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(jī)、收割機(jī)（m.g）、地下儲(chǔ)存空間、換能器、蒸汽機(jī)、汽油（gt）、分離器（c）和其他一般設(shè)備，可分為兩個(gè)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(jià)電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣,在巖穴、廢棄礦井等儲(chǔ)氣室中儲(chǔ)存能量,此時(shí)通過(guò)聯(lián)軸器壓氣機(jī)與電動(dòng)機(jī)耦合;電力系統(tǒng)峰荷時(shí),發(fā)電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)耦合,利用儲(chǔ)存的壓縮空氣燃燒發(fā)電,即發(fā)電子系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代開(kāi)始隨著相關(guān)技術(shù)的逐步完善,以及各國(guó)對(duì)能源電力質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)的更高要求,一些國(guó)家開(kāi)始重視此方面的研究工作。目前,世界上只有德國(guó)和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家建成CAES示范性電站。世界上第一個(gè)CAES電站德國(guó)HuntdorfCAES電站機(jī)組容量290MW,其冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷僅需6min,在25%負(fù)荷時(shí)的熱耗僅比滿負(fù)荷高211kJ,其排放量?jī)H是同容量燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的1/3,在1978年投產(chǎn)至今二十多年運(yùn)行實(shí)踐證明,CAES是一項(xiàng)靈活可靠的技術(shù),可迅速滿足各種變負(fù)荷的要求,可在短時(shí)間鐘內(nèi)完成冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷過(guò)程,有良好的負(fù)荷跟蹤和頻率控制特性,能遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。美國(guó)Ohio州從2001年起開(kāi)始建一座2700MW的大型CAES商業(yè)電站,該電站由9臺(tái)300MW機(jī)組組成。另外日本、以色列、芬蘭、韓國(guó)等國(guó)也展開(kāi)了此方面的研究工作并已在開(kāi)始建設(shè)CAES電站。CAES系統(tǒng)根據(jù)容量等實(shí)際的需要,CAES系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)可由不同的設(shè)備組態(tài)而成。本文主要考慮發(fā)電子系統(tǒng)集成、性能計(jì)算及優(yōu)化。2直接進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)作功方案文中進(jìn)行發(fā)電子系統(tǒng)的集成與計(jì)算,因此在蓄能子系統(tǒng)部分,采用相同的設(shè)備。在發(fā)電子系統(tǒng),CAES系統(tǒng)所用燃?xì)廨啓C(jī)和簡(jiǎn)單燃?xì)庋h(huán)一樣,因此CAES系統(tǒng)所用燃?xì)廨啓C(jī)可直接選用常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)。集成方案主要在于回?zé)峒霸贌岬倪x擇和布置方式。方案1:系統(tǒng)在發(fā)電子系統(tǒng)中無(wú)再熱和換熱器,壓縮空氣直接進(jìn)燃燒室燃燒后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)作功。這種方案相當(dāng)于把簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)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(wú)換熱器,在貯氣室出來(lái)的壓縮空氣燃燒后首先進(jìn)高壓缸膨脹作功,高壓排氣再進(jìn)燃燒室加熱后進(jìn)入低壓缸膨脹作功。方案3:系統(tǒng)在發(fā)電子系統(tǒng)中無(wú)再熱,但有換熱器,壓縮空氣經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)排氣預(yù)熱后進(jìn)燃燒室燃燒,然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)作功。方案4:在貯氣室出來(lái)的壓縮空氣首先用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱進(jìn)行加熱,然后進(jìn)入空氣透平膨脹作功,空氣透平排氣進(jìn)入燃燒室加熱后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹作功。方案5:在貯氣室出來(lái)的壓縮空氣首先經(jīng)換熱器,然后進(jìn)入燃燒室加熱進(jìn)高壓缸膨脹作功,高壓排氣再進(jìn)燃燒室再熱后進(jìn)入低壓缸膨脹作功。方案6:在貯氣室出來(lái)的壓縮空氣首先用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱進(jìn)行加熱,然后進(jìn)入空氣透平膨脹作功,空氣透平排氣進(jìn)入燃燒室加熱后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹作功,此處燃?xì)廨啓C(jī)排氣經(jīng)過(guò)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(jiàn)文獻(xiàn)。