耦合超臨界二氧化碳循環(huán)的壓縮空氣儲能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)特性研究

冉 鵬， 張 森， 王亞瑟， 李 政, 趙廣輝

(1．華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003；2．華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，河北保定 071003；3．清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084；4.中山嘉明電力有限公司，廣東中山 528400)

相比于非絕熱壓縮空氣儲能(D-CAES)，絕熱壓縮空氣儲能(A-CAES)無碳排放且系統(tǒng)效率高[1]。為避免單級壓縮因增壓比過高而影響容積效率及氣體終溫過高[2]，進而導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)及更高的材質(zhì)要求與制造成本[3-4]，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓氣機常采用多級壓縮級間冷卻的形式。A-CAES采用儲熱裝置回收壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱，其儲存于儲熱裝置中的蓄熱介質(zhì)溫度一般低于各級壓氣機排氣溫度。綜上所述，A-CAES難以與高溫儲熱耦合，且儲熱裝置的增加會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)投資及維護成本增加。目前A-CAES尚處于工程示范階段[5-6]。而D-CAES相比于A-CAES具有儲能容量大、單機功率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、運行靈活性高等優(yōu)點，當前大規(guī)模商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站大多為D-CAES類型[7-8]。

D-CAES由于未對壓縮熱進行回收，且需要消耗額外燃料用來加熱壓縮空氣，導(dǎo)致其系統(tǒng)效率相對較低。同時D-CAES在釋能過程中會向外界排放高溫煙氣，美國McIntosh壓縮空氣儲能電站通過回熱器回收煙氣余熱并加熱壓縮空氣，其燃料消耗量可降低25%，系統(tǒng)效率可提升12%[8]。隨著余熱回收技術(shù)的發(fā)展，將D-CAES與余熱回收底循環(huán)進行耦合以提升整體系統(tǒng)效率，受到了越來越多的關(guān)注。Zhao等[9]提出了一種D-CAES耦合Kalina循環(huán)的能量系統(tǒng)，研究表明，耦合系統(tǒng)的效率相較于單獨的D-CAES系統(tǒng)提升了4%。Meng等[3]采用有機朗肯循環(huán)(ORC)對D-CAES的煙氣余熱進行回收，研究了5種不同有機工質(zhì)對余熱回收性能的影響，整體系統(tǒng)的循環(huán)效率相較于單獨的D-CAES系統(tǒng)分別提升了3.32%～3.95%。Razmi等[10]利用ORC將D-CAES煙氣中的余熱轉(zhuǎn)化為電能，然后利用這部分電能來驅(qū)動吸收-壓縮式制冷循環(huán)，整體系統(tǒng)的循環(huán)效率相較于單獨的D-CAES提升了13.15%。

目前，超臨界二氧化碳(SCO2)循環(huán)由于其優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆[11]、太陽能光熱電站[12]及船舶內(nèi)燃機[13]等領(lǐng)域的余熱回收。與其他余熱回收技術(shù)相比，SCO2循環(huán)具有循環(huán)效率高[14]、結(jié)構(gòu)緊湊[15]、成本低[16]等優(yōu)勢，而且SCO2循環(huán)可匹配的熱源溫度較廣(200～800 ℃)[17]，其作為余熱回收底循環(huán)可以很好地適應(yīng)頂循環(huán)的工況變化。因此，采用SCO2循環(huán)對D-CAES的高溫煙氣余熱進行回收是一種潛在可行的方式。

SCO2循環(huán)具有多種布置形式，其中SCO2簡單回熱式循環(huán)與SCO2基礎(chǔ)循環(huán)相比，系統(tǒng)效率較高，而與SCO2再壓縮循環(huán)等相比結(jié)構(gòu)較為簡單[13]，因此本文選擇SCO2簡單回熱式循環(huán)作為D-CAES余熱回收底循環(huán)。

