先進(jìn)儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力特性及靈活性分析

李佳佳， 李興朔， 周國文， 顏培剛， 劉金福， 于達(dá)仁

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，我國電力系統(tǒng)正加速向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型；可再生能源的迅猛發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)容量提出了更高的要求[1]。而據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量占比僅不到6%[2]。為保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，順利推進(jìn)電力系統(tǒng)清潔化轉(zhuǎn)型，急需大比例靈活電源改善電源結(jié)構(gòu)，緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力，解決新能源電力消納問題。因此，火電機(jī)組將加快由主體性電源向提供支撐性輔助服務(wù)的調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型[3]。然而，火電機(jī)組受鍋爐調(diào)峰深度有限、低負(fù)荷運(yùn)行下經(jīng)濟(jì)性和安全性難以保證、調(diào)節(jié)速率不高等限制，機(jī)組的靈活性提升有限[4]。尤其是冬季供暖期，火電機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行方式導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小，調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，無法很好地承擔(dān)電力系統(tǒng)“壓艙石”的重要使命。

電儲(chǔ)能技術(shù)具有響應(yīng)速度快和能量時(shí)移的優(yōu)勢(shì)，因此火-儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行成為解決以上問題的重要手段。目前，國內(nèi)大型火電機(jī)組配合建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)節(jié)已開展并投運(yùn)了多個(gè)項(xiàng)目[5]，但大多只是利用儲(chǔ)能來輔助火電機(jī)組提升調(diào)頻性能，在輔助調(diào)峰方面投運(yùn)較少。盡管部分學(xué)者開展了電池儲(chǔ)能電站等技術(shù)輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰在容量配置、經(jīng)濟(jì)性等方面的理論研究[6-8]，但鑒于調(diào)峰成本，仍以小容量配置為主，無法滿足新能源為主體的電力系統(tǒng)對(duì)火電機(jī)組大范圍、高靈活性的調(diào)節(jié)需求，同時(shí)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)機(jī)組固有的熱電耦合約束帶來的調(diào)節(jié)范圍受限問題仍無法緩解。

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage，AA-CAES)系統(tǒng)以其容量大、零污染、壽命長(zhǎng)、成本低、選址靈活等優(yōu)勢(shì)，近年來受到學(xué)者們的重點(diǎn)關(guān)注[9]。鑒于其自身運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生壓縮熱的特殊性，有研究人員提出將AA-CAES系統(tǒng)與其他熱力循環(huán)或系統(tǒng)耦合集成構(gòu)成高效新型系統(tǒng)，例如生物質(zhì)[10]、有機(jī)朗肯循環(huán)及吸收壓縮制冷循環(huán)[11]、太陽能及海水淡化系統(tǒng)[12]等，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。在火電機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)耦合集成方面，目前成果較少。Pan等[13]將某350 MW火電機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)集成，對(duì)該集成系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下不同方案的熱力過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：AA-CAES系統(tǒng)與火電機(jī)組集成后，其循環(huán)效率和效率分別可達(dá)64.08%和70.01%。文獻(xiàn)[14]～文獻(xiàn)[17]同樣將AA-CAES系統(tǒng)與火電機(jī)組的汽水系統(tǒng)進(jìn)行耦合，并比較了多種可行方案的熱力學(xué)指標(biāo)，其主要區(qū)別在于所研究的火電機(jī)組參數(shù)及集成方式不同。

以上研究證明，火電機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)通過熱力學(xué)集成能夠提升能源利用水平。但其出發(fā)點(diǎn)在于提高儲(chǔ)能的循環(huán)效率，一方面未考慮其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的影響，即未考慮其在新型電力系統(tǒng)中的重要作用；另一方面，研究對(duì)象往往為純凝機(jī)組，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作為重要的改造對(duì)象，其涉及2種能流和不同約束條件，使問題變得更加復(fù)雜。

