先进绝热空气压缩储能系统aa-caes最优组合的研究

先进绝热空气压缩储能系统aa-caes最优组合的研究

0运行成本分析的动态中国的风力资源丰富，适合大规模开发。风力发电以自然风为原动力,风电系统因此呈现间歇性、波动性及非周期性的特点。风电并网也因此影响到电网的稳定性与电能质量,造成系统供能不平衡、电压出现波动及闪变、系统频率出现偏移等一系列问题,利用储能技术可以解决这一问题,以弥补风力发电系统的不足。压缩空气储能系统(CAES)是一种新型的储能方式,是解决电力系统大规模储能的有效方案之一。目前,欧洲Alstom公司建立了先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)示范工程,AA-CAES系统是一种新颖的压缩空气储能技术,通过多级压缩和级间换热实现绝热压缩和近似等温压缩两个过程,通过热存储器和储气室收集并存储能量,在系统对外做功阶段将存储的热量提供给温度较低的高压空气,完成多级膨胀、中间再热过程。目前,国内外的学者对AA-CAES系统中压缩机与透平机的研究主要集中在系统运行过程中,主要参数(温度、压比、流量等)对系统效率的影响,但却很少有文献对压缩机和透平机的级数对系统的影响进行研究,考虑到系统的成本与效益之间的关系,压缩机与透平机的级数应该考虑到系统的优化设计中,其中文献对最佳的压缩机和透平机级数进行了探讨,但却没有进一步研究压缩机与透平机级数的最优组合。张新敬对分别对传统的压缩空气储能系统,绝热压缩空气储能系统的压缩膨胀级数对系统的功效率与效率影响进行比较和分析,但却没有给出压缩机与透平机最优组合的级数。本文通过比较各种系统模型的功效率与损失,得出了AA-CAES系统压缩机与膨胀级级数的最优组合。1储热器热量的利用如图1所示,假设AA-CAES系统的压缩、膨胀级数均为两级时系统的模型。AA-CAES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,冷却后的高压空气存储在储气室中;储热器中的热量用于发电过程中,加热进入透平机入口处的高压空气。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)不考虑管道、储气室及换热器中的压力损失,忽略换热器、储热器换热时的热量损失,假设冷量与热量被完全利用;3)压缩和膨胀过程绝热,储气室与外界换热充分,内部温度T0。2a-caes系统的力学理论分析2.1低负荷时换热器的等熵、压比和能效AA-CAES系统主要有压气机、换热器、透平机等部件构成,系统的主要参数如表1所示。其中,通过的空气质量为单位质量m(kg),环境压力和环境温度分别为0.1MPa,293K(20℃);压比和膨胀比都为70个大气压,不考虑换热器中压力损失;考虑压气机和涡轮的等熵效率为0.9,冷却水供给温度为293K,换热器能效为0.7,压缩机和透平机的级数都为i级,i=2～10。下面依次推导各部件主要参数的表达式。2.1.1压缩机入口温度压缩过程中,压缩机做功求解过程如下。压缩机后空气的温度:AA-CAES系统中,压缩过程可以看作多变过程,多变指数为k,k大于比热容比cp/cv。因此,压缩过程中,压缩后的空气温度Tc为:T0为压缩机入口温度,等于环境温度。每一级压缩机出口温度为:每一级的压缩机压缩比:中,由换热器的换热效率为ε,得出热流体的出口温度Tac:每级换热器后空气出口温度,及下一级压缩机入口温度为:压缩机压缩的空气质量:每级的压缩功:换热器中所需的冷水的质量:系统的总压缩功为:储热器中水的平均温度:无量纲压缩功为:Lc=Lc/(cpT0),则储热室存储的热量:2.1.2储热室空气预热式中,cw为水的比热容。被回收的热量储存在储热室中,用于膨胀阶段空气做功之前对空气预热,提高空气的温度,增加空气的做功能力。被储热室存储的热量可以用下列方式求得。2.1.3换热器采用空气热风冷却器的原理膨胀过程与压缩过程的计算方法类似,储热室的热量平均分配,每级膨胀级分到的热量Q/n。定义热交换器的效率为ε,热流体为来自储热室的温度为Tac的高温水,则经过预热后进入透平机之前的空气的温度为:如图1所示,换热器冷流体的入口温度为Taf,冷却水从换热器中出来,以温度Tac储存在储热室空气膨胀做功后的温度:Te=Th(β)-λ,第i级透平机的出口空气温度为:无量纲膨胀功为:,则2.2储气室散热量的确定系统的分析包括三个部分,压缩级分析,储气室分析,膨胀级分析。压缩级包括:压缩机做功输入系统,空气经过换热器减少,冷却水经过换热器,增加。压缩过程系统输入为:空气经过换热器后的:冷却水经过换热器后的:压缩过程总的损失:膨胀过程中做功:膨胀过程总的损失为:储气室:取储气室内空间为控制体积,根据控制体积能量方程一般表达式,求传热量Q。代入并化简得:储气室的散热量与储气室内起始和终止压力有关。根据控制体积熵方程式:积分得:化简得:由公式(30)可以看出:在储气室的体积和起始状态一定的情况下,储气室的损失只与终止压力有关。3结果与分析3.1储热温度对输出功的影响如图2所示,此图膨胀功只显示了二级到五级,在总压比一定的情况下,压缩级数越少,单级压比越高,压缩过程中产生的热量越多,储热室的储热温度越高,在膨胀过程中提高了透平机入口的温度,因此在同样膨胀压力条件下,压缩热温度越高其输出功越大。同时从图中还可以看出。透平级数越多,其输出功就越高,这是因为,透平级数越多,在相对较高的温度下膨胀压比越小,从而提高单位质量的输出功。3.2系统的压缩级数和膨胀级数的确定如图3所示,此图膨胀损失只显示了二级到五级,在总压比一定的情况下,压缩级数越多,单级压比越低,压缩过程中产生的热量越少,储热室的储热温度越低,在膨胀过程中透平机入口的温度越低,因此膨胀过程中产生的损失越大,因此选择系统的压缩级数为两级,膨胀级数为三级。4气液两相系统压缩机与透平机级数的优化组合本文对储气室压比β=70的AA-CAES系统的进行设计,考虑到压缩机与透平机的级数是影响AA-CAES系统的成本与系统的运行效益的一个重要因素,本文通过比较各种系统模型的功效率与损失,得出了AA-CAES系统压缩机与透平机级数的最优组合,结论如下:1)在储气室的体积和起始状态一定的情况下,储气室的损失只与终止压力有关。2)在总压比一定的情况下,压缩级数越少,单级压比越高,压缩过程中产生的热量越多,储气室的储热温度越高,在膨胀过程中提高了透平机入