為對D-CAES的煙氣余熱進行充分利用，并滿足用戶側(cè)的多種能源需求，筆者提出了一種耦合SCO2簡單回熱式循環(huán)的壓縮空氣儲能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(SCO2CAESCHP)，以循環(huán)效率、效率、度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)為性能指標，對該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)與傳統(tǒng)D-CAES系統(tǒng)進行了綜合對比分析。同時，研究了系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對性能指標的影響，最后以性能指標為目標函數(shù)、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為決策變量，對該冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行了多目標優(yōu)化。

1 系統(tǒng)概述

SCO2CAESCHP系統(tǒng)如圖1所示，其主要部件包括：壓氣機(C1、C2和C3)、級間換熱器(HEX1和HEX2)、級后換熱器(HEX3)、制冷換熱器(HEX4)、空氣預(yù)熱器(HEX5)、儲氣洞穴、節(jié)流閥、燃燒室(CB1和CB2)、高壓燃氣透平(HP)及低壓燃氣透平(LP)、CO2壓縮機(SC)、CO2透平(SP)、加熱器(Heater)、回熱器(Recu)及冷卻器(Cooler)。該系統(tǒng)按照供能類型的不同可劃分為CAES供電子系統(tǒng)、SCO2循環(huán)供電子系統(tǒng)、供冷子系統(tǒng)、供熱子系統(tǒng)。

圖1 SCO2CAESCHP系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCO2CAESCHP system

SCO2CAESCHP的運行過程如下：在儲能階段，來自外部的電能驅(qū)動壓氣機壓縮空氣，空氣經(jīng)多級壓縮、冷卻后被存儲至儲氣洞穴。在釋能階段，空氣由儲氣洞穴流出并進入節(jié)流閥進行節(jié)流，在此過程中，由于膨脹和節(jié)流效應(yīng)，空氣溫度會降低，因此布置制冷換熱器來回收這部分空氣冷量，并將冷量供給冷用戶。空氣隨后繼續(xù)進入空氣預(yù)熱器及燃燒室進行加熱及燃燒，生成的高溫高壓煙氣驅(qū)動高、低壓燃氣透平發(fā)電。低壓燃氣透平排出的高溫煙氣首先用于驅(qū)動SCO2循環(huán)發(fā)電，然后流入空氣預(yù)熱器加熱壓縮空氣，最后排至外部環(huán)境。SCO2循環(huán)供電子系統(tǒng)排出的余熱品位較低(85 ℃左右)，適合給家庭或商業(yè)樓宇供熱。

2 系統(tǒng)建模

2.1 D-CAES系統(tǒng)部件熱力學(xué)模型

為了便于系統(tǒng)性能分析，本文提出如下假設(shè)：(1) 將空氣近似作為理想氣體處理；(2) 忽略空氣流經(jīng)管道時產(chǎn)生的壓力及熱量損失。

2.1.1 壓氣機

本文中的3級壓氣機采取等壓比分配的運行方式[18]，壓氣機在實際條件下的出口空氣比焓hc,out為：

(1)

壓氣機功率Pc為：

Pc=qm,c(hc,out-hc,in)

(2)

式中：qm,c為壓氣機空氣質(zhì)量流量，kg/s。

2.1.2 換熱器

D-CAES系統(tǒng)中的換熱器為逆流換熱器，假設(shè)冷、熱流體的熱容率相等，則冷、熱流體的進出溫度[7]分別為：

Tcold,out=Tcold,in+ε(Thot,in-Tcold,in)

(3)

Thot,out=Thot,in-ε(Thot,in-Tcold,in)

(4)

式中：ε為換熱器效能；Tcold,in、Thot,in分別為冷、熱流體的進口溫度，℃；Tcold,out、Thot,out分別為冷、熱流體的出口溫度，℃。

流體流經(jīng)換熱器所產(chǎn)生的壓損Δp[19]為：

(5)

