濕空氣透平循環的壓縮空氣儲能熱電聯供系統熱力學分析

王佳瑩,高毅超,曹越,戴義平

(1.西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

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濕空氣透平循環的壓縮空氣儲能熱電聯供系統熱力學分析

王佳瑩1,2,高毅超1,2,曹越1,2,戴義平1,2

(1.西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

為提高傳統壓縮空氣儲能系統(CAES)的發電功率和能量利用率,設計了一種熱電聯供型濕空氣透平循環的壓縮空氣儲能系統(CAES-HAT),其將水作為壓縮過程儲熱介質、通過合理利用壓縮熱和排氣熱量、以濕空氣和水為工質分別對外輸出電量和熱量,同時分析了關鍵參數對系統燃燒室燃料質量流量、透平功率、供電量、供熱量和系統效率的影響,揭示了釋能機組進口工質溫度隨參數變化的規律。研究結果表明,與傳統CAES相比,CAES-HAT具有更高的發電功率和效率,在給定系統條件下機組發電功率增加19.17%,達到354.75 MW,供熱功率達到66.36 MW,相同發電量下節省燃料18.17%,系統效率達到58.14%。釋能機組的參數對發電功率影響明顯,供電量和供熱量對水氣比變化敏感,該結果可為CAES系統優化提供參考。

壓縮空氣儲能;濕空氣;熱電聯供

儲能系統對于優化能源結構和維持電網穩定具有重要意義,壓縮空氣儲能系統(compressed air energy storage, CAES)作為技術成熟的大規模機械儲能方式,具有成本低、壽命長等優點[1],但其發電量依賴于儲氣裝置容積,地理條件也限制了大型CAES系統的推廣[2]。為提高CAES系統發電量和適用性,Najjar等在CAES系統基礎上通過增設飽和器建立了CASH系統并將其與原系統進行對比,發現CASH系統具有更高的發電量及發電效率[3-4]。趙攀等建立了CAES-HAT系統,其利用壓縮熱和透平乏氣熱量加熱循環水,并對系統性能進行了分析和優化[5]。

由于濕空氣透平(HAT)循環需水量大,經飽和器的高溫水能量大部分輸出為低品位熱能,間接增加了系統用水量和燃料質量流量,降低了供電效率。為了進一步利用乏氣熱量,本文將水作為壓縮過程儲熱介質,提出了一種CAES-HAT熱電聯供系統,其將飽和器出口的部分低溫水進行循環再加熱,將未循環的低溫水熱量進行回收。做功乏氣熱量采用分級利用,分別用來加熱飽和器出口工質、部分飽和器出口低溫水和儲氣室出口干空氣。本文還對所提系統的部分關鍵參數進行了熱力學分析。

1 熱電聯供系統

1.1 CAES-HAT

CAES-HAT系統如圖1所示,儲能過程和釋能過程均分為兩級。此系統包含的3個子系統分別為儲能系統、釋能系統和水循環系統。

圖1 CAES-HAT熱電聯供系統示意圖

儲能系統基本組件為壓氣機、間冷器和儲氣室,其將可利用的電能或可再生能源轉換為空氣的機械能和水的熱能,級后高溫空氣與低溫儲水箱中水進行熱量交換后存儲在儲氣室中,低溫水吸收熱量后儲存在高溫儲水箱中。水循環系統包括低溫水箱、高溫水箱、水泵和供熱換熱器。在釋能階段,干空氣經低溫回熱器后與高溫水分別從底部和上部同時進入飽和器,在飽和器內部逆向流動,高溫水被蒸發降溫,干空氣被加熱、加濕。飽和器出口產生飽和濕空氣和部分低溫水。低溫水分流,一部分經過中溫回熱器后與高溫水箱中的水混合重新參與到氣水循環中,另一部分作為系統對外供熱熱源進入到供熱換熱器。釋能系統包括高壓透平、低壓透平以及對應燃燒室,高溫回熱器、中溫回熱器、低溫回熱器分別用來加熱飽和濕空氣、部分低溫水和低溫壓縮空氣。

1.2 系統模型

為了簡化系統計算模型[5-7],對分析過程進行如下假設:①干空氣組分設定為質量分數為76%的N2和24%的O2;②儲能和釋能過程中系統處于穩定狀態;③燃燒室絕熱且燃料燃燒充分,飽和器絕熱,出口濕空氣為飽和狀態;④各換熱器冷端和熱端溫差都必須大于現有技術上所能達到的最小值,氣-氣換熱器最小溫差為10 ℃,氣-水換熱器最小溫差為5 ℃;⑤最低排氣溫度為354 K;⑥壓氣機和透平絕熱效率不變;⑦除間冷器、回熱器和飽和器外,其他壓損忽略不計。

