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压缩空气蓄能系统热经济学分析鹿院卫,刘广林,马重芳,吕鹏飞

2017年11月16日 13:34   本网   admin   人气:193

  +热力循环压缩空气蓄能系统热经济学分析鹿院卫,刘广林,马重芳,吕鹏飞(北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点。其原理为:在用电低谷,空气经两级压缩后被常温储存于贮气室中,电能转化为空气压缩能量储存,此过程空气冷却所释放的热量排放于大气中;用电高峰时空气先经回热换热器,利用燃气轮机尾气余热加热后进入汽轮机(AT)做功,然后与天然气在燃烧室混合燃烧进入燃气轮机(GT)做功,完成一个循环。本文研究的超临界压缩空气蓄能系统则采用5~6所提出的模式,考虑到系统工质参数,蓄能系统采用两级压缩,中间冷却的方式,以降低系统的压缩功,膨胀机采用两级膨胀做功方式,如所示。系统工作原理为:在用电低谷时将低价电能用于压缩空气进行蓄能,空气先由低压压缩机(LP)压缩后在高温蓄能换热器(HS1)中换热并蓄热后进入高压压缩机(HP)压缩,再进入高、低温蓄热换热器(HS1、HS2)换热、蓄能,最后经节流阀节流降温进入储液罐以液态形式储存空气;在用电高峰时,空气由工质泵P加压后依次进入低、高温蓄热换热器进行加热,然后进入高压汽轮机(HT)膨胀做功后再经高温蓄热换热器换热,最后进入低压膨胀机(LT)做功,完成一个循环过程。

  超临界压缩空气蓄能系统与CAES的最大区别在于:超临界压缩空气蓄能系统储存工质为储存于低温灌中的常压低温液态空气,解决了CAES系统工质以常温高压状态储存于大空间的特殊地理条件的限制,且不需要燃气轮机等设备,系统工艺相对简单,从而大大减少了系统的初投资;其次CAES系统的天然气燃烧放热做功过程是整个系统的核心,而超临界压缩空气蓄能系统则无此过程,工质在系统膨胀做功过程需要的热量来自压缩空气蓄能过程中存储于蓄热器中的热量,同时也可利用其它废热或太阳能等可再生能源,提高了能量的利用。

  对两系统经济性进行分析时,按照设备功能将系统分成不同的子系统,如和虚线框所示。

  其中虚线框带圈数字为子系统的编号,数字管道编号为子系统物理娟流的编号,箭头为工质流动方向。

  2热经济学矩阵分析2.1热经济学热经济学(姻经济学)是一种把热力学分析与经济因素相结合的分析方法,即同时考虑系统的物理环境与经济环境。基本思路是把系统内部及系统与外界相互作用的物质、能量和现金都作为流,构建质量平衡、能量平衡和现金平衡关系式,从而得到评价系统的信息。热经济学分析的模式主要有会计模式、优化模式、结构系统模式和符号姻经济学模式。符号姻经济模式也叫矩阵模式,它是以热力学第二定律定义的效率为基础,其姻单价反映系统内部的损失和获得单位产品姻所要付出的代价,是综合前几种模式的热经济学的新成就。本研究采用矩阵模式对系统经济性进行分析。

  2.2系统主要参数表1GT10B参数数值额定电效率/%34.2燃料类型天然气(q将空气温度和压力(t=27C,=0.1MPa)作为基准点计算,CAES中空气质量流量为78.8kg/s,天然气的质量流量为1.6 kg/s,两级压缩机的效率为85%,压缩比为8;汽轮机(AT)的效率为80%,膨胀比为4.5.储气室工质参数为P C.超临界压缩空气蓄能系统取工质的质量流量为1 kg/s,工质泵效率为0.75.工质经节流阀前压力户=6.4MPa及温度t=-188C,经节流阀后以液态形式储存于储液罐中,压力和温度分别为=0.1MPa,t=-194.5C.系统的管网的阻力损失为0.1 MPa,工质泵的出口压力为6.3MPa.超临界压缩空气系统压缩机和空气膨胀机效为85%和80%,其压比分别为8和7.9.换热器传热温差取6 C.CAES用型号为GT10B型燃气轮机做仿真计算,具体参数如表1所示。

