王佳莹,高毅超,曹越,戴义平

(1.西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)



湿空气透平循环的压缩空气储能热电联供系统热力学分析

王佳莹1,2,高毅超1,2,曹越1,2,戴义平1,2

(1.西安交通大学叶轮机械研究所,710049,西安;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)

为提高传统压缩空气储能系统(CAES)的发电功率和能量利用率,设计了一种热电联供型湿空气透平循环的压缩空气储能系统(CAES-HAT),其将水作为压缩过程储热介质、通过合理利用压缩热和排气热量、以湿空气和水为工质分别对外输出电量和热量,同时分析了关键参数对系统燃烧室燃料质量流量、透平功率、供电量、供热量和系统效率的影响,揭示了释能机组进口工质温度随参数变化的规律。研究结果表明,与传统CAES相比,CAES-HAT具有更高的发电功率和效率,在给定系统条件下机组发电功率增加19.17%,达到354.75 MW,供热功率达到66.36 MW,相同发电量下节省燃料18.17%,系统效率达到58.14%。释能机组的参数对发电功率影响明显,供电量和供热量对水气比变化敏感,该结果可为CAES系统优化提供参考。

压缩空气储能;湿空气;热电联供

储能系统对于优化能源结构和维持电网稳定具有重要意义,压缩空气储能系统(compressed air energy storage, CAES)作为技术成熟的大规模机械储能方式,具有成本低、寿命长等优点[1],但其发电量依赖于储气装置容积,地理条件也限制了大型CAES系统的推广[2]。为提高CAES系统发电量和适用性,Najjar等在CAES系统基础上通过增设饱和器建立了CASH系统并将其与原系统进行对比,发现CASH系统具有更高的发电量及发电效率[3-4]。赵攀等建立了CAES-HAT系统,其利用压缩热和透平乏气热量加热循环水,并对系统性能进行了分析和优化[5]。

由于湿空气透平(HAT)循环需水量大,经饱和器的高温水能量大部分输出为低品位热能,间接增加了系统用水量和燃料质量流量,降低了供电效率。为了进一步利用乏气热量,本文将水作为压缩过程储热介质,提出了一种CAES-HAT热电联供系统,其将饱和器出口的部分低温水进行循环再加热,将未循环的低温水热量进行回收。做功乏气热量采用分级利用,分别用来加热饱和器出口工质、部分饱和器出口低温水和储气室出口干空气。本文还对所提系统的部分关键参数进行了热力学分析。

1 热电联供系统

1.1 CAES-HAT

CAES-HAT系统如图1所示,储能过程和释能过程均分为两级。此系统包含的3个子系统分别为储能系统、释能系统和水循环系统。

图1 CAES-HAT热电联供系统示意图

储能系统基本组件为压气机、间冷器和储气室,其将可利用的电能或可再生能源转换为空气的机械能和水的热能,级后高温空气与低温储水箱中水进行热量交换后存储在储气室中,低温水吸收热量后储存在高温储水箱中。水循环系统包括低温水箱、高温水箱、水泵和供热换热器。在释能阶段,干空气经低温回热器后与高温水分别从底部和上部同时进入饱和器,在饱和器内部逆向流动,高温水被蒸发降温,干空气被加热、加湿。饱和器出口产生饱和湿空气和部分低温水。低温水分流,一部分经过中温回热器后与高温水箱中的水混合重新参与到气水循环中,另一部分作为系统对外供热热源进入到供热换热器。释能系统包括高压透平、低压透平以及对应燃烧室,高温回热器、中温回热器、低温回热器分别用来加热饱和湿空气、部分低温水和低温压缩空气。

1.2 系统模型

为了简化系统计算模型[5-7],对分析过程进行如下假设:①干空气组分设定为质量分数为76%的N2和24%的O2;②储能和释能过程中系统处于稳定状态;③燃烧室绝热且燃料燃烧充分,饱和器绝热,出口湿空气为饱和状态;④各换热器冷端和热端温差都必须大于现有技术上所能达到的最小值,气-气换热器最小温差为10 ℃,气-水换热器最小温差为5 ℃;⑤最低排气温度为354 K;⑥压气机和透平绝热效率不变;⑦除间冷器、回热器和饱和器外,其他压损忽略不计。

系统各状态点的空气、水蒸气等做功过程均作为实际气体处理,并考虑其热力性质随温度和压力的变化。

饱和器出口温度[8]

(1)

式中:Twt(air,in)为进入饱和器的空气湿球温度;ΔT至少为4 K。

透平功率

(2)

式中:Δhs为透平等熵焓降;ηtur为透平绝热效率;mha和mc分别为湿空气和燃烧室燃料的质量流量。

供电量和供热量分别为

(3)

(4)

式中:mw和Δhh分别为供热换热器工质流量和焓降;t为系统释能时间。

系统效率

(5)