式中：pin為換熱器流體進口壓力，MPa。

2.1.3 燃燒室

在設(shè)定燃燒室出口溫度情況下，燃燒室進口燃料質(zhì)量流量為：

(6)

式中：qm,air為燃燒室進口空氣質(zhì)量流量，kg/s；hair為燃燒室進口空氣比焓，kJ/kg；qm,fuel為燃燒室進口燃料質(zhì)量流量，kg/s；hfuel為燃燒室進口燃料比焓，kJ/kg；hgas為燃燒室出口煙氣比焓，kJ/kg；QLHV為燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηb為燃燒室效率。

2.1.4 儲氣洞穴

由于地下鹽穴具有技術(shù)成熟、儲氣壓力高、體積大及造價低等優(yōu)點[5]，因此選取地下鹽穴作為儲氣洞穴。儲氣洞穴內(nèi)部空氣溫度、壓力隨時間的變化規(guī)律為：

(7)

(8)

式中：m為儲氣洞穴內(nèi)存儲的空氣質(zhì)量，kg；T為儲氣洞穴內(nèi)空氣的溫度，℃；p為儲氣洞穴內(nèi)空氣的壓力，kPa；qm,in、qm,out分別為儲氣洞穴的充氣、放氣質(zhì)量流量，kg/s；V為儲氣洞穴容積，m3；A為儲氣洞穴內(nèi)部換熱面積，m2；Tin為儲氣洞穴進口空氣溫度，℃；Twall為儲氣洞穴壁面溫度，℃；U為儲氣洞穴壁面與內(nèi)部空氣之間的對流傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；cp、cv分別為空氣的比定壓、比定容熱容，kJ/(kg·K)；Rg為氣體常數(shù)，取0.287 kJ/(kg·K);t為時間，s。

定義有效換熱系數(shù)Ueff[18]為：

(9)

2.1.5 燃氣透平

燃氣透平在實際條件下的出口煙氣比焓ht,out為：

(10)

燃氣透平功率Pt為：

Pt=qm,gas(ht,in-ht,out)

(11)

式中：qm,gas為燃氣透平煙氣質(zhì)量流量，kg/s。

2.2 SCO2循環(huán)系統(tǒng)部件熱力學(xué)模型

為了便于系統(tǒng)性能分析，對SCO2循環(huán)系統(tǒng)作如下假設(shè)：(1) 忽略CO2流經(jīng)管道時產(chǎn)生的壓力及熱量損失；(2) CO2流經(jīng)換熱器時所產(chǎn)生的壓損為0.1 MPa。

2.2.1 CO2壓縮機

CO2壓縮機實際條件下的出口比焓hs,c,out為：

(12)

CO2壓縮機功率Ps,c為：

Ps,c=qm,CO2(hs,c,out-hs,c,in)

(13)

式中：qm,CO2為CO2循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s。

2.2.2 CO2透平

CO2透平實際條件下的出口比焓hs,t,out為：

(14)

CO2透平功率Ps,t為：

Ps,t=qm,CO2(hs,t,in-hs,t,out)

(15)

2.2.3 換熱器

本文對加熱器、回熱器及冷卻器進行建模，其能量守恒方程分別為：

qm,gas(h15-h16)=qm,CO2(h18-h23)

(16)

qm,CO2(h19-h20)=qm,CO2(h23-h22)

(17)

qm,CO2(h20-h21)=qm,w(h24-h25)

(18)

式中：qm,w為冷卻器冷卻水質(zhì)量流量，kg/s;h為比焓，kJ/kg,其下標數(shù)值對應(yīng)圖1中相應(yīng)位置。

2.3 系統(tǒng)評價模型

試驗組將納米碳注射腫瘤局部，其擴散迅速，染黑腫瘤區(qū)域引流的淋巴結(jié)，標明前哨淋巴結(jié)位置，有效減少冰凍切片次數(shù)，還可指導(dǎo)術(shù)中淋巴結(jié)清掃范圍，同時有助于區(qū)分甲狀旁腺與黑染的淋巴結(jié)，降低甲狀旁腺誤傷率。

