一種壓縮空氣儲(chǔ)能與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

姚爾人,王煥然,席光

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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一種壓縮空氣儲(chǔ)能與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

姚爾人,王煥然,席光

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

為探索可再生能源的高效利用方法,基于熱力學(xué)定律和能量按品質(zhì)利用的原則,提出了一種以壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)的與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)分布式能量系統(tǒng),建立了該系統(tǒng)的熱力學(xué)模型并自編程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析,重點(diǎn)研究了系統(tǒng)中的壓氣機(jī)、換熱器、透平膨脹機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等主要設(shè)備性能以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù),如透平膨脹機(jī)入口壓力和溫度以及壓氣機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:所提系統(tǒng)具有較高的能量效率和效率,其中透平膨脹機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及換熱器是系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備;增加系統(tǒng)設(shè)備的效率可以提高系統(tǒng)的能量效率、折合發(fā)電效率及效率,增加內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率獲得的效果更加明顯。該結(jié)果可為系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

壓縮空氣儲(chǔ)能;冷熱電聯(lián)產(chǎn);分布式能量系統(tǒng);熱力學(xué)分析

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭,可再生能源的利用受到越來(lái)越多的重視[1]。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源所固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性給可再生能源的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[2-3],然而儲(chǔ)能技術(shù)可以有效解決這一問(wèn)題[4]。分布式能源系統(tǒng)是目前能源技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)余熱的高效綜合利用,這不僅是實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑,也符合吳仲華先生提出的總能系統(tǒng)的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的準(zhǔn)則[5-6]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與冷熱電聯(lián)產(chǎn)的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7-8],但是存在空氣透平的入口空氣溫度不高使得空氣透平做功發(fā)電能力不足的問(wèn)題,而Ibrahim等提出的將內(nèi)燃機(jī)與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相耦合的復(fù)合系統(tǒng)[9]解決了做功能力不足的問(wèn)題,但是系統(tǒng)中仍有大量余熱直接排向大氣。本文提出的基于壓縮空氣儲(chǔ)能和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),不僅具有較強(qiáng)的做功發(fā)電能力,而且可以實(shí)現(xiàn)能量的完全利用,并且針對(duì)1 MW以下規(guī)模的分布式能源系統(tǒng),提出選取內(nèi)燃機(jī)作為系統(tǒng)動(dòng)力裝置的建議,其更加適合小型分布式儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)[10-11],且具有造價(jià)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)[12]。

1 系統(tǒng)描述

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與內(nèi)燃機(jī)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)圖

圖1為以壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型。其工作過(guò)程如下:在儲(chǔ)能過(guò)程中,該系統(tǒng)利用可再生能源驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)機(jī)組工作,并且回收壓氣機(jī)機(jī)組的壓縮熱,冷卻水經(jīng)換熱器冷卻高壓空氣,冷卻后的高壓空氣存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氣室中;在發(fā)電過(guò)程中,預(yù)熱后的高壓空氣通過(guò)透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,在透平膨脹機(jī)中完成膨脹做功的空氣先進(jìn)入換熱器換熱,待溫度降低后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)且與天然氣混合燃燒,由此驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)可回收的余熱主要來(lái)自排氣及缸套水兩部分。系統(tǒng)利用內(nèi)燃機(jī)排氣余熱首先對(duì)高壓儲(chǔ)氣室的出口高壓空氣進(jìn)行預(yù)熱,然后進(jìn)入吸收式制冷機(jī)進(jìn)行制冷,最后進(jìn)入換熱器向用戶供熱;內(nèi)燃機(jī)缸套水通過(guò)與冷卻水換熱使冷卻水升溫且向用戶直接供熱,而冷卻后的內(nèi)燃機(jī)缸套水再次進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行循環(huán)。

1.1 能量效率

對(duì)圖1系統(tǒng)中各主要部件進(jìn)行了建模和計(jì)算,計(jì)算內(nèi)容如下。

(1)根據(jù)壓氣機(jī)在等熵過(guò)程中的做功公式,計(jì)算壓氣機(jī)的耗功和壓氣機(jī)出口空氣溫度,即

(1)

(2)

