張 利 周偉偉 谷青峰 周 沛 苑一鳴 張澤灝 賀 欣 屈 斌 王 坤

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華北電力大學(xué)（保定） 河北保定 071003 3天津市電力科技發(fā)展有限公司 天津 300384）

基于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

張 利1周偉偉2谷青峰2周 沛2苑一鳴2張澤灝2賀 欣3屈 斌1王 坤1

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華北電力大學(xué)（保定） 河北保定 071003 3天津市電力科技發(fā)展有限公司 天津 300384）

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）作為一種高效能量?jī)?chǔ)存技術(shù)，它將壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）與熱能儲(chǔ)存（TES）技術(shù)相結(jié)合，本文通過變化儲(chǔ)熱器的能量占比，提出了基于壓縮空氣儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)特性分析，研究表明所提系統(tǒng)具有較高的能量利用效率。

AA-CAES系統(tǒng)；冷