所示。

  其中虛線框帶圈數字為子系統的編號,數字管道編號為子系統物理娟流的編號,箭頭為工質流動方向。

  2熱經濟學矩陣分析2.1熱經濟學熱經濟學(姻經濟學)是一種把熱力學分析與經濟因素相結合的分析方法,即同時考慮系統的物理環境與經濟環境。基本思路是把系統內部及系統與外界相互作用的物質、能量和現金都作為流,構建質量平衡、能量平衡和現金平衡關系式,從而得到評價系統的信息。熱經濟學分析的模式主要有會計模式、優化模式、結構系統模式和符號姻經濟學模式。符號姻經濟模式也叫矩陣模式,它是以熱力學第二定律定義的效率為基礎,其姻單價反映系統內部的損失和獲得單位產品姻所要付出的代價,是綜合前幾種模式的熱經濟學的新成就。本研究采用矩陣模式對系統經濟性進行分析。

  2.2系統主要參數表1GT10B參數數值額定電效率/%34.2燃料類型天然氣(q將空氣溫度和壓力(t=27C,=0.1MPa)作為基準點計算,CAES中空氣質量流量為78.8kg/s,天然氣的質量流量為1.6 kg/s,兩級壓縮機的效率為85%,壓縮比為8;汽輪機(AT)的效率為80%,膨脹比為4.5.儲氣室工質參數為P C.超臨界壓縮空氣蓄能系統取工質的質量流量為1 kg/s,工質泵效率為0.75.工質經節流閥前壓力戶=6.4MPa及溫度t=-188C,經節流閥后以液態形式儲存于儲液罐中,壓力和溫度分別為=0.1MPa,t=-194.5C.系統的管網的阻力損失為0.1 MPa,工質泵的出口壓力為6.3MPa.超臨界壓縮空氣系統壓縮機和空氣膨脹機效為85%和80%,其壓比分別為8和7.9.換熱器傳熱溫差取6 C.CAES用型號為GT10B型燃氣輪機做仿真計算,具體參數如表1所示。

  2.3數學模型的建立各姻流與子系統之間的關系可用事件矩陣來表示,其中i表示系統中子系統的數目,表示系統中姻流股數。對CAES系統,其子系統數目i =6,姻流股數為=14.若矩陣中元素0表示第股姻流與子系統i沒有關系,若矩陣中元素=1表示第股火用流流入子系統i,若矩陣中元素、=-1表示第股姻流流出子系統i.以計算結果進行分析,的具體計算可參閱9,則矩陣A表示為:由于每個子系統只能建立一個現金平衡方程,即可列6個現金方程式,而需求解的姻流現金數目為14,要使系統計算結果唯一則需要補充-i即8個方程,其方程補充原則為°8:(1)從外部輸入系統姻流的單位姻成本按市場價格計算;(2)對于多產品輸出的子系統,按各產品單位姻成本相等的原則;(3)若子系統的‘’燃料“為雙線流,則構成雙線流的兩股姻流的單位火用成本相等;(4)若姻流為內部產品,則按單價相等的原則計算。

  按照上述原則,建立中求解所需補充方程式,即:按照原則(1),所示系統中的子系統①、②和⑥中,輸入子系統的單位姻流成本按市場價格計算,以子系統①為例,則補充方程為:按照原則(2),則對多產品的子系統④和⑤,各產品姻單價相等的原則建立兩個補充方程,研究系統中④號子系統可建立的補充方程式為:按原則(3),子系統的“燃料”為雙線流,則其輸入和輸出子系統的姻單價相等,研究系統中可建立3個方程式,由于考慮到間冷卻器和后冷卻器的作用,未對其劃分子系統,但輸入與輸出冷卻器的姻流單價相等,即可列兩個方程式及子系統③建立補充方程式為:在本研究系統中無內部產品,按上述3個原則可建立所需8個方程式。將式(1)~式(3)寫成式的形式,即:由事件矩陣A及補充方程構建擴展矩陣A,如表3所示,按照方程:進行求解得到各相應編號姻流的現金值C,單位為元/M,用矩陣可表示為;矩陣Ed為由系統按編號點的姻流依次為主對角線點構成的(x)階矩陣;W1為輸入子系統的總姻價,式(2)和式(3)中E為中相應姻流編號點的姻值,a為與補充方程式各姻流值倒數相關的數,其與矩陣A共同構成擴展矩陣A.矩陣Z(14x1)由系統輸入能量和非能量費用構建的費用向量,如如設備折舊費、人工費等。非能量費用對系統日常運行費用及系統經濟性有重要的影響,超臨界壓縮空氣蓄能系統與CAES相比,沒有燃氣輪機的燃燒室和所需較大的儲存空間所帶來的初投資,但增加了蓄能系統的初投資;系統在日常的維護費用也相對CAES較少。在研究中考慮到設備初投資及人工費的不確定性,暫不考慮非能量費用對系統的影響,僅考慮初始輸入系統的能量費用,即壓縮機消耗電能和消耗天然氣的費用,Z=(W1,0,0,0,0,0,0,0,0,W9,0,0,0,0,0)T,其中W1和W9為單位時間輸入系統的電能和天然氣的總價。

  在此計算過程中,系統姻是不斷減小的,而輸入的現金值是平衡的,在姻值減小的過程中,將單位姻值的現金值向產品方向傳遞。

  一E一-奇-士表2相應編號煳值及單位成本3計算結果及分析計算電價以北京市電網峰谷分時市場電價為依據,選取大工業110kV低谷蓄能電價為0.3099元パkWh),其高峰電價為0.7537元パkWh)。

  天然氣的價格取2元/m3,得到兩種系統單位成本如表2所示。

  從表2中的計算結果可以看出,超臨界壓縮空氣蓄能系統的輸出電價為0.4757元パkW CAES輸出的電價按加權平均值計算為0.5313元パkWh)(空氣膨脹機和燃氣輪機輸出電價分別為153.7和144.3元/G)。可見超臨界壓縮空氣蓄能系統的電價比CAES的略低,且兩種系統輸出的電價都低于110 kV大工業高峰電價0.7537元/kW,因此超臨界壓縮空氣蓄能系統較CAES更經濟可行,可以達到調節電網的目的;從系統對環境效益方面看,超臨界壓縮空氣蓄能系統在空氣膨脹做功過程所需熱源為壓縮空氣在換熱器中釋放的儲存于蓄熱器中的熱量而不使用天然氣燃燒釋放的熱量,因此系統所排放的溫室氣體幾乎為零。

  隨著碳排放征收關稅計入成本及燃氣價格的升高,超臨界壓縮空氣蓄能系統相對于CAES的環境價值和經濟優勢更顯著。

  4結論利用熱經濟學方法對兩種蓄能系統經濟性對比,輸入系統電價以北京區域電網峰谷分時電價110 KW低谷電價0.309元パkWh),天然氣價為2元/m3計算,超臨界壓縮空氣蓄能系統輸出電價為0.475元讓賈。11)比CAES系統輸出電價0.531元パkWh)要低,且都低于峰谷電價0.753元/(kWh),表明超臨界壓縮空氣蓄能系統更加經濟。

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