系統各狀態點的空氣、水蒸氣等做功過程均作為實際氣體處理,并考慮其熱力性質隨溫度和壓力的變化。

飽和器出口溫度[8]

(1)

式中:Twt(air,in)為進入飽和器的空氣濕球溫度;ΔT至少為4 K。

透平功率

(2)

式中:Δhs為透平等熵焓降;ηtur為透平絕熱效率;mha和mc分別為濕空氣和燃燒室燃料的質量流量。

供電量和供熱量分別為

(3)

(4)

式中:mw和Δhh分別為供熱換熱器工質流量和焓降;t為系統釋能時間。

系統效率

(5)

(6)

(7)

式中:Wc為儲能過程壓縮功;Wpump為系統所耗泵功;Qfuel為輸入系統燃料熱量。

2 系統熱力學分析

2.1 系統分析

采用REFPROP軟件[9]對狀態點進行物性查詢,以Matlab為平臺對系統熱力學特性進行分析。系統相關部件及運行參數見表1,部分參數參照德國Huntorf CAES電站[10]選取。

表1 系統運行參數

系統性能如表2所示,CAES-HAT系統效率達到58.14%,相同釋能空氣質量流量下發電功率達到354.75 MW,與傳統CAES電站相比提高了19.17%,燃燒過程所需天然氣流量為9.42 kg/s,相同發電量情況下可節省燃料18.17%。

表2 CAES-HAT與傳統CAES系統性能比較

2.2 系統熱力學分析

高壓透平進口溫度對系統性能的影響如圖2所示。圖2a顯示,一級燃燒室燃料質量流量mc1升高,二級燃燒室燃料質量流量mc2降低。飽和濕空氣在進入一級燃燒室之前已通過高溫回熱器進行了預熱,當高壓透平進口溫度較低時,工質對燃燒室的熱量需求較小,一級燃燒室燃料質量流量較低。高壓透平的進口工質溫升會提高其出口溫度,工質對二級燃燒室的熱量需求降低,使得二級燃燒室燃料質量流量降低,但燃燒室總燃料質量流量mc升高。總功率Ptur隨高壓透平進口溫度升高而升高。高壓透平功率Ptur1升高,低壓透平功率Ptur2略有升高,這是由于進入到系統內的總燃料流量增大,一方面增加了低壓透平做功工質流量,另一方面改變了工質組分,帶來了少量焓降差異。圖2b顯示:系統總供電量Wt隨高壓透平進口溫度升高而明顯升高,在恒定水氣比下,進入到系統供熱換熱器的低溫水熱能保持不變,系統供熱量Qh保持恒定;高壓透平進口溫度越高,系統能耗越高,供熱效率ηh降低,但供電效率ηt和系統總效率η升高。

(a)對燃燒室燃料質量流量和發電功率的影響

(b)對系統供電量、供熱量和系統效率的影響圖2 高壓透平進口溫度對系統性能的影響

低壓透平進口溫度對系統性能影響如圖3所示。圖3a顯示,低壓透平進口溫度升高會使二級燃燒室燃料質量流量升高。低壓透平進口溫度升高帶來其出口溫度升高,乏氣在高溫回熱器內與飽和濕空氣換熱量增加,由此降低了飽和濕空氣對一級燃燒室的熱量需求,使一級燃燒室燃料質量流量降低,但總燃料質量流量受二級燃燒室影響更大,總燃料質量流量升高。低壓透平功率升高明顯,高壓透平功率略有降低,一方面是進口工質質量流量降低,另一方面是工質成分變化帶來了焓降的差異,然而總功率受低壓透平影響更大,隨低壓透平進口溫度升高而升高。圖3b顯示,系統供熱量不變,供電量上升明顯。

(a)對燃燒室燃料質量流量和發電功率的影響

(b)對系統供電量、供熱量和系統效率的影響圖3 低壓透平進口溫度對系統性能的影響

供熱效率下降,供電效率上升,系統總效率受供電效率影響呈上升趨勢。另一個影響系統性能的因素是低壓透平進口工質壓力,其對系統性能的影響如圖4所示。圖4a顯示,隨低壓透平進口壓力升高,一級燃燒室燃料質量流量升高,二級燃燒室降低,總燃料質量流量在較小的變化區間內先升高后降低。這是因為隨著壓力升高,低壓透平出口溫度降低,經過高溫回熱器的飽和濕空氣溫度降低的緣故。高壓透平功率降低,低壓透平功率升高,總功率先升高后降低,但變化幅度不明顯。圖4b顯示:系統對外供電量先升高后降低,系統的供熱量保持恒定;供電效率先升高后降低,供熱效率與供電效率相反;總效率受供電效率影響較大,先升高后降低,但變化不明顯。這是由于系統總燃料質量流量和系統發電功率隨低壓透平進口壓力變化幅值很小的緣故。