(19)

(20)

式中：s為工質(zhì)的比熵，kJ/(kg·K)；下標i表示工質(zhì)狀態(tài),0表示工質(zhì)的基準狀態(tài)，本文中的基準狀態(tài)取環(huán)境狀態(tài)。

(21)

(22)

系統(tǒng)年度總成本CATC[3]為：

CATC=CAC+CO&M+Cfuel

(23)

式中：CAC為年度資金成本，美元；CO&M為年度運維成本，美元；Cfuel為年度燃料成本，美元。

年度資金成本CAC[3]為：

CAC=CTIC×α

(24)

式中：CTIC為初始總投資，美元；α為資金回收系數(shù)。

系統(tǒng)初始總投資CTIC[3]為：

(25)

式中：Zi為第i個系統(tǒng)部件的購買成本，美元。系統(tǒng)各部件的投資成本方程如表1[21-23]所示。

表1 系統(tǒng)各部件投資成本方程Tab.1 Investment cost equation for each component of the system

資金回收系數(shù)α[3]為：

(26)

式中：j為資金折現(xiàn)率；n為系統(tǒng)預(yù)估使用壽命，a。

年度運維成本CO&M[3]為：

CO&M=βCTIC

(27)

式中：β為系統(tǒng)部件運維成本比，%。

年度燃料成本Cfuel為：

(28)

其中,

(29)

(30)

式中：ECAES,c為D-CAES系統(tǒng)3級壓氣機消耗的總電能，MJ；Pc1、Pc2、Pc3分別為D-CAES系統(tǒng)3級壓氣機的功率，MW；coff-peak為低谷電價，美元/(kW·h)；mNG為D-CAES系統(tǒng)2級燃燒室消耗的天然氣總量，kg；cNG為天然氣價格，美元/kg；qm,NG1、qm,NG2分別為D-CAES系統(tǒng)2級燃燒室天然氣進口質(zhì)量流量，kg/s；φ為系統(tǒng)容量系數(shù)，表示一年內(nèi)系統(tǒng)工作天數(shù)的比例；tch、tdis分別為系統(tǒng)儲能時間和釋能時間，s。

2.3.3 環(huán)境影響模型

系統(tǒng)燃燒天然氣所排放的某項污染物總量mPROD,i[24]為：

(31)

式中：κi為污染物i的排放系數(shù)，g/(kW·h)，具體如表2[24]所示。

表2 天然氣排放系數(shù)Tab.2 Emission factors of natural gas

系統(tǒng)造成的溫室效應(yīng)潛能值θGRE[24]為：

(32)

式中：δGRE,i為污染物i的溫室效應(yīng)潛能指數(shù)。

系統(tǒng)造成的酸化效應(yīng)潛能值θACE[24]為：

(33)

式中：δACE,i為污染物i的酸化效應(yīng)潛能指數(shù)。

系統(tǒng)造成的PM2.5效應(yīng)潛能值θPAM[24]為：

(34)

式中：δPAM,i為污染物i的PM2.5效應(yīng)潛能指數(shù)。各項污染物的污染潛能指數(shù)如表3[24]所示。

表3 污染物污染潛能指數(shù)Tab.3 Pollution potential index of pollutants

2.3.4 系統(tǒng)性能評價指標

循環(huán)效率ηRTE為：

(35)

其中,

(36)

(37)

(38)

(39)

式中：ECAES,t為D-CAES系統(tǒng)高、低壓燃氣透平總輸出電能，MJ；Pht、Plt分別為D-CAES系統(tǒng)高、低壓燃氣透平功率，MW；Es,net為SCO2循環(huán)系統(tǒng)凈輸出電能，MJ；Eheating為冷卻器輸出熱能，MJ；Pheating為冷卻器供熱功率，MW；Ecooling為制冷換熱器輸出冷能，MJ；Pcooling為制冷換熱器供冷功率，MW。

