基于aa-caes技术的热稳定性电联产系统模型研究

基于aa-caes技术的热稳定性电联产系统模型研究

0aa-caes系统随着传统能源的日益匮乏，以风能和太阳能为代表的可能源能源的重要性日益突出。而在对新能源进行开发利用的过程中,其自身的不稳定性成为能源利用的主要障碍。储能系统是解决上述问题的一种有效方法。以先进绝热压缩空气储能(AdvancedAdiabaticCompressedAirEnergyStorage,简称AA-CAES)系统为例,该系统以压缩空气储能(CompressedAirEnergyStorage,简称CAES)和热能存储(ThermalEnergyStorage,简称TES)技术为基础,将富余电力转化为空气的内能,同时存储空气在压缩过程中产生的热量;当需要时再将热量返还给进入透平机的低温高压的空气,利用透平做功发电。AA-CAES系统既避免了CAES系统由于使用燃料而造成的环境污染问题,又具备大规模能量存储的能力,因此受到广泛关注。目前已有不少学者开展了关于AA-CAES系统的研究工作,工作重点主要从功输出最大化的角度对系统进行设计、优化和评估。但在实际情况中,除了电力需求,用户端同样需要冷量或热量供应。而当用户端对冷或热的需求量较大时,以电力输出为主的AA-CAES系统的能量供应并不能满足用户端的负荷需求,并且直接以电力进行供暖和制冷会降低能量的品位,造成能量的浪费。考虑到目前针对AA-CAES系统应用于冷热电联产领域的研究较少,故本文建立了一种基于AA-CAES技术的冷热电联产系统,这对于解决用户端冷热电负荷的变动问题,实现冷热电的供给与用户端需求的动态平衡,优化AA-CAES系统的能量利用具有重要意义。1空气源的调湿设置图1所示系统是以AA-CAES技术为基础的冷热电联产模型。当不考虑热用户和冷用户时,AA-CAES系统仅以出功最大化为目的,后文中以AA-CAES系统的功输出模型指代。如图1中所示,AA-CAES冷热电联产系统模型利用储热器存储压缩空气的过程热,以冷却水作为热量存储介质,根据热用户的需要提供一定比例的热量直接用于供热,剩余的热量由水返还给进入透平机之前的压缩空气,实现空气的升温,同时,由于膨胀之后的气体温度较低,可能存在制冷的能力,故可利用透平出口空气进行制冷。本文的主要假设条件如下:1)空气为理想气体,满足理想气体状态方程;空气与水的比热容为定值;2)忽略管道、储气室及换热器中的压力损失和部件的热量损失,不考虑压气机与电动机、透平机与发电机之间的能量转换效率与能量损失;3)以系统经历一次储能过程和一次做功过程为一次循环,假设每一次循环中储热器存储的热量都被完全利用。定义X为供热率,表示热用户用热量占总存储热量的比例,Y为热返还率,表示压缩空气用热量占总存储热量的比例,满足X+Y=1。同时,本文将分别从能量效率和效率的角度对系统特性进行分析和评价。1.1系统供冷确定图1中所示系统的主要部件为压气机、换热器1、储热器、热用户、储气室、换热器2、透平机、冷用户。下面依次推导各部件主要参数的表达式。根据压气机等熵过程的做功公式,当空气质量为ma时,压气机耗功为压气机出口空气温度为其中,πc=p2/p1为压比,ηc为压气机的等熵效率,γ为比热容比,cp为空气的比定压热容,T1为压气机进气温度,假定等于环境温度T0。1换热器1实现了空气与水的热量交换。根据换热器能效ε1的定义,可以得到其中cw为水的比热容。假设macp=mwcw,则根据能效定义,可分别得空气和水的出口温度T3和Tw。经换热器1的热量交换,质量为mw温度为Tw的水将热量存储于储热器中:热用户的用热量根据储热器中热量分配的比例得到:储气室采用等温模型,仅考虑储气室的进出口气体温度,并假设储气室的进气与放气均为等温过程。由于储气过程中储气室温度会与环境温度趋于一致,故储气室的出气温度为储热器供给给换热器2的热量为YQTES,根据换热器2的能效ε2定义,结合换热器的假设条件,可得换热器2处空气的出口温度:透平机的输出功为:出口气体温度为:其中,πt为膨胀比,ηt为透平机的等熵效率。假设空气温度由进口温度T6升至出口温度T7,出口温度假定为环境温度,则该过程供给给冷用户的冷量为由于X和Y均为变量,若返还给空气的热量较多,经膨胀后空气温度可能高于温度T7,此时系统无制冷量.故需判定系统有冷量输出时Y的最大值。根据T7=T0,当透平机的出口温度T6=T0时,系统恰无制冷能力.假设透平机出口温度T6,max=T0,根据膨胀比πt,可得允许的最高温度T5,max为:根据热量守恒,在换热器2处有当Ymax确定,便可确定系统的供冷情况。由于系统的能量消耗仅为压气机的耗功,故将压气机部分的耗功作为衡量标准,定义功效率、热效率和冷效率如下:三者之和定义为能量利用系数:1.2储热器存储的由水一带走气该部分涉及到的主要部件与1.1节相同.进入压气机的为输入功,离开压气机的由空气带走。则进入的为:离开的为:压气机部分的损失为:进入换热器1的由空气提供,离开的由水带走,则进入换热器1的为:则换热器1中的损失为:储热器存储的由水带入:由于储热器中热量分配与水的质量有关,故的分配也与水的质量有关。以环境温度作为衡量指标,热用户得到的为:对于储气室,仅需要考虑其进气温度与出气温度,且压力不变,故损失为:进入换热器2的由热水提供,离开的由空气带走。