  2.3数学模型的建立各姻流与子系统之间的关系可用事件矩阵来表示,其中i表示系统中子系统的数目,表示系统中姻流股数。对CAES系统,其子系统数目i =6,姻流股数为=14.若矩阵中元素0表示第股姻流与子系统i没有关系,若矩阵中元素=1表示第股火用流流入子系统i,若矩阵中元素、=-1表示第股姻流流出子系统i.以计算结果进行分析,的具体计算可参阅9,则矩阵A表示为:由于每个子系统只能建立一个现金平衡方程,即可列6个现金方程式,而需求解的姻流现金数目为14,要使系统计算结果唯一则需要补充-i即8个方程,其方程补充原则为°8:(1)从外部输入系统姻流的单位姻成本按市场价格计算;(2)对于多产品输出的子系统,按各产品单位姻成本相等的原则;(3)若子系统的‘’燃料“为双线流,则构成双线流的两股姻流的单位火用成本相等;(4)若姻流为内部产品,则按单价相等的原则计算。

  按照上述原则,建立中求解所需补充方程式,即:按照原则(1),所示系统中的子系统①、②和⑥中,输入子系统的单位姻流成本按市场价格计算,以子系统①为例,则补充方程为:按照原则(2),则对多产品的子系统④和⑤,各产品姻单价相等的原则建立两个补充方程,研究系统中④号子系统可建立的补充方程式为:按原则(3),子系统的“燃料”为双线流,则其输入和输出子系统的姻单价相等,研究系统中可建立3个方程式,由于考虑到间冷却器和后冷却器的作用,未对其划分子系统,但输入与输出冷却器的姻流单价相等,即可列两个方程式及子系统③建立补充方程式为:在本研究系统中无内部产品,按上述3个原则可建立所需8个方程式。将式(1)~式(3)写成式的形式,即:由事件矩阵A及补充方程构建扩展矩阵A,如表3所示,按照方程:进行求解得到各相应编号姻流的现金值C,单位为元/M,用矩阵可表示为;矩阵Ed为由系统按编号点的姻流依次为主对角线点构成的(x)阶矩阵;W1为输入子系统的总姻价,式(2)和式(3)中E为中相应姻流编号点的姻值,a为与补充方程式各姻流值倒数相关的数,其与矩阵A共同构成扩展矩阵A.矩阵Z(14x1)由系统输入能量和非能量费用构建的费用向量,如如设备折旧费、人工费等。非能量费用对系统日常运行费用及系统经济性有重要的影响,超临界压缩空气蓄能系统与CAES相比,没有燃气轮机的燃烧室和所需较大的储存空间所带来的初投资,但增加了蓄能系统的初投资;系统在日常的维护费用也相对CAES较少。在研究中考虑到设备初投资及人工费的不确定性,暂不考虑非能量费用对系统的影响,仅考虑初始输入系统的能量费用,即压缩机消耗电能和消耗天然气的费用,Z=(W1,0,0,0,0,0,0,0,0,W9,0,0,0,0,0)T,其中W1和W9为单位时间输入系统的电能和天然气的总价。

  在此计算过程中,系统姻是不断减小的,而输入的现金值是平衡的,在姻值减小的过程中,将单位姻值的现金值向产品方向传递。

  一E一-奇-士表2相应编号煳值及单位成本3计算结果及分析计算电价以北京市电网峰谷分时市场电价为依据,选取大工业110kV低谷蓄能电价为0.3099元パkWh),其高峰电价为0.7537元パkWh)。

  天然气的价格取2元/m3,得到两种系统单位成本如表2所示。

  从表2中的计算结果可以看出,超临界压缩空气蓄能系统的输出电价为0.4757元パkW CAES输出的电价按加权平均值计算为0.5313元パkWh)(空气膨胀机和燃气轮机输出电价分别为153.7和144.3元/G)。可见超临界压缩空气蓄能系统的电价比CAES的略低,且两种系统输出的电价都低于110 kV大工业高峰电价0.7537元/kW,因此超临界压缩空气蓄能系统较CAES更经济可行,可以达到调节电网的目的;从系统对环境效益方面看,超临界压缩空气蓄能系统在空气膨胀做功过程所需热源为压缩空气在换热器中释放的储存于蓄热器中的热量而不使用天然气燃烧释放的热量,因此系统所排放的温室气体几乎为零。

  随着碳排放征收关税计入成本及燃气价格的升高,超临界压缩空气蓄能系统相对于CAES的环境价值和经济优势更显著。

  4结论利用热经济学方法对两种蓄能系统经济性对比,输入系统电价以北京区域电网峰谷分时电价110 KW低谷电价0.309元パkWh),天然气价为2元/m3计算,超临界压缩空气蓄能系统输出电价为0.475元让贾。11)比CAES系统输出电价0.531元パkWh)要低,且都低于峰谷电价0.753元/(kWh),表明超临界压缩空气蓄能系统更加经济。

(完)

 
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