式中:T1為壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度,在本系統(tǒng)中等于環(huán)境溫度;T2為壓氣機(jī)實(shí)際排氣溫度;ma為壓氣機(jī)壓縮空氣質(zhì)量;ηc為壓氣機(jī)等熵效率;εc為壓氣機(jī)壓比;Wc為壓氣機(jī)的耗功。

(2)假設(shè)cama=cwmw1,其中ca為空氣的比熱容,cw為冷卻水的比熱容,mw1為換熱器1所需冷卻水的質(zhì)量,根據(jù)換熱器能效的定義,通過(guò)換熱器1獲得的熱量

Qh1=maca(T2-Tw1)ηh

(3)

式中:Tw1為進(jìn)入換熱器1的冷卻水溫度;ηh為換熱器能效。

(3)高壓儲(chǔ)氣室采用等溫模型,進(jìn)氣過(guò)程和放氣過(guò)程均為等溫過(guò)程,且不考慮進(jìn)放氣過(guò)程中空氣的壓力損失。受熱耗散效應(yīng)的影響,高壓儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣溫度最終等于環(huán)境溫度,高壓儲(chǔ)氣室出口空氣溫度為環(huán)境溫度,則有

T4=T1

(4)

(4)煙氣換熱器利用內(nèi)燃機(jī)的高溫排氣對(duì)高壓儲(chǔ)氣室出口的高壓空氣進(jìn)行預(yù)熱,達(dá)到預(yù)定溫度后的高壓空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹做功。進(jìn)入透平膨脹機(jī)的空氣溫度

(5)

式中:(mc)min為maca和mycy中的較小值,my為內(nèi)燃機(jī)排氣的質(zhì)量,cy為內(nèi)燃機(jī)排氣的比熱容。

(5)根據(jù)高壓空氣在透平膨脹機(jī)中的等熵膨脹公式計(jì)算輸出功

(6)

透平膨脹機(jī)出口空氣溫度

(7)

式中:T6為透平膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度;ηt為透平膨脹機(jī)等熵效率;εt為膨脹比。

(6)換熱器2用來(lái)回收透平膨脹機(jī)出口的帶有一定溫度的排氣熱量,參考換熱器1假設(shè),則換熱器2所回收的熱量

Qh2=maca(T6-Tw2)ηh

(8)

(7)內(nèi)燃機(jī)的輸出功和內(nèi)燃機(jī)消耗的一次能源總量分別為

We=Petηe

(9)

Qcog=fHu

(10)

式中:Pe為內(nèi)燃機(jī)功率;ηe為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率;t為內(nèi)燃機(jī)的工作時(shí)間;f為燃料消耗量;Hu為燃料的低熱值。

(8)換熱器3用來(lái)回收內(nèi)燃機(jī)缸套循環(huán)水的熱量,結(jié)合換熱器1假設(shè),則換熱器3所能回收的熱量

Qh3=mgwcw(T12-Tw3)ηh

(11)

式中:mgw為在換熱器3中參與換熱的內(nèi)燃機(jī)缸套循環(huán)水的質(zhì)量。

(9)吸收式制冷機(jī)在忽略溶液泵消耗的少量功時(shí)的制冷量

Qcool=maca(T9-T10)CCOP

(12)

式中:CCOP為制冷循環(huán)的制冷系數(shù)。

(10)換熱器4用來(lái)回收經(jīng)過(guò)吸收式制冷循環(huán)后空氣中所含熱量,根據(jù)換熱器1假設(shè),則換熱器4回收的熱量

Qh4=maca(T10-Tw4)ηh

(13)

因此,系統(tǒng)獲得的總熱量

Qh=Qh1+Qh2+Qh3+Qh4

(14)

系統(tǒng)能量效率

(15)

1.2 火用效率

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

由于高壓儲(chǔ)氣室的進(jìn)/排氣過(guò)程為等溫過(guò)程,且不考慮進(jìn)/排氣過(guò)程中空氣的壓力損失,因此高壓儲(chǔ)氣室的損失僅需考慮高壓儲(chǔ)氣室的進(jìn)氣溫度和出氣溫度,則有