3機(jī)組主要參數(shù)適合我國(guó)情況,選用轉(zhuǎn)速3000r/min的機(jī)組,較大型的機(jī)組選用美國(guó)通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的PG9171E型機(jī)組,主要參數(shù)為:中型的機(jī)組選用我國(guó)南京汽輪電機(jī)公司生產(chǎn)的RF6561性機(jī)組,其主要參數(shù)為:計(jì)算中燃料為天然氣,低位發(fā)熱量LHV=41960kJ/kg。燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn),空氣熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)。為了便于做對(duì)比分析,設(shè)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(píng)價(jià)方法的分析4.1熱效率ηeCAES系統(tǒng)發(fā)電能量來(lái)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(jì)算,另一方面來(lái)自于天然氣的化學(xué)能。則可得熱效率為:4.2發(fā)電熱耗計(jì)算對(duì)于CAES系統(tǒng)中的發(fā)電熱經(jīng)濟(jì)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(lái)計(jì)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(jì)算傭效率ηe2。根據(jù)以上公式計(jì)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(jià)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(jià)差,假設(shè)采用二部制電價(jià),取低谷負(fù)荷電價(jià)是尖峰負(fù)荷的電價(jià)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(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)電站改為CAES電站之后,發(fā)電功率的變化倍數(shù),此處對(duì)于某些方案因?yàn)橛玫搅烁邏焊谆蚩諝馔钙?因此并不嚴(yán)格是原來(lái)氣缸的功率增大倍數(shù)。此處Peg為簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)凈功率。5集成方案對(duì)最大效率和效率的影響針對(duì)不同集成方案,CAES系統(tǒng)方案1和方案3燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)膺M(jìn)出口參數(shù)和簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)相同。對(duì)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(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)相同。對(duì)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(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)相同。CAES系統(tǒng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)換熱器預(yù)熱,取燃?xì)馀艢庠趽Q熱器中壓損為0.08×105Pa,出口溫度為100℃。機(jī)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(duì)于不同方案性能計(jì)算結(jié)果示于表1。通過(guò)表1,我們可以看到,對(duì)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?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)相比,比簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)高得多。因此可見(jiàn),CAES電站在目前的電力市場(chǎng)中還是有競(jìng)爭(zhēng)力的。6激發(fā)燃?xì)鈿鈩?dòng)器特性對(duì)比(1)CAES系統(tǒng)中發(fā)電子系統(tǒng),主要包含燃?xì)廨啓C(jī),燃燒室、發(fā)電機(jī)、換熱器等常用設(shè)備,對(duì)于這些設(shè)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(jìn)行了性能仿真和計(jì)算。(2)通過(guò)不同方案對(duì)比可見(jiàn),CAES系統(tǒng)中存在回?zé)峥纱蠓忍岣邇粜?。在?yōu)化方案5中凈效率可達(dá)59%以上。(3)方案5和方案6采用的設(shè)備基本相同,但是設(shè)備放置的位置不同,則熱效率不同。在方案6中,加入到燃?xì)馀艢庵械娜剂系幕瘜W(xué)能在經(jīng)過(guò)回?zé)崞鲿r(shí),因?yàn)榛責(zé)岫戎挥?.7左右,所以相對(duì)于方案效率有所降低。(4)對(duì)于同一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī),應(yīng)用在CAES后,其發(fā)電功率提高了很多,針對(duì)GE的燃機(jī),再結(jié)合高壓缸或空氣透平,6種方案其功率分別為簡(jiǎn)單燃機(jī)功率的2.67倍,3.66倍,2.67倍,3.44倍,3.56倍,3.56倍。(5)應(yīng)用對(duì)于CAES性能評(píng)價(jià)的不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),