空氣蓄能系統(tǒng)的組態(tài)方案

空氣蓄能系統(tǒng)的組態(tài)方案

發(fā)電系統(tǒng)的研究coes系統(tǒng)包括壓力裝置、電機、收割機（m.g）、地下儲存空間、換能器、蒸汽機、汽油（gt）、分離器（c）和其他一般設備，可分為兩個子系統(tǒng)：蓄能子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)（如圖1所示）。CAES的工作原理是蓄能子系統(tǒng)中將電站低谷的低價電能驅(qū)動空氣壓縮機壓縮空氣,在巖穴、廢棄礦井等儲氣室中儲存能量,此時通過聯(lián)軸器壓氣機與電動機耦合;電力系統(tǒng)峰荷時,發(fā)電機與燃氣輪機耦合,利用儲存的壓縮空氣燃燒發(fā)電,即發(fā)電子系統(tǒng)。在20世紀90年代開始隨著相關技術的逐步完善,以及各國對能源電力質(zhì)量、環(huán)境保護的更高要求,一些國家開始重視此方面的研究工作。目前,世界上只有德國和美國等少數(shù)國家建成CAES示范性電站。世界上第一個CAES電站德國HuntdorfCAES電站機組容量290MW,其冷態(tài)啟動至滿負荷僅需6min,在25%負荷時的熱耗僅比滿負荷高211kJ,其排放量僅是同容量燃氣輪機機組的1/3,在1978年投產(chǎn)至今二十多年運行實踐證明,CAES是一項靈活可靠的技術,可迅速滿足各種變負荷的要求,可在短時間鐘內(nèi)完成冷態(tài)啟動到滿負荷過程,有良好的負荷跟蹤和頻率控制特性,能遠距離自動控制。美國Ohio州從2001年起開始建一座2700MW的大型CAES商業(yè)電站,該電站由9臺300MW機組組成。另外日本、以色列、芬蘭、韓國等國也展開了此方面的研究工作并已在開始建設CAES電站。CAES系統(tǒng)根據(jù)容量等實際的需要,CAES系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)可由不同的設備組態(tài)而成。本文主要考慮發(fā)電子系統(tǒng)集成、性能計算及優(yōu)化。2直接進入燃氣輪機作功方案文中進行發(fā)電子系統(tǒng)的集成與計算,因此在蓄能子系統(tǒng)部分,采用相同的設備。在發(fā)電子系統(tǒng),CAES系統(tǒng)所用燃氣輪機和簡單燃氣循環(huán)一樣,因此CAES系統(tǒng)所用燃氣輪機可直接選用常規(guī)燃氣輪機。集成方案主要在于回熱及再熱的選擇和布置方式。方案1:系統(tǒng)在發(fā)電子系統(tǒng)中無再熱和換熱器,壓縮空氣直接進燃燒室燃燒后進入燃氣輪機作功。這種方案相當于把簡單的燃氣輪機循環(huán)分解成兩部分。如圖1。方案2:系統(tǒng)在發(fā)電子系統(tǒng)中有再熱,無換熱器,在貯氣室出來的壓縮空氣燃燒后首先進高壓缸膨脹作功,高壓排氣再進燃燒室加熱后進入低壓缸膨脹作功。方案3:系統(tǒng)在發(fā)電子系統(tǒng)中無再熱,但有換熱器,壓縮空氣經(jīng)燃氣輪機排氣預熱后進燃燒室燃燒,然后進入燃氣輪機作功。方案4:在貯氣室出來的壓縮空氣首先用燃氣輪機排氣余熱進行加熱,然后進入空氣透平膨脹作功,空氣透平排氣進入燃燒室加熱后進入燃氣輪機膨脹作功。方案5:在貯氣室出來的壓縮空氣首先經(jīng)換熱器,然后進入燃燒室加熱進高壓缸膨脹作功,高壓排氣再進燃燒室再熱后進入低壓缸膨脹作功。方案6:在貯氣室出來的壓縮空氣首先用燃氣輪機排氣余熱進行加熱,然后進入空氣透平膨脹作功,空氣透平排氣進入燃燒室加熱后進入燃氣輪機膨脹作功,此處燃氣輪機排氣經(jīng)過燃燒器加熱,燃燒室布置方式和方案5有所不同。各方案圖形詳見文獻。3機組主要參數(shù)適合我國情況,選用轉(zhuǎn)速3000r/min的機組,較大型的機組選用美國通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的PG9171E型機組,主要參數(shù)為:中型的機組選用我國南京汽輪電機公司生產(chǎn)的RF6561性機組,其主要參數(shù)為:計算中燃料為天然氣,低位發(fā)熱量LHV=41960kJ/kg。