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

1.3 折合發(fā)電效率

當(dāng)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中存在多種產(chǎn)品輸出時(shí),若其中幾種產(chǎn)品的能量利用數(shù)量與參照的分產(chǎn)系統(tǒng)相同,則推算出來(lái)的剩下一種產(chǎn)品的能量利用效率被稱為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的折合性能效率。例如,假定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的輸出冷量和熱量均與參照的分產(chǎn)系統(tǒng)相等,推算得到的發(fā)電效率就稱為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的折合發(fā)電效率[13]

(46)

式中:Qcool/ηdc為參照的分產(chǎn)系統(tǒng)中產(chǎn)生與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相同的冷量所需能量;Qh/ηdh為參照系統(tǒng)中生產(chǎn)與聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相同的熱量所需能量。

2 結(jié)果分析

壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)值

2.1 壓氣機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)的影響

圖2為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨壓氣機(jī)壓比的變化。從圖2可以看出:隨著壓氣機(jī)壓比的升高,聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量效率和折合發(fā)電效率有所降低,但下降幅度小于1%,可以近似認(rèn)為保持不變;系統(tǒng)的效率有所下降,下降幅度為1.69%。因此,可以忽略壓氣機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)性能的影響,這是因?yàn)殡S著壓氣機(jī)壓比的升高,需要向系統(tǒng)輸入更多的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)工作,而系統(tǒng)中節(jié)流穩(wěn)壓閥使得透平膨脹機(jī)的入口壓力保持恒定,系統(tǒng)的總輸出電能和供冷量保持不變,供熱量升高,因此系統(tǒng)的總輸出能量升高,但系統(tǒng)總輸出能量升高的幅度小于向系統(tǒng)輸入電能的增幅。

圖2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨壓氣機(jī)壓比的變化

2.2 壓氣機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)的影響

圖3為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨壓氣機(jī)等熵效率的變化。在其他參數(shù)不變的前提下,隨著壓氣機(jī)等熵效率的提高,系統(tǒng)所消耗的電能減少,但是與透平膨脹機(jī)和內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的總電能相比,壓氣機(jī)所消耗的電能較小,因此從圖3中可以看出,系統(tǒng)的能量效率和折合發(fā)電效率幾乎不變,而系統(tǒng)的效率則小幅升高。

圖3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨壓氣機(jī)等熵效率的變化

2.3 透平膨脹機(jī)入口溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

圖4為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)入口溫度的變化。由圖4可以看出,系統(tǒng)的能量效率、折合發(fā)電效率以及效率均隨透平膨脹機(jī)入口溫度的升高而升高,其中系統(tǒng)的折合發(fā)電效率增長(zhǎng)速度隨膨脹機(jī)入口溫度升高得最快,能量效率次之,效率受透平膨脹機(jī)入口溫度的影響最小。由于透平膨脹機(jī)入口的空氣溫度主要來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)的高溫排氣,當(dāng)排氣熱量一定時(shí),透平膨脹機(jī)入口的空氣溫度取決于煙氣換熱器的能效,因此煙氣換熱器能效的高低對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有著重要影響。

圖4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)入口溫度的變化

2.4 透平膨脹機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)的影響

圖5為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)入口壓力的變化。由圖5可以看出,隨透平膨脹機(jī)入口壓力的不斷升高,系統(tǒng)的能量效率、折合發(fā)電效率以及效率均有所升高,但是能量效率的增長(zhǎng)幅度相對(duì)緩慢,而折合發(fā)電效率和效率的增長(zhǎng)較快,也就是說(shuō)系統(tǒng)的折合發(fā)電效率和效率受透平膨脹機(jī)入口壓力的影響更加明顯。由于系統(tǒng)中使用了節(jié)流穩(wěn)壓閥,透平入口壓力受節(jié)流效應(yīng)影響使得進(jìn)入透平膨脹機(jī)的空氣壓力與在高壓儲(chǔ)氣室中的空氣壓力相比有所下降,從而導(dǎo)致系統(tǒng)損失了部分輸出功,但是對(duì)系統(tǒng)的性能影響很小,這樣系統(tǒng)發(fā)電時(shí)的變工況問(wèn)題得以改善。