針對(duì)這一不足，結(jié)合AA-CAES系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性，筆者提出了一種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)和熱網(wǎng)耦合集成的先進(jìn)儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以某典型的350 MW供熱機(jī)組及30 MW的AA-CAES系統(tǒng)作為研究對(duì)象，構(gòu)建了集成系統(tǒng)的通用化熱力計(jì)算模型；據(jù)此開展了二者獨(dú)立運(yùn)行及耦合運(yùn)行2種模式時(shí)系統(tǒng)能流特性的數(shù)值研究，并對(duì)比分析了多個(gè)供熱工況下能源利用水平和運(yùn)行靈活性。研究結(jié)果可為面向新能源為主體電力系統(tǒng)的火電機(jī)組及AA-CAES系統(tǒng)的發(fā)展路徑提供參考。

1 儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

結(jié)合AA-CAES系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性，提出一種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)和熱網(wǎng)耦合集成的儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)具有儲(chǔ)能、釋能和待機(jī)3種運(yùn)行模式。圖中，Ain為冷凝水，Aout為與空氣換熱后的高溫水，Bout為換熱完成后的回水，Cin為采暖抽汽，Cout為抽汽凝結(jié)水。

(a) 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

儲(chǔ)能模式一般面向可再生能源生產(chǎn)過?；螂娏ω?fù)荷較低而熱負(fù)荷較高的熱電供需不匹配的場(chǎng)景，要求盡可能降低滿足供熱需求的最小輸出功率，以擴(kuò)大其向下調(diào)節(jié)的能力。該模式下，利用多余電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為壓力能儲(chǔ)存，減少上網(wǎng)電量，為新能源消納騰出空間；同時(shí)，將伴隨產(chǎn)生的熱能回收利用，以提高能量利用效率。首先，從火電機(jī)組Ain位置處抽取一定冷凝水冷卻高壓空氣，將壓縮熱回收。然后，利用回收的壓縮熱與從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組抽取的供暖蒸汽共同為用戶供熱，減少火電機(jī)組的相對(duì)熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)熱電部分解耦，擴(kuò)大火電機(jī)組調(diào)節(jié)范圍。壓縮熱用于供熱后，水介質(zhì)熱能品味降低，但仍具有一定的可利用空間。根據(jù)回水溫度等級(jí)，將其回注到給水系統(tǒng)與之匹配的位置，以充分利用余熱。根據(jù)所研究系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，回水耦合點(diǎn)設(shè)置為第六級(jí)給水加熱器的入口處。

當(dāng)電力負(fù)荷較高時(shí)，系統(tǒng)投入到釋能模式，AA-CAES系統(tǒng)的釋能子系統(tǒng)被激活，釋放出所儲(chǔ)存的電能，與火電機(jī)組共同緩解電網(wǎng)的能量供給不足問題。為了提高膨脹機(jī)的工作效率，利用Cin位置處的采暖抽汽對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)前的高壓空氣進(jìn)行預(yù)熱。抽取的蒸汽在換熱后凝結(jié)成水，并流入到除氧器中。當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組生產(chǎn)的供熱量和供電量與熱電負(fù)荷匹配良好、電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求不高，火電機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行即可滿足高效供能和調(diào)節(jié)時(shí)，AA-CAES系統(tǒng)處于待機(jī)模式。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

融合雙方工作特點(diǎn)及熱力循環(huán)機(jī)理，將AA-CAES系統(tǒng)集成到熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中構(gòu)成的儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 在儲(chǔ)能階段降低火電機(jī)組最小上網(wǎng)電量，在釋能階段能夠提高系統(tǒng)最大輸出功率，從而擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域。

(2) 壓縮熱聯(lián)合供熱可緩解火電機(jī)組的熱電耦合約束，擴(kuò)大熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍。

(3) 儲(chǔ)能響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)成本低，聯(lián)合運(yùn)行可減少火電機(jī)組啟停機(jī)和大幅度、快速變負(fù)荷次數(shù)，降低調(diào)節(jié)成本，延長(zhǎng)部件使用壽命。

