压缩空气蓄能系统热经济学分析

　　+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，芫成一个循环。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**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，*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。*后进入低压膨胀机（LT）做功。芫成一个循环过程。

　　超临界压缩空气蓄能系统与CAES的*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音，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。

　　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火用流的编号，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（烟经济学）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烟经济学模式。符号烟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，其烟单价反映系统内部的损失和获得单位产品烟所要付出的代价，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=37680k/m3）净功率P/MW23.4压比14：1排气温度/K816排气流量/kg.s180.4将空气温度和压力（t=27°C，=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. 6kg/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=6.4MPa和t=32C.超临界压缩空气蓄能系统取工质的质量流量为1kg/s，工质泵效率为0.75.工质经节流阀前压力户=6.4 MPa及温度t C，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MPa，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6C.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数学模型的建立各煳流与子系统之间的关系可用事件矩阵AiX来表示，其中i表示系统中子系统的数目，表示系统中烟流股数。对CAES系统，其子系统数目i =6，烟流股数为=14.若矩阵中元素0表示第股拥流与子系统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表示第股拥流流出子系统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，而需求解的烟流现金数目为14，要使系统计算结果睢一则需要补充-i即8个方程，其方程补充原则为08：（1）从外部输入系统煳流的单位煳成本按市场价格计算以2）对于多产品输出的子系统，按各产品单位烟成本相等的原则；⑶若子系统的“燃料”为双线流，则构成双线流的两股煳流的单位火用成本相等以4）若烟流为内部产品，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，输入子系统的单位烟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，各产品烟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烟单价相等，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烟流单价相等，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，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 SkW-h）比CAES系统输出电价0.531SKkW.h）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。