(6)

(7)

式中:Wc为储能过程压缩功;Wpump为系统所耗泵功;Qfuel为输入系统燃料热量。

2 系统热力学分析

2.1 系统分析

采用REFPROP软件[9]对状态点进行物性查询,以Matlab为平台对系统热力学特性进行分析。系统相关部件及运行参数见表1,部分参数参照德国Huntorf CAES电站[10]选取。

表1 系统运行参数

系统性能如表2所示,CAES-HAT系统效率达到58.14%,相同释能空气质量流量下发电功率达到354.75 MW,与传统CAES电站相比提高了19.17%,燃烧过程所需天然气流量为9.42 kg/s,相同发电量情况下可节省燃料18.17%。

表2 CAES-HAT与传统CAES系统性能比较

2.2 系统热力学分析

高压透平进口温度对系统性能的影响如图2所示。图2a显示,一级燃烧室燃料质量流量mc1升高,二级燃烧室燃料质量流量mc2降低。饱和湿空气在进入一级燃烧室之前已通过高温回热器进行了预热,当高压透平进口温度较低时,工质对燃烧室的热量需求较小,一级燃烧室燃料质量流量较低。高压透平的进口工质温升会提高其出口温度,工质对二级燃烧室的热量需求降低,使得二级燃烧室燃料质量流量降低,但燃烧室总燃料质量流量mc升高。总功率Ptur随高压透平进口温度升高而升高。高压透平功率Ptur1升高,低压透平功率Ptur2略有升高,这是由于进入到系统内的总燃料流量增大,一方面增加了低压透平做功工质流量,另一方面改变了工质组分,带来了少量焓降差异。图2b显示:系统总供电量Wt随高压透平进口温度升高而明显升高,在恒定水气比下,进入到系统供热换热器的低温水热能保持不变,系统供热量Qh保持恒定;高压透平进口温度越高,系统能耗越高,供热效率ηh降低,但供电效率ηt和系统总效率η升高。

(a)对燃烧室燃料质量流量和发电功率的影响

(b)对系统供电量、供热量和系统效率的影响图2 高压透平进口温度对系统性能的影响

低压透平进口温度对系统性能影响如图3所示。图3a显示,低压透平进口温度升高会使二级燃烧室燃料质量流量升高。低压透平进口温度升高带来其出口温度升高,乏气在高温回热器内与饱和湿空气换热量增加,由此降低了饱和湿空气对一级燃烧室的热量需求,使一级燃烧室燃料质量流量降低,但总燃料质量流量受二级燃烧室影响更大,总燃料质量流量升高。低压透平功率升高明显,高压透平功率略有降低,一方面是进口工质质量流量降低,另一方面是工质成分变化带来了焓降的差异,然而总功率受低压透平影响更大,随低压透平进口温度升高而升高。图3b显示,系统供热量不变,供电量上升明显。

(a)对燃烧室燃料质量流量和发电功率的影响

(b)对系统供电量、供热量和系统效率的影响图3 低压透平进口温度对系统性能的影响

供热效率下降,供电效率上升,系统总效率受供电效率影响呈上升趋势。另一个影响系统性能的因素是低压透平进口工质压力,其对系统性能的影响如图4所示。图4a显示,随低压透平进口压力升高,一级燃烧室燃料质量流量升高,二级燃烧室降低,总燃料质量流量在较小的变化区间内先升高后降低。这是因为随着压力升高,低压透平出口温度降低,经过高温回热器的饱和湿空气温度降低的缘故。高压透平功率降低,低压透平功率升高,总功率先升高后降低,但变化幅度不明显。图4b显示:系统对外供电量先升高后降低,系统的供热量保持恒定;供电效率先升高后降低,供热效率与供电效率相反;总效率受供电效率影响较大,先升高后降低,但变化不明显。这是由于系统总燃料质量流量和系统发电功率随低压透平进口压力变化幅值很小的缘故。

(a)对燃烧室燃料质量流量和发电功率的影响

(b)对系统供电量、供热量和系统效率的影响图4 低压透平进口压力对系统性能影响

水气比为进入饱和器的高温水与干空气质量流量的比值,改变水气比指在饱和器进口干空气质量流量不变的情况下,对高温水流量做出调整来获得不同温度和湿度的饱和湿空气。不同水气比下进入中温回热器的循环水质量流量mMHE以及饱和器出口的湿空气含湿量d和温度Tout变化如图5所示。图5显示:随水气比增加,饱和器出口湿空气含湿量和温度均升高;水气比小于0.6时,储能阶段产生的高温水足以参与饱和器水循环,中温回热器循环水量为0;随水气比增大,经过中温回热器的循环水量增大,中温回热器换热量增大,这间接降低了经高温回热器后的饱和湿空气温度,从而影响系统性能。