(a)對燃燒室燃料質量流量和發電功率的影響

(b)對系統供電量、供熱量和系統效率的影響圖4 低壓透平進口壓力對系統性能影響

水氣比為進入飽和器的高溫水與干空氣質量流量的比值,改變水氣比指在飽和器進口干空氣質量流量不變的情況下,對高溫水流量做出調整來獲得不同溫度和濕度的飽和濕空氣。不同水氣比下進入中溫回熱器的循環水質量流量mMHE以及飽和器出口的濕空氣含濕量d和溫度Tout變化如圖5所示。圖5顯示:隨水氣比增加,飽和器出口濕空氣含濕量和溫度均升高;水氣比小于0.6時,儲能階段產生的高溫水足以參與飽和器水循環,中溫回熱器循環水量為0;隨水氣比增大,經過中溫回熱器的循環水量增大,中溫回熱器換熱量增大,這間接降低了經高溫回熱器后的飽和濕空氣溫度,從而影響系統性能。

圖5 水氣比對濕空氣性質的影響

水氣比變化對系統性能影響如圖6所示。

(a)對系統燃料質量流量和透平功率的影響

(b)對系統供電量、供熱量和系統效率的影響圖6 水氣比對系統性能影響

圖6a顯示,二級燃燒室燃料質量流量均勻增加,一級燃燒室燃料質量流量在較小范圍內波動后增大,總燃料質量流量增大。因為水氣比直接影響飽和濕空氣含濕量和溫度,飽和濕空氣經高溫回熱器后的溫度隨水氣比增大先上升后降低。濕空氣含濕量增大,對工質溫度變化影響加強,低壓透平出口溫度略有上升,但為了同時滿足中低溫回熱器的熱量需求,高溫回熱器內部換熱量受到限制。透平功率隨水氣比增加均增大,總功率也隨之增大,這是工質含濕量增大,其做功能力增強造成的。圖6b顯示:當水氣比小于0.6時,儲能階段存儲的熱水直接參與飽和器循環和供熱過程,系統供熱量很大,供電量相對較低;水氣比大于0.6時,濕空氣含濕量隨水氣比增大而增大,供熱階段工質流量減小,供熱量減小,但釋能機組工質流量增大且做功能力增強,供電量增大;供熱效率隨水氣比增大而降低,變化趨勢與供熱量相同,供電效率先增大后降低。系統總效率在水氣比小于0.6時較大,這是受到此階段供熱效率的影響;當水氣比大于0.6時,系統總效率先上升后下降,這是受到此階段供電效率的影響。綜合考慮電站性質,均衡供電量和供熱量,合適的水氣比對于電站的經濟性建設具有重要意義。

高壓透平進口溫度、低壓透平進口溫度和壓力以及水氣比對進入釋能機組前工質溫度Ti的影響如圖7所示。

圖7a顯示,高壓透平進口溫度升高對Ti影響較小,因為此參數對加熱飽和濕空氣的低壓透平工質出口溫度、流量以及成分影響較小。圖7b顯示,Ti隨著低壓透平進口溫度升高而升高,這是在滿足各回熱器換熱量情況下,由低壓透平出口工質溫度升高所致。圖7c顯示,Ti隨低壓透平進口壓力升高而降低,這是低壓透平進口壓力增大,其出口工質溫度降低,在高溫回熱器內部提供給濕空氣的換熱量降低所致。圖7d顯示,水氣比對系統工質組分影響較大,隨水氣比增大,為保證各級回熱器換熱量,一級燃燒室進口工質溫度在水氣比為0.8時達到最大值,水氣比大于0.8時下降明顯。

(a)高壓透平進口溫度 (b)低壓透平進口溫度的影響的影響

(c)低壓透平進口壓力 (d)水氣比的影響的影響圖7 不同做功條件對進入釋能機組工質溫度的影響

3 結 論

本文提出了一種濕空氣透平循環的壓縮空氣儲能熱電聯供系統,其將水作為壓縮過程儲熱介質,通過合理利用壓縮熱和排氣熱量,并以濕空氣和循環水為工質分別對外輸出電量和熱量。系統熱力學分析研究結果如下。