燃氣的熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)來源于文獻,空氣熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)來源于文獻。為了便于做對比分析,設壓縮空氣蓄能子系統(tǒng)采用相同的子系統(tǒng),壓縮空氣貯存于地下670.6m(2200feet)的石灰石洞穴內(nèi),存貯洞穴容積為9.57×106m3(338×106feet3),洞穴內(nèi)最大保持氣體壓力103.42×105Pa(1500psi),可以流量為340kg/s,壓力61×105,溫度30℃的參數(shù)連續(xù)提供18天的壓縮空氣,此參數(shù)壓縮空氣壓縮耗電為Nc=0.172(kW·h/kg)。4性能評價方法的分析4.1熱效率ηeCAES系統(tǒng)發(fā)電能量來自兩方面,一方面是壓縮空氣本身能量,此處用壓縮空氣耗功計算,另一方面來自于天然氣的化學能。則可得熱效率為:4.2發(fā)電熱耗計算對于CAES系統(tǒng)中的發(fā)電熱經(jīng)濟性數(shù)據(jù),也可采用發(fā)電熱耗HR及發(fā)電壓縮空氣電耗ER來計算。發(fā)電熱耗為燃料帶入熱量和發(fā)電量之比:發(fā)電電耗為壓縮空氣所消耗電量和發(fā)電量之比:4.3效率e2根據(jù)壓縮空氣所消耗的值,燃料所帶入值以及發(fā)電輸出值,可以計算傭效率ηe2。根據(jù)以上公式計算不同方案效率,可得出效率數(shù)據(jù)和熱效率相同。4.4峰谷電價差的考慮CAES系統(tǒng)將低谷電能轉(zhuǎn)變?yōu)榉搴呻娔?顯然不能把這二者完全等效。因此必須考慮峰谷電價差,假設采用二部制電價,取低谷負荷電價是尖峰負荷的電價的0.6倍?？傻谜鬯銦嵝师莈3為:4.5電功率隨功率變化的特性即簡單燃氣輪機電站改為CAES電站之后,發(fā)電功率的變化倍數(shù),此處對于某些方案因為用到了高壓缸或空氣透平,因此并不嚴格是原來氣缸的功率增大倍數(shù)。此處Peg為簡單燃氣輪機凈功率。5集成方案對最大效率和效率的影響針對不同集成方案,CAES系統(tǒng)方案1和方案3燃氣輪機燃氣進出口參數(shù)和簡單燃氣輪機循環(huán)相同。對于方案2和方案5中,發(fā)電子系統(tǒng)中包括高壓缸,其內(nèi)效率取88%,其低壓缸和簡單燃氣輪機參數(shù)相同。對于方案4和方案6,系統(tǒng)包含空氣透平,空氣透平內(nèi)效率取88%,其低壓缸和簡單燃氣輪機參數(shù)相同。CAES系統(tǒng)壓縮空氣經(jīng)過換熱器預熱,取燃氣排氣在換熱器中壓損為0.08×105Pa,出口溫度為100℃。機械效率ηm,文中取99%,發(fā)電效率ηg,文中取99%,燃燒室效率ηb,文中取99%。對于不同方案性能計算結果示于表1。通過表1,我們可以看到,對于不同的集成方案,其主要性能參數(shù)有所不同,并且不同集成方案熱效率差別很大。采取優(yōu)化的集成方案5或集成方案6,熱效率可以接近60%左右,可以和燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)相比,比簡單的燃氣輪機循環(huán)高得多。因此可見,CAES電站在目前的電力市場中還是有競爭力的。6激發(fā)燃氣氣動器特性對比(1)CAES系統(tǒng)中發(fā)電子系統(tǒng),主要包含燃氣輪機,燃燒室、發(fā)電機、換熱器等常用設備,對于這些設備采取不同的組態(tài)方式,給出6種不同的CAES系統(tǒng)集成方案。并進行了性能仿真和計算。(2)通過不同方案對比可見,CAES系統(tǒng)中存在回熱可大幅度提高凈效率。在優(yōu)化方案5中凈效率可達59%以上。(3)方案5和方案6采用的設備基本相同,但是設備放置的位置不同,則熱效率不同。在方案6中,加入到燃氣排氣中的燃料的化學能在經(jīng)過回熱器時,因為回熱度只有0.7左右,所以相對于方案效率有所降低。(4)對于同一臺燃氣輪機,應用在CAES后,其發(fā)電功率提高了很多,針對GE的燃機,再結合高壓缸或空氣透平,6種方案其功率分別為簡單燃機功率的2.67倍,3.66倍,2.67倍,3.44倍,3.56倍,3.56倍。(5)應用對于CAES性能評價的不同評價標準,