(4) 基于熱力學(xué)機(jī)理的2個(gè)系統(tǒng)循環(huán)拼接可促進(jìn)熱能得到充分利用，進(jìn)而提高AA-CAES系統(tǒng)的循環(huán)效率。

(5)免除額外配置儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷罐的投資成本，同時(shí)可共享熱電廠既有土地、配套設(shè)施和人力資源，可降低AA-CAES系統(tǒng)的投資和運(yùn)維成本。

2 數(shù)學(xué)模型及評(píng)價(jià)方法

2.1 AA-CAES模型

AA-CAES系統(tǒng)的工作過程主要分成壓縮儲(chǔ)氣和放氣膨脹2個(gè)過程，涉及的主要部件包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、高壓儲(chǔ)氣裝置、換熱器，以及儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷系統(tǒng)。與火電機(jī)組耦合后，無需額外設(shè)置儲(chǔ)熱/冷裝置，因此主要考慮壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器以及儲(chǔ)氣裝置的熱力計(jì)算模型。為了便于進(jìn)行系統(tǒng)性能計(jì)算，建模時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：(1) 空氣為理想氣體；(2) 壓縮及膨脹過程均視為絕熱過程；(3) 忽略換熱器中的熱耗散及壓力損失；(4) 假定換熱過程和氣體存儲(chǔ)時(shí)無工質(zhì)泄漏；(5) 節(jié)流過程為等焓過程。

2.1.1 壓縮機(jī)

由于實(shí)際壓縮過程的不可逆性，將儲(chǔ)能過程視為絕熱多變過程。對(duì)于第i級(jí)壓縮機(jī)而言，其出口氣體溫度與入口氣體溫度的關(guān)系可表示為：

(1)

式中：下標(biāo)in、out分別代表入口和出口，c代表壓縮機(jī)；T為氣體溫度，K；πc,i為第i級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比；ηis為絕熱效率；k為空氣的絕熱指數(shù)。

空氣經(jīng)過各級(jí)壓縮機(jī)消耗的總功率Pc可由壓縮機(jī)流量及進(jìn)出口空氣的焓值計(jì)算得到：

(2)

式中：qm為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Nc為壓縮機(jī)級(jí)數(shù)；h為空氣焓，kJ/kg。

2.1.2 換熱器

對(duì)于逆流布置的管殼式換熱器，其換熱器效能ε為：

(3)

式中：N為傳熱單元數(shù)，表示換熱器傳熱量大小的無量綱量；Cr為換熱器兩側(cè)流體最小及最大熱容量之比；U為換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為換熱器有效換熱面積，m2；Cmin、Cmax分別為換熱器兩側(cè)流體最小、最大熱容量(流量與比定壓熱容的乘積)。

換熱器內(nèi)交換的總熱量Qhe為：

Qhe=qm,cold(hcold,out-hcold,in)=qm,hot(hhot,in-

hhot,out)

(4)

式中：下標(biāo)cold、hot分別表示換熱器兩端冷、熱流體。

2.1.3 儲(chǔ)氣罐

基于質(zhì)量及能量平衡方程，可以構(gòu)建儲(chǔ)氣罐的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)儲(chǔ)氣罐內(nèi)儲(chǔ)氣的質(zhì)量及能量進(jìn)行求解：

(5)

Ken,stAen,st(Tst-Ten)

(6)

式中：下標(biāo)st代表儲(chǔ)氣罐,0代表初始值,en代表環(huán)境；m為空氣質(zhì)量，kg；u為氣體內(nèi)能，kJ/kg；Ken,st為儲(chǔ)氣罐與環(huán)境的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Aen,st為儲(chǔ)氣罐與環(huán)境換熱的表面積，m2；t為時(shí)間，s。

2.1.4 膨脹機(jī)