(1)CAES-HAT熱電聯供系統總效率為58.14%,火用效率為48.72%,供熱功率達66.36 MW,供電功率可達354.75 MW,燃燒室所需天然氣流量為9.42 kg/s。與傳統CAES電站相比,本文系統供電功率增加了19.17%,相同發電量情況下可節省燃料18.17%。

(2)釋能機組的部分參數對發電量和發電功率的影響明顯,對供熱功率沒有影響,供電量和供熱量對水氣比變化敏感。

(3)CAES-HAT系統在原CAES系統基礎上增設循環水設備,通過分化系統儲能裝置,可大大提高CAES系統的靈活性和環境適應性,為CAES系統進一步研究提供參考。

[1] 張新敬, 陳海生, 劉金超, 等. 壓縮空氣儲能進展 [J]. 儲能科學與技術, 2012, 1(1): 26-40. ZHANG Xinjing, CHEN Haisheng, LIU Jinchao, et al. Research progress in compressed air storage system: a review [J]. Energy Storage Science and Technology, 2012, 1(1): 26-40.

[2] 劉金超, 徐玉杰, 陳宗衍, 等. 壓縮空氣儲能儲氣裝置發展現狀與儲能特性分析 [J]. 科學技術與工程, 2014, 14(35): 148-155. LIU Jinchao, XU Yujie, CHEN Zongyan, et al. The development status and energy storage characteristic of gas storage device of compressed air energy storage system [J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(35): 148-155.

[3] NAJJAR Y S H, JUBEN N M. Comparison of performance of compressed-air energy-storage plant with compressed-air storage with humidification [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part A Journal of Power and Energy, 2006, 220(6): 581-588.

[4] JUBEH N M, NAJJAR Y S H. Comparison of performance for cascaded humidified advanced turbine with the corresponding combined system [J]. International Journal of Sustainable Energy, 2007, 26(4): 209-220.

[5] ZHAO Pan, DAI Yiping, WANG Jiangfeng. Performance assessment and optimization of a combined heat and power system based on compressed air energy storage system and humid air turbine cycle [J]. Energy Conversion & Management, 2015, 103: 562-572.

[6] CHACATEGUI R, BECERRA J A, BLANCO M J, et al. A humid air turbine-organic Rankine cycle combined cycle for distributed microgeneration [J]. Energy Conversion and Management, 2015, 104: 115-126.

[7] 焦樹建. HAT循環的熱力學分析 [J]. 燃氣輪機技術, 1995, 8(2): 1-11. JIAO Shujian. Thermodynamic analysis of HAT cycle [J]. Gas Turbine Technology, 1995, 8(2): 1-11.

[8] HUI Yu, WANG Yuzhang, WENG Shilie. Experimental investigation of pressurized packing saturator for humid air turbine cycle [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(62): 513-519.

[9] LEMMON E W, HUBER M L, MCLINDEN M O. NIST reference fluid thermodynamic and transport properties (Version 9.0. Boulder) [R]. Gaithersburg, MD, USA: National Institute of Standards and Technology, 2010.

[10]張偉德, 徐剛, 劉文毅, 等. 典型壓縮空氣蓄能(CAES)電站熱力學分析與系統優化 [J]. 現代電力, 2013, 30(2): 41-47. ZHANG Weide, XU Gang, LIU Wenyi, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a typical compressed air energy storage (CAES) power plant [J]. Modern Electric Power, 2013, 30(2): 41-47.

[本刊相關文獻鏈接]

姚爾人,王煥然,席光.一種壓縮空氣儲能與內燃機技術耦合的冷熱電聯產系統.2016,50(1):22-27.[doi:10.7652/xjtuxb 201601004]

吳毅,胡東帥,王明坤,等.一種新型的跨臨界CO2儲能系統.2016,50(3):45-49.[doi:10.7652/xjtuxb201603007]

吳毅,王旭榮,楊翼,等.以液化天然氣為冷源的超臨界CO2-跨臨界CO2冷電聯供系統.2015,49(9):58-62.[doi:10.7652/xjtuxb201509011]

李鵬,楊玉龍,黃越輝,等.綜合熱電負荷控制下的省級電網風電并網研究.2014,48(2):69-73.[doi:10./xjtuxb201402 012]

(編輯 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。 作者簡介:王佳瑩(1990—),女,碩士生;戴義平(通信作者),男,教授。

時間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607005

TK02

A

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

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