(40)

式中：Ex,heating為冷卻器輸出的熱量，MJ；Ex,cooling為制冷換熱器輸出的冷量，MJ。

度電成本可定義為系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kW·h電能所需成本[3]，可表示為：

(41)

度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)可定義為系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kW·h電能對環(huán)境造成的綜合潛在影響，可表示為：

(42)

式中：ω1為溫室效應(yīng)權(quán)重系數(shù)；ω2為酸化效應(yīng)權(quán)重系數(shù)；ω3為PM2.5污染效應(yīng)權(quán)重系數(shù)。本文中ω1=ω2=ω3=1/3[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)綜合性能對比分析

SCO2CAESCHP系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)[25-26]和熱力性能相關(guān)計算結(jié)果如表4和表5所示，并將其與圖2所示的傳統(tǒng)D-CAES系統(tǒng)進行了對比。SCO2CAESCHP系統(tǒng)的循環(huán)效率及效率分別為58.68%和49.62%，相較于D-CAES系統(tǒng)，分別提升了12.89%和5.37%。相比于圖2所示系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的燃燒室1進口天然氣質(zhì)量流量增加了0.42 kg/s，這主要是因為D-CAES系統(tǒng)中，低壓燃氣透平排出的高溫煙氣直接通入空氣預(yù)熱器，因此可以將壓縮空氣預(yù)熱至更高溫度，在高壓燃氣透平進口溫度相等的情況下，D-CAES系統(tǒng)的燃燒室1所消耗的天然氣量更少。然而，SCO2CAESCHP系統(tǒng)由于增設(shè)了SCO2循環(huán)系統(tǒng)來對D-CAES系統(tǒng)排放的煙氣余熱進行回收利用，并增加了制冷換熱器來對節(jié)流后空氣冷量進行回收，因此相比于圖2所示系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的凈輸出電能增加了18.29 MW，另外還可分別向冷、熱用戶輸出5.85 MW的冷量及33.22 MW的熱量。因此，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的循環(huán)效率和效率均有明顯地提升。

表4 系統(tǒng)基本設(shè)計參數(shù)Tab.4 Basic design parameters of the system

表5 系統(tǒng)熱力性能計算結(jié)果Tab.5 Calculation results for the system thermal performance

圖2 傳統(tǒng)D-CAES系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of traditional D-CAES system

SCO2CAESCHP系統(tǒng)各部件的損占比分布如圖3所示，2級燃燒室的損占比最高，占系統(tǒng)總損的48.87%，這主要是因為燃燒室進出口工質(zhì)之間存在較大溫差，且燃燒過程具有強烈的不可逆性；壓縮級組的級間換熱器及級后換熱器的損占比次之，占系統(tǒng)總損的21.55%，這是因為在D-CAES系統(tǒng)中，燃料可提供足夠熱量來加熱壓縮空氣，因此不需要增加儲熱裝置來對壓縮熱進行回收，由此而造成了損；儲氣洞穴損占總損的11.41%，這主要是因為在充放氣過程中，壓縮空氣與洞穴壁面之間存在流動、對流散熱損失。D-CAES系統(tǒng)部件損之和占總損的96.77%，而SCO2循環(huán)系統(tǒng)部件損之和僅占總損的3.23%。在SCO2循環(huán)系統(tǒng)中，透平損占比最高，為1.49%；相較于透平，壓縮機損占比較低，僅為0.35%，這主要是因為壓縮機入口工質(zhì)狀態(tài)接近CO2臨界點，CO2黏度較低，而且?guī)缀鯙椴豢蓧嚎s流體，壓縮過程不可逆損失較少。

圖3 SCO2CAESCHP系統(tǒng)各部件損占比分布圖Fig.3 Distribution diagram of exergy destruction of each component of SCO2CAESCHP system