故进入换热器2的为:则换热器2的损失为:进入透平机的由空气带入:离开的即输出功:则透平的损失为:以环境温度作为衡量标准,则冷量为:从的角度定义系统的功、热和冷效率如下:三者之和定义为总效率:2系统的制冷能力根据公式推导结果,给定具体参数值,如表1所示。根据表1中的参数,首先确定X和Y的变化范围。根据式(11)和式(12),可以得到Ymax=1.196,对应的Xmin=-0.196。即当储热器返还给空气的热量为存储热量的1.196倍时,才会出现系统无制冷量的情况,再结合0≤Y≤1,故系统始终有制冷能力。同理可知,X的变化范围满足0≤X≤1。2.1功采暖系统的能量效率趋势在上述限制条件下,根据能量效率相关的参数公式,得到图2和图3。由图2可知,随着热用户用热量的增加,透平输出功由于进气温度降低而减少,同时由于透平出气温度下降,系统制冷量增加。根据图3,功冷热的效率变化曲线与数值变化曲线一致,能量利用系数单调增加,即从输出能量的总量上考虑,X=1时,功冷热的能量输出之和最大。需要说明的是,由于在评价能量效率时仅从量的角度去衡量,没有考虑功冷热品位的不等价性,故能量利用系数存在大于1的情况。当从的角度分析时,根据效率的参数表达式,可以得到参数的变化趋势如图4和图5所示。由图7可知,由于功与等价,功对应的值与图2中相同,同理效率变化也相同;随着热用户用热量的增加,系统冷量增加,且X较小时,冷量的增量较小,而当X较大时,冷量的增量较大。根据图5,功冷热的效率趋势与能量效率变化趋势相同,总效率则先降低后增加,最大值为77.7%,出现在X=1时,最小值约为72.2%,出现在X≈0.2处。最大值与最小值相差约5.5%,这说明在X<0.2时,随着X增加,功效率减小量多于热和冷两者效率增加量之和,而随着X的继续增加,冷量出现了明显的增加,总效率升高。总的来看,当从角度分析系统的能量变化时,系统的功输出为能量输出的主体,热与冷所占比例较小,且比功低一个数量级。对比能量利用系数与总效率的变化趋势,可以发现两者的变化规律存在不同,这也是因为两者对能量分析的角度有差异。能量利用系数随X的增加而单调增加,故X越大,系统输出的能量总量越多,同时,系统在进行冷热电联供时,应避开总效率最低的状态以减小损失。当X=1时,能量利用系数最大,此时系统的效率也最大。2.2系统能量输出总量如前所述,系统的功输出模型仅从出功最大化的角度评价系统效率,不考虑储热器中热量利用和透平出口气体的状态,故功输出模型对应于X=0的状态点,且系统的功效率与能量利用系数、效率相同。而系统的冷热电联产模型则综合考虑功冷热的输出情况,且随X的变化,系统的输出特性不同。根据表2中数据可以看出,对于系统的功输出模型,由于功与等价,其能量利用系数与效率相等,均为72.4%,而对于冷热电联产模型,当X=0时,由于系统有一定的冷量输出,系统的能量利用系数升高,为80.8%,而由于冷效率较小,仅为0.2%,故系统的总效率为72.6%。当对比效率的最值可以发现,对冷热电联产模型,当不考虑能量品位差异时,能量利用系数由80.8%升至182.3%,能量输出的总量均大于功输出模型,最低为1.1倍,最高为2.5倍;而从效率角度考虑时,功输出模型的效率值比冷热电联产模型的最小效率高0.2%,比最大效率低5.3%,而在X=0时,冷热电联产模型的效率略高于功输出模型。因此,从能量输出总量的角度看,AA-CAES系统冷热电联产模型的能量输出总量始终大于功输出模型;而从角度考虑时,功输出模型的输出略小于同条件下的冷热电联产模型,且其效率处于冷热电联产模型效率的最大值与最小值之间。2.3其他部件损失系统损失集中在压气机、透平机、储气室、换热器1和换热器2五个部件,根据参数公式可得五部件的损失随X的变化趋势,如图6所示。由图6可以看出,除换热器2之外,其余部件的损失都与X的变化无关。换热器2处的损失随着热用户用热量的增加先增大,再减小;其余部件的损失为定值。这是因为对于透平机,其损失仅与膨胀比有关,与进口空气的温度无关,故其损失不受X变化的影响;对于换热器1和压气机,参数均与X无关,故损失不变;储气室的损失与储气室进出口气体温度有关,当换热器1能效较高时,温差较小,故损失值较小,且与X无关。换热器2的损失则与输入和输出的变化有关。对照图6,分别取X=0、0.2、0.6和1,得到各部件的损失占总损失的比例情况,如表3所示。压气机、透平机及换热器1的损失之和约占系统总损失的80%,且透平机的损失最大,最高可达40%;储气室由于进出口温差的原因存在损失,但所占比例较小;换热器2的损失波动性较大。综上所述,从损失的角度考虑系统,当X=1时,五部件的损失之和最小,此时系统的总效率最大;当X≈0.2时,五部分的损失之和最大,此时系统的总效率最小。3系统的能量特性本文主要结论如下:1)提出了AA-CAES技术应用于冷热电联产的系统模型,并从热力学角度对该模型的能量输出特性进行了分析,得到了系统输出冷热电的变化规律;通过对系统储热器中的热量利用进行控制,得到了冷热电的输出比重与热量利用之间的关联性。2)分析了AA-CAES系统的冷热电联产模型与功输出模型的能量输出特性,并对两者进行了对比。对于本文采用的模型,前者的能量输出总量始终大于后者,最低约为1.1倍,最高约为2.5倍;且前者的输出多于同条件下的后者,其最大效率比后者高5.3%。因此,在能量输入相同的条件下,AA-CAES冷热电联