圖5 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)入口壓力的變化

2.5 透平膨脹機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)的影響

圖6為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)等熵效率的變化。從圖6可以看出,系統(tǒng)的能量效率基本不變,折合發(fā)電效率和效率均隨透平膨脹機(jī)等熵效率的升高而緩慢升高,但增長(zhǎng)率不超過(guò)3%。根據(jù)折合發(fā)電效率變化曲線可以看出,透平膨脹機(jī)的等熵效率對(duì)系統(tǒng)的折合發(fā)電效率的影響很小,也就是說(shuō)在不改變透平膨脹機(jī)進(jìn)口壓力或者進(jìn)口溫度等條件下,僅提升透平膨脹機(jī)的等熵效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出電能影響較小。

圖6 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨透平膨脹機(jī)等熵效率的變化

2.6 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率對(duì)系統(tǒng)的影響

圖7為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率的變化。從圖7可以看出,系統(tǒng)的能量效率、系統(tǒng)折合發(fā)電效率和效率均隨內(nèi)燃機(jī)效率的升高而升高,內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率對(duì)折合發(fā)電效率的影響要大于其對(duì)能量效率和效率的影響。從圖中還可以看出,如果內(nèi)燃機(jī)效率升高到40%左右,系統(tǒng)的能量效率可以達(dá)到90%以上,隨著內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率的進(jìn)一步升高,系統(tǒng)的折合發(fā)電效率也將達(dá)到90%左右。因此,內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率對(duì)系統(tǒng)性能具有決定性的作用。

2.7 換熱器能效對(duì)系統(tǒng)的影響

圖8為壓縮空氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨換熱器能效的變化。從圖8可以看出,系統(tǒng)的能量效率、折合發(fā)電效率以及效率均隨換熱器能效的升高而升高,但是系統(tǒng)的效率增長(zhǎng)緩慢,當(dāng)換熱器能效升高到90%以上時(shí),系統(tǒng)的能量效率也超過(guò)了90%,效率超過(guò)了50%,從而實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。

圖8 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨換熱器能效的變化

3 結(jié) 論

(1)基于熱力學(xué)定律和能量按品質(zhì)利用的原則,提出了一種壓縮空氣儲(chǔ)能與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)相耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)。

(2)通過(guò)建立冷熱電聯(lián)產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)的熱力學(xué)模型,獲得了系統(tǒng)主要設(shè)備的性能參數(shù)及系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。從分析結(jié)果可知,透平膨脹機(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及換熱器是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

(3)增加系統(tǒng)設(shè)備的效率可以提高系統(tǒng)的能量效率、折合發(fā)電效率以及效率,增加內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率獲得的效果更加明顯。

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[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

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(編輯 苗凌)

A Novel Combined Cooling Heating and Power System with Coupled Compressed Air Energy Storage and Combustion Engine

YAO Erren,WANG Huanran,XI Guang

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Based on the laws of thermodynamics and the principle of cascade energy utilization, a novel combined cooling heating and power (CCHP) system consisting of compressed air energy storage (CAES) technology and combustion engine is proposed to explore the strategy for efficient renewable energy application. The thermodynamic model of the system is established and the thermodynamic properties of the system are analyzed with a newly developed code. The thermodynamic analysis focuses on the performance of major equipment, including compressor, heat exchangers, turbine expander, and combustion engine. And the effects of key parameters such as the inlet pressure and temperature of turbine expander and the pressure ratio of compressor on the system performance are emphatically discussed. The simulation indicates that this system has higher value of both energy efficiency and exergy efficiency where system turbine expander, combustion engine and heat exchangers serve as the crucial roles. The energy efficiency, exergy efficiency and electricity conversion efficiency increase with the rising efficiency of system equipment, especially with the rising combustion engine efficiency.

compressed air energy storage; combined cooling; heating and power system; distributed energy resources system; thermodynamic analysis

2015-05-04。 作者簡(jiǎn)介:姚爾人(1989—),男,博士生;席光(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA052501);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176145)。

時(shí)間:2015-10-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151023.1104.008.html

10.7652/xjtuxb201601004

TK02

A

0253-987X(2016)01-0022-06