图5 水气比对湿空气性质的影响

水气比变化对系统性能影响如图6所示。

(a)对系统燃料质量流量和透平功率的影响

(b)对系统供电量、供热量和系统效率的影响图6 水气比对系统性能影响

图6a显示,二级燃烧室燃料质量流量均匀增加,一级燃烧室燃料质量流量在较小范围内波动后增大,总燃料质量流量增大。因为水气比直接影响饱和湿空气含湿量和温度,饱和湿空气经高温回热器后的温度随水气比增大先上升后降低。湿空气含湿量增大,对工质温度变化影响加强,低压透平出口温度略有上升,但为了同时满足中低温回热器的热量需求,高温回热器内部换热量受到限制。透平功率随水气比增加均增大,总功率也随之增大,这是工质含湿量增大,其做功能力增强造成的。图6b显示:当水气比小于0.6时,储能阶段存储的热水直接参与饱和器循环和供热过程,系统供热量很大,供电量相对较低;水气比大于0.6时,湿空气含湿量随水气比增大而增大,供热阶段工质流量减小,供热量减小,但释能机组工质流量增大且做功能力增强,供电量增大;供热效率随水气比增大而降低,变化趋势与供热量相同,供电效率先增大后降低。系统总效率在水气比小于0.6时较大,这是受到此阶段供热效率的影响;当水气比大于0.6时,系统总效率先上升后下降,这是受到此阶段供电效率的影响。综合考虑电站性质,均衡供电量和供热量,合适的水气比对于电站的经济性建设具有重要意义。

高压透平进口温度、低压透平进口温度和压力以及水气比对进入释能机组前工质温度Ti的影响如图7所示。

图7a显示,高压透平进口温度升高对Ti影响较小,因为此参数对加热饱和湿空气的低压透平工质出口温度、流量以及成分影响较小。图7b显示,Ti随着低压透平进口温度升高而升高,这是在满足各回热器换热量情况下,由低压透平出口工质温度升高所致。图7c显示,Ti随低压透平进口压力升高而降低,这是低压透平进口压力增大,其出口工质温度降低,在高温回热器内部提供给湿空气的换热量降低所致。图7d显示,水气比对系统工质组分影响较大,随水气比增大,为保证各级回热器换热量,一级燃烧室进口工质温度在水气比为0.8时达到最大值,水气比大于0.8时下降明显。

(a)高压透平进口温度 (b)低压透平进口温度的影响的影响

(c)低压透平进口压力 (d)水气比的影响的影响图7 不同做功条件对进入释能机组工质温度的影响

3 结 论

本文提出了一种湿空气透平循环的压缩空气储能热电联供系统,其将水作为压缩过程储热介质,通过合理利用压缩热和排气热量,并以湿空气和循环水为工质分别对外输出电量和热量。系统热力学分析研究结果如下。

(1)CAES-HAT热电联供系统总效率为58.14%,火用效率为48.72%,供热功率达66.36 MW,供电功率可达354.75 MW,燃烧室所需天然气流量为9.42 kg/s。与传统CAES电站相比,本文系统供电功率增加了19.17%,相同发电量情况下可节省燃料18.17%。

(2)释能机组的部分参数对发电量和发电功率的影响明显,对供热功率没有影响,供电量和供热量对水气比变化敏感。

(3)CAES-HAT系统在原CAES系统基础上增设循环水设备,通过分化系统储能装置,可大大提高CAES系统的灵活性和环境适应性,为CAES系统进一步研究提供参考。

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(编辑 苗凌)

Thermodynamic Analysis for CAES-HAT System Combined Power and Heat Generation

WANG Jiaying1,2,GAO Yichao1,2,CAO Yue1,2,DAI Yiping1,2

(1. Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A combined heat and power system (CAES-HAT) based on humid air turbine cycle is proposed to improve turbine power and efficiency of the conventional CAES system, where water serves as the heat storage medium in charge process to utilize compression heat and exhaust air heat properly for generating electricity and heat with humid air and water as working media, respectively. The changing trends of combustor fuel flow rate, turbine power, electricity supply, heat supply and system efficiency are analyzed with respect to several key parameters. The trend of working medium temperature of discharge progress inlet is discussed by changing the above parameters. Compared with the conventional CAES system, the proposed CAES-HAT system produces more electricity power and operates more efficiently. The electricity power of the proposed system increases by 19.17% under the design condition and reaches 354.75 MW. The heat power reaches 66.36 MW and the system saves 18.17% of fuel with the same power generation, and its total efficiency reaches 58.14%. The parameters of discharge units affect electricity power obviously. Power and heat supply are more sensitive to liquid-to-gas ratio.

compressed air energy storage; humid air; combined heat and power

2015-12-11。 作者简介:王佳莹(1990—),女,硕士生;戴义平(通信作者),男,教授。

时间:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607005

TK02

A

0253-987X(2016)07-0026-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1522.010.html