基于先進絕熱壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統分析

張 利 周偉偉 谷青峰 周 沛 苑一鳴 張澤灝 賀 欣 屈 斌 王 坤

（1國網天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384 2華北電力大學（保定） 河北保定 071003 3天津市電力科技發展有限公司 天津 300384）

基于先進絕熱壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統分析

張 利1周偉偉2谷青峰2周 沛2苑一鳴2張澤灝2賀 欣3屈 斌1王 坤1

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先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES）作為一種高效能量儲存技術，它將壓縮空氣儲能（CAES）與熱能儲存（TES）技術相結合，本文通過變化儲熱器的能量占比，提出了基于壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統。通過對系統進行熱力學特性分析，研究表明所提系統具有較高的能量利用效率。

AA-CAES系統；冷熱電聯產；熱力學分析

引言

隨著傳統化石能源的日益枯竭，風能、太陽能等可再生能源受到了很大的重視。但這些可再生能源由于其先天的不連續性及不穩定性極大程度上阻礙其發展。然而儲能系統在能有效的解決這一問題。以先進絕熱壓縮空氣儲能（AA-CAES）為例，該系統將壓縮空氣儲能（AA-CAES）技術與能量儲存技術相結合。使得AA-CAES系統既避免了由于使用燃料造成的污染問題，又具備相當強的儲能能力[1,2]。

目前已有很多學者對于AA-CAES系統展開研究，主要從能量利用率角度對系統進行優化設計。而對于實際情況，用戶在電力需求的同時也需要冷量或熱量的供應。AA-CAES系統并不能滿足用戶的是需求，然而冷熱電聯產的分布式能源系統可以很好的解決這一問題，作為當前能源技術發展的主要方向，它可以實現余熱的高效綜合利用。它在解決了用戶能源需求的問題的同時也符合我國節能減排戰略發展要求。因此，本文提出了一種基于先進絕熱壓縮儲能的冷熱電聯產系統[3]。

1 系統原理

圖1為以AA-CAES技術為基礎的冷熱電聯產系統模型。其工作過程如下：AA-CAES冷熱電聯產模型熱量儲存器儲存壓縮空氣的過程熱，通過冷卻水作為冷卻介質儲存在儲熱器中，根據用戶需求一定比例的熱量直接提供給熱用戶，剩余熱量由水帶入透平機之前的換熱器，實現空氣的升溫，同時由于膨脹之后的氣體溫度較低，有一定的制冷能力，故可利用透平出口空氣為用戶提供冷量。

本文的主要假設條件如下：

空氣為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程，空氣與水的比熱容為定值；

三聯產系統的整個系統運行過程中，工作介質的動量變化和重力勢能變化都可以忽略不計；

忽略管道、儲氣室及換熱器中的壓力損失和部件的熱量損失，不考慮壓氣機與電動機、透平膨脹機與發電機之間的能量效率與能量損失。

1.1 系統運行分析

本文所設計的基于先進絕熱壓縮儲能的冷熱電聯產系統，利用非補燃壓縮空氣儲能消納光伏、風力發電，利用所具有的冷熱電三聯產功能，滿足用戶對能源的多樣性需求。下面對系統的能量轉換特性進行分析[4]。

圖1 壓縮空氣儲能技術與冷熱電聯產系統圖

（1）系統消耗的電能

利用棄風電、棄光電將空氣壓縮至儲氣室，每級消耗壓縮功為：

壓縮機出口溫度

式中：k為絕熱指數；T1為壓縮機進氣溫度，在本系統中等于環境溫度；T2為壓縮機出口溫度；Ma為壓氣機壓縮空氣質量；ηc為壓縮機效率；εc為壓氣機壓比。

（2）系統存儲的熱量

冷卻介質通過換熱器1吸收壓縮過程的壓縮熱，然后將其儲存在熱量儲存器中。

式中：T1和T2分別為進入換熱器前、后空氣的溫度；Cp,a為空氣的定壓比熱容。

（3）系統輸出的電能

式中：Me為透平流量；Te為進入透平的空氣溫度。

（4）系統輸出的熱量

系統輸出的熱量即為高溫蓄熱介質通過換熱器2釋放的熱量，其值為

（5）系統輸出的冷量

系統輸出的冷量即為透平的低溫排氣經過冷用戶換熱溫度達到環境溫度T0

式中：Ccop為制冷循環的制冷系數。

（6）系統能量效率

2 結果分析

根據表1的數據，分析不同熱力參數對系統的影響情況。

表1

2.1 壓氣機壓比對系統的影響

通過計算表明：隨著壓氣機壓比的升高，聯產系統的能量效率有所降低,但下降幅度小于1%，可以近似認為保持不變。因此，可以忽略壓氣機壓比對系統性能的影響[5]。

2.2 透平膨脹機入口溫度對系統的影響

通過上述模型分析得系統的能量效率隨透平膨脹機入口溫度的升高而逐漸升高。

2.3 供熱比例對系統的影響

隨著熱用戶用熱量的增加，透平輸出功由于進氣溫度降低而減少，同時由于透平出氣溫度下降，系統制冷能力增加。

3 結論

本文提出的基于先進絕熱壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統，具有發電能力強、能量完全利用等優點。通過本文對該系統進行分析得出以下結論：

（1）本文提出的新型三聯產系統可以同時供應電能、熱能、冷能，更好的滿足了當今用戶的實際需求。

（2）本文提出的先進絕熱壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統不需要消耗燃料進行壓縮空氣加熱，整個過程無污染問題。

（3）通過本文對關鍵部件的參數進行分析，本文提出系統有更多的能量輸出，能量效率更高。參考文獻

[1]蔡睿賢,張娜.關于分布式能源系統的思考[J].科技導報,2005(9):7-8.

[2]林汝謀,郭棟,金紅光,等.分布式冷熱電聯產系統的能量梯級利用率新準則 [J].燃氣輪機技術,2010,23(1):1-10.

[3]MADLENER R,LATZ J.Economics of centralized and decentralized compressed air energy storage for enhanced grid integration of wind power[J].Applied Energy,2013,(101),299-309.

[4]張遠,楊科,李雪梅等.基于先進絕熱壓縮空氣儲能的冷熱電聯產系統 [J].工程熱物理學報,2013,34,(11).1991-1996.

[5]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[J].西安交通大學學報,2016,1(1):235-242.

Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage(AA-CAES)is an efficient energy storage technology based on the combination of Compressed Air Energy Storage(CAES)and Thermal Energy Storage(TES).With the change of distribution of heat stored in TES,in this paper,a combined cooling,heating and power(CCHP)system based on AA-CAES technology is proposed.The thermodynamic characteristics of the system are analyzed,and the results show that the proposed system has high energy efficiency.

AA-CAES system;CCHP;thermodynamic characteristics