表6為SCO2CAESCHP系統(tǒng)經(jīng)濟性分析所需相關(guān)參數(shù)[3,27-29]。進行經(jīng)濟性計算時，相關(guān)價格按匯率1美元=6.7元人民幣折算。經(jīng)濟性計算結(jié)果見表7，相比于D-CAES系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的年度總成本較高，主要有2個原因：(1) SCO2CAESCHP系統(tǒng)增設(shè)了SCO2循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)初始總投資由于購入相應(yīng)部件而增加，從而導(dǎo)致年度資金成本及年度運維成本也相應(yīng)增加；(2) 由前文分析可知，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的天然氣消耗量要大于D-CAES系統(tǒng)，因此其年度燃料成本也相應(yīng)較高。但是，SCO2CAESCHP系統(tǒng)年度總發(fā)電量也高于D-CAES系統(tǒng)。綜合來看，相比于D-CAES系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的度電成本降低了0.32美分/(kW·h)，經(jīng)濟性有所提升。

表6 系統(tǒng)經(jīng)濟性計算所需參數(shù)Tab.6 Parameters required for the calculation of economic performance of the system

表7 經(jīng)濟性計算結(jié)果Tab.7 Calculation results of economic performance

表8為SCO2CAESCHP系統(tǒng)整個運行周期內(nèi)的各污染物排放量，并將其與D-CAES系統(tǒng)進行了對比。由前文分析可知，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的天然氣消耗量大于D-CAES系統(tǒng)，因此其各項污染物排放量均較高。另外，本文除計算了度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)外，還依據(jù)表8中數(shù)據(jù)計算了系統(tǒng)碳排放系數(shù)，其可定義為系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kW·h電能所排放的CO2量。度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)及碳排放系數(shù)的計算結(jié)果如圖4所示，相比于D-CAES系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)及碳排放系數(shù)分別降低了2.50及7.50 g/(kW·h)，環(huán)境性能有所提升。

表8 系統(tǒng)各項污染物排放量Tab.8 Emissions of each pollutant of the system 單位：g

圖4 系統(tǒng)環(huán)境性計算結(jié)果Fig.4 Calculation results of economic performance of the system

3.2 參數(shù)分析

3.2.1 儲氣洞穴最大儲氣壓力對系統(tǒng)性能的影響

儲氣洞穴最高儲氣壓力對SCO2CAESCHP系統(tǒng)性能指標的影響如圖5和圖6所示。隨著儲氣洞穴最大儲氣壓力的升高，系統(tǒng)循環(huán)效率、效率、度電成本均有所降低，而度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)則幾乎保持不變。這主要是因為：從輸入能量來看，在最小儲氣壓力不變的情況下，最大儲氣壓力越大，儲氣洞穴內(nèi)儲存的空氣總質(zhì)量越多，若充放氣流量維持不變，則系統(tǒng)儲、釋能時間均增加，故壓氣機消耗的電能總量增加；最大儲氣壓力對2級燃燒室的進口天然氣流量無影響，因此隨著釋能時間的增加，2級燃燒室消耗的燃料總量增加。從輸出能量來看，最大儲氣壓力越大，制冷換熱器的供冷功率越高，這是因為節(jié)流閥前后壓差增加，從而導(dǎo)致節(jié)流閥出口溫度降低，因此其供冷功率升高，且隨著釋能時間增加，制冷換熱器的總冷能輸出增加；最大儲氣壓力增加導(dǎo)致釋能時間增加，故系統(tǒng)總輸出電、熱能也增加。綜上所述，系統(tǒng)的輸入能量和輸出能量均增加，但輸出能量的增加幅度要小于輸入能量，因此循環(huán)效率及效率均下降。2級燃燒室天然氣消耗總量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)年度燃料成本及污染物排放量增加，而系統(tǒng)的總輸出電能增加更多，因此在上述兩方面因素的綜合影響下，系統(tǒng)度電成本呈下降趨勢，但下降速度逐漸減緩，而度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)則幾乎保持不變。