釋能階段，高壓空氣推動(dòng)膨脹機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)做功，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。膨脹過程與壓縮過程類似，同樣可認(rèn)為是一個(gè)多變過程。第j級(jí)膨脹機(jī)的出口溫度為：

(7)

式中：下標(biāo)t代表膨脹機(jī)；πt,j為第j級(jí)膨脹機(jī)的膨脹比。

考慮到發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，膨脹機(jī)對(duì)外輸出總電功率Pt的計(jì)算式為：

(8)

式中：ηG為發(fā)電機(jī)發(fā)電效率；Nt為膨脹機(jī)級(jí)數(shù)。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組模型

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、給水加熱器和輔助泵等部件，其建模機(jī)理參考文獻(xiàn)[18]～文獻(xiàn)[19]。為避免文章冗余，在此不作贅述。

2.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為全面評(píng)估系統(tǒng)的多維度性能，將從熱力經(jīng)濟(jì)性、清潔供暖、運(yùn)行靈活性3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。

2.3.1 熱力經(jīng)濟(jì)性

定義儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用率ηsys為1個(gè)循環(huán)周期內(nèi)輸出總能與輸入總能之比：

(9)

式中：下標(biāo)ch、dis分別表示儲(chǔ)能和釋能階段，fuel代表燃煤；PCHP為火電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合后的實(shí)際發(fā)電量，kW；Qh為供熱量，kW；QLHV,fuel為標(biāo)準(zhǔn)煤低位熱值，kJ/kg。

2.3.2 清潔供暖

通過熱力循環(huán)的集成，與AA-CAES系統(tǒng)集成后火電機(jī)組的熱電輸出特性及內(nèi)部的熱力平衡將會(huì)發(fā)生改變，其煤炭消耗量也會(huì)變化，因此燃煤消耗量變化也被作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

Δmfuel,tot=Δqm,fuel,ch×tch+Δqm,fuel,dis×tdis

(10)

式中：Δqm,fuel,ch和Δqm,fuel,dis分別為在相同供暖需求下，集成系統(tǒng)與獨(dú)立運(yùn)行的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相比的燃煤消耗質(zhì)量流量的變化量，kg/s；Δmfuel,tot為整個(gè)循環(huán)周期的總?cè)济合馁|(zhì)量的變化量，kg。

2.3.3 運(yùn)行靈活性

火電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力可表示為最大及最小發(fā)電能力之差。由于AA-CAES系統(tǒng)間歇性運(yùn)行的特點(diǎn)，在本文的計(jì)算中，儲(chǔ)能型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的靈活調(diào)節(jié)能力定義為：

Prange=PCHP-CAES,max-PCHP-CAES,min

(11)

式中：Prange為給定熱負(fù)荷下儲(chǔ)能型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組功率調(diào)節(jié)范圍，kW；PCHP-CAES,max、PCHP-CAES,min分別為同等熱負(fù)荷下最大和最小發(fā)電功率，kW。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

所研究的典型350 MW亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組具有單軸、一次中間再熱、三缸、雙抽可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)有8級(jí)回?zé)岢槠渲饕夹g(shù)參數(shù)見表1。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將100%熱耗率驗(yàn)收(THA)工況下火電機(jī)組的主要計(jì)算結(jié)果與熱平衡圖提供的對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果見表2。由表2可知，該模型能夠滿足熱力計(jì)算和性能分析的精度要求，可以用于后續(xù)研究。

表1 火電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

表2 火電機(jī)組模型校驗(yàn)

AA-CAES系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)來源于文獻(xiàn)[14]，見表3，該系統(tǒng)為兩級(jí)壓縮、三級(jí)膨脹的結(jié)構(gòu)形式，儲(chǔ)能時(shí)間為6 h。為了與所選用的火電機(jī)組容量適配，通過改變空氣壓縮/膨脹質(zhì)量流量的方式，將AA-CAES系統(tǒng)容量設(shè)置為30 MW，而結(jié)構(gòu)和其他技術(shù)參數(shù)不變，AA-CAES系統(tǒng)模型的驗(yàn)證結(jié)果見表4。由表4可以看出該模型精度可以滿足研究需求。