圖5 儲氣洞穴最大儲氣壓力對循環(huán)效率及效率的影響Fig.5 Effect of the maximum storage pressure of the cavern on cycle efficiency and exergy efficiency

圖6 儲氣洞穴最大儲氣壓力對度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)的影響Fig.6 Effect of the maximum storage pressure of the cavern on levelized cost of electricity and index of levelized comprehensive environmental effect

3.2.2 低壓燃氣透平入口壓力對系統(tǒng)性能的影響

低壓燃氣透平入口壓力對SCO2CAESCHP系統(tǒng)性能指標的影響如圖7和圖8所示。隨著低壓燃氣透平入口壓力的增加，系統(tǒng)循環(huán)效率、效率均先升高后降低，而度電成本先減小后增加，度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)呈下降趨勢。這主要是因為：在高、低壓燃氣透平總膨脹比不變的情況下，隨著低壓燃氣透平入口壓力的增加，高壓燃氣透平膨脹比降低，而低壓燃氣透平膨脹比升高，高、低壓燃氣透平入口溫度均可通過調(diào)節(jié)燃燒室入口天然氣流量來維持恒定，因此高壓燃氣透平出口溫度升高、功率降低，而低壓燃氣透平出口溫度降低、功率升高，高、低壓燃氣透平總功率則先升高后下降。由于低壓燃氣透平出口溫度降低，對于SCO2循環(huán)系統(tǒng)而言，相當于外部熱源溫度降低，因此SCO2循環(huán)系統(tǒng)凈輸電功率、熱功率均降低。由于高壓燃氣透平出口溫度升高，則需要降低燃燒室2的入口天然氣流量以維持低壓燃氣透平入口溫度不變；而低壓燃氣透平出口溫度的降低也導(dǎo)致空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度及燃燒室1入口空氣溫度隨之降低，故需要增加燃燒室1的入口天然氣流量以維持高壓燃氣透平入口溫度不變，而2級燃燒室消耗天然氣總量則主要受燃燒室2的影響呈下降趨勢。綜上所述，受各部分不同變化趨勢的影響，系統(tǒng)循環(huán)效率及效率均先升高后下降；2級燃燒室天然氣消耗總量的減少會導(dǎo)致系統(tǒng)年度燃料成本及污染物排放量降低，而系統(tǒng)的總輸出電能主要受高、低壓燃氣透平輸出電能影響呈先增加后減小的趨勢，在上述兩方面因素的綜合影響下，度電成本先減小后增加，而度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)呈下降趨勢。

圖7 低壓燃氣透平入口壓力對循環(huán)效率及效率的影響Fig.7 Effect of low pressure gas turbine inlet pressure on cycle efficiency and exergy efficiency

圖8 低壓燃氣透平入口壓力對度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)的影響Fig.8 Effect of low pressure gas turbine inlet pressure on the levelized cost of electricity and index of levelized comprehensive environmental effect

3.2.3 SCO2循環(huán)系統(tǒng)最高壓力對系統(tǒng)性能的影響

SCO2循環(huán)系統(tǒng)最高壓力對SCO2CAESCHP系統(tǒng)性能指標的影響如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，隨著SCO2循環(huán)系統(tǒng)最高壓力的升高，系統(tǒng)循環(huán)效率、效率及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)均上升，而度電成本下降。這主要是因為：在SCO2循環(huán)系統(tǒng)中，在最低壓力不變的情況下，隨著最高壓力的升高，CO2透平膨脹比及CO2壓縮機壓比均增加，因此CO2透平及CO2壓縮機功率均升高，但CO2壓縮機功率的升高程度低于CO2透平，因此SCO2循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出電功率還是呈上升趨勢。由前文中所建立的SCO2循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)模型推導(dǎo)可知，隨著最高壓力的升高，加熱器出口煙氣溫度即空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度降低，則燃燒室1入口空氣溫度也隨之降低，需要增加燃燒室1入口天然氣流量以維持高壓燃氣透平入口溫度不變，因此2級燃燒室天然氣消耗總量受燃燒室1的影響而增加。綜上所述，系統(tǒng)循環(huán)效率、效率主要受SCO2循環(huán)系統(tǒng)凈輸出電能增加的影響而升高；2級燃燒室天然氣消耗總量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)年度燃料成本及污染物排放量增加，度電成本主要受SCO2循環(huán)系統(tǒng)凈輸出電能增加的影響而降低，而度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)主要受天然消耗總量增加的影響而升高。