表3 AA-CAES系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

表4 AA-CAES系統(tǒng)模型校驗(yàn)

儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用“熱跟隨(FHL)”運(yùn)行模式，以保證冬季供暖期居民的剛性供熱需求?？紤]實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景的特點(diǎn)，將基于最小發(fā)電工況對(duì)系統(tǒng)在給定熱負(fù)荷下的運(yùn)行下邊界進(jìn)行評(píng)估。類似的，系統(tǒng)將運(yùn)行于最大發(fā)電工況，以評(píng)估運(yùn)行上邊界。

以80%額定供熱負(fù)荷工況為例，分析該儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在最大及最小發(fā)電工況下的熱力參數(shù)和性能變化情況。熱網(wǎng)供回水溫度分別設(shè)置為120 ℃和50 ℃。該工況下系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)見表5。為滿足供熱需求，原始熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的采暖抽汽質(zhì)量流量為360 t/h，儲(chǔ)能過程壓縮熱與采暖抽汽聯(lián)合供熱使得采暖抽汽質(zhì)量流量減少了35.01t/h。圖2為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行及耦合運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的能流圖。在與AA-CAES系統(tǒng)耦合集成后，壓縮過程共回收178.8 MW·h的熱能，其中138.04 MW·h用于與采暖抽汽聯(lián)合供熱，剩余部分回注到火電機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電-熱功率特性，由于相對(duì)熱負(fù)荷下降，火電機(jī)組的最小發(fā)電量得以降低，最小發(fā)電功率由194.97 MW下降為184.19 MW，同時(shí)壓縮機(jī)將消耗30.1 MW的電能并轉(zhuǎn)化為空氣的壓力能。整體來看，最小負(fù)荷率從火電機(jī)組額定負(fù)荷的55.71%下降至44.02%，相較于原始火電機(jī)組降低了11.69百分點(diǎn)。單次循環(huán)周期內(nèi)，儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最小上網(wǎng)發(fā)電量下降了245.34 MW·h，相當(dāng)于為等量新能源消納提供了上網(wǎng)空間。

(a) 獨(dú)立運(yùn)行-最小發(fā)電工況

表5 典型工況儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力參數(shù)

在耦合運(yùn)行最大發(fā)電工況下，在高壓空氣進(jìn)入膨脹機(jī)之前，需要火電機(jī)組提供29.64 MW的熱量來預(yù)熱壓縮空氣，從而實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)高效發(fā)電。因此，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的抽汽量增加，等效熱負(fù)荷增加到266.20 MW，火電機(jī)組發(fā)電量從276.67 MW下降到268.90 MW，減少了7.77 MW。同時(shí)，AA-CAES系統(tǒng)釋放了30 MW的電功率，整體來看，相比于原始熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，上調(diào)峰能力增加了22.24 MW，約為額定發(fā)電功率的6.35%。綜上，在80%額定供熱負(fù)荷下，與原始的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相比，儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大了63.12 MW，相比于火儲(chǔ)聯(lián)合但不耦合的獨(dú)立運(yùn)行模式提高了3.03 MW。

在循環(huán)周期內(nèi)的能源利用率方面，所提出的儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用率為71.22%，而獨(dú)立運(yùn)行時(shí)二者的綜合能源利用率為70.12%，相比之下提高了1.10百分點(diǎn)。此外，在滿足同樣供暖需求的前提下，該系統(tǒng)單次循環(huán)可節(jié)約煤炭消耗量約27.26 t。

為消除供熱負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響，開展了不同熱負(fù)荷下的性能比較分析。圖3、圖4分別為火儲(chǔ)獨(dú)立運(yùn)行及耦合運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)區(qū)間、燃煤消耗量及能源利用率的變化情況。從圖3可以看出，與AA-CAES系統(tǒng)耦合運(yùn)行后，對(duì)于不同供熱負(fù)荷，均可顯著擴(kuò)大系統(tǒng)的運(yùn)行上下邊界，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力顯著提升。尤其在高供熱負(fù)荷工況下，調(diào)節(jié)性能的提升更加明顯。從圖4可以看出，壓縮熱供熱能夠在保證等量供熱需求的前提下有效降低燃煤消耗量，能夠?qū)崿F(xiàn)低碳、清潔供暖。圖4同時(shí)給出了能源利用方面二者的性能比較?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同供暖工況，耦合運(yùn)行后系統(tǒng)的能源利用率均有所提升。

圖3 儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)區(qū)間

圖4 不同熱負(fù)荷率下能源利用率及節(jié)煤量

此外，對(duì)AA-CAES系統(tǒng)與火電機(jī)組其他發(fā)電工況下的結(jié)合也進(jìn)行了分析研究，從而對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。由于儲(chǔ)能子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一般處于電力低谷時(shí)期，火電機(jī)組往往運(yùn)行于發(fā)電功率較低工況；而釋能子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一般處于用電高峰期，火電機(jī)組通常運(yùn)行于發(fā)電功率較高工況。因此，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為：保持對(duì)外供暖量Qh一定，分別對(duì)比分析同等鍋爐吸熱量Qb時(shí)，處于較低工況的火電機(jī)組與儲(chǔ)能子系統(tǒng)，以及處于較高工況的火電機(jī)組與釋能子系統(tǒng)耦合運(yùn)行2種場(chǎng)景下，所研究系統(tǒng)的整體性能變化情況。以20%額定供熱負(fù)荷工況為例，儲(chǔ)能及釋能過程中典型發(fā)電工況下的計(jì)算結(jié)果見表6，下標(biāo)ori表示獨(dú)立運(yùn)行下的火電機(jī)組。圖5為各工況下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)耦合運(yùn)行及獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的能源利用率情況。結(jié)果表明，對(duì)于不同發(fā)電工況，相比于獨(dú)立運(yùn)行模式，AA-CAES系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)過合理的熱力循環(huán)結(jié)合，在提升能源經(jīng)濟(jì)性方面仍具有優(yōu)勢(shì)。

表6 不同發(fā)電工況下系統(tǒng)熱力計(jì)算結(jié)果

(a) 儲(chǔ)能階段

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)能源轉(zhuǎn)型的迫切需求，充分考慮AA-CAES系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組自身特點(diǎn)和運(yùn)行場(chǎng)景需求，提出供熱機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)和熱網(wǎng)耦合集成的儲(chǔ)能型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“1+1>2”的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、優(yōu)勢(shì)放大的效果。

(2) 在80%額定供熱負(fù)荷工況下，保證同等供熱量前提下，該系統(tǒng)能源利用率提升了1.10百分點(diǎn)，最小負(fù)荷率降低了11.69百分點(diǎn)，最大發(fā)電能力提升22.24 MW(約為額定功率的6.35%)，單次循環(huán)節(jié)煤27.26 t。

(3) 在其他供熱工況下，該系統(tǒng)在熱電解耦、提升機(jī)組調(diào)節(jié)能力、能源利用、清潔供暖方面也具有優(yōu)勢(shì)，在熱需求較高工況的優(yōu)勢(shì)更加顯著。對(duì)于其他發(fā)電工況，該系統(tǒng)的能效也有一定提升。這說明該系統(tǒng)在多工況下均具有較好的能源經(jīng)濟(jì)性。

(4) 研究結(jié)果為面向新能源為主體電力系統(tǒng)的火電機(jī)組及AA-CAES系統(tǒng)的發(fā)展方向提供了一種可行方案。