圖9 SCO2循環(huán)系統(tǒng)最高壓力對循環(huán)效率及效率的影響Fig.9 Effect of the maximum pressure of SCO2 circulating system on cycle efficiency and exergy efficiency

圖10 SCO2循環(huán)系統(tǒng)最高壓力對度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)的影響Fig.10 Effect of the maximum pressure of SCO2 circulating system on levelized cost of electricity and index of levelized comprehensive environmental effect

3.3 多目標優(yōu)化

采用改進非支配排序遺傳算法(NSGA-II)，分別將系統(tǒng)循環(huán)效率、效率、度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)進行三三組合，構(gòu)建2個多目標函數(shù)組合，選擇參數(shù)分析中的3個系統(tǒng)參數(shù)及低壓燃氣透平入口溫度、回熱器冷端端差及系統(tǒng)容量系數(shù)作為決策變量，對系統(tǒng)展開多目標優(yōu)化。表9和表10分別為遺傳算法優(yōu)化參數(shù)設(shè)置和決策變量的約束范圍。

表9 遺傳算法優(yōu)化參數(shù)設(shè)置Tab.9 Parameter settings for genetic algorithm optimization

表10 決策變量約束范圍Tab.10 Constraint ranges of decision variables

圖11和圖12分別為組合①和組合②的Pareto最優(yōu)前沿解集。筆者采取優(yōu)劣解距離法作為評價方法，根據(jù)有限個Pareto解與理想Pareto解之間的接近程度對其進行排序，將解的優(yōu)劣表征為空間中的距離，距離理想Pareto解越近的Pareto解性能越好。

由圖11可知，A點處所對應(yīng)的位置為組合①的理想Pareto最優(yōu)解，在此點可以同時使循環(huán)效率、效率及度電成本取得最優(yōu)值，則Pareto最優(yōu)前沿解集中距離A點最近的B點為組合①的Pareto最優(yōu)解。通過觀察Parteo圖也可以得出，隨著循環(huán)效率和效率的不斷增加，度電成本總體呈上升趨勢，上升趨勢較為緩慢，但當超過B點后，度電成本的增加速度大幅提升，說明若繼續(xù)提升系統(tǒng)循環(huán)效率和效率，將會使系統(tǒng)經(jīng)濟性能快速下降。B點所對應(yīng)的系統(tǒng)最優(yōu)循環(huán)效率、效率及度電成本分別為61.90%、52.77%和6.36美分/(kW·h)。

同理，由圖12可知，C點處所對應(yīng)的位置為組合②的理想Pareto最優(yōu)解，則Pareto最優(yōu)前沿解集中距離C點最近的D點為組合②的Pareto最優(yōu)解。C點所對應(yīng)的系統(tǒng)最優(yōu)效率、度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)分別為52.71%、6.35美分/(kW·h)及84.53。

圖11 組合①的Pareto最優(yōu)前沿解集Fig.11 Pareto optimal frontier solution set for combination ①

圖12 組合②的Pareto最優(yōu)前沿解集Fig.12 Pareto optimal frontier solution set for combination ②

4 結(jié) 論

(1) 相較于傳統(tǒng)的D-CAES系統(tǒng)，SCO2CAESCHP系統(tǒng)的循環(huán)效率、效率、度電成本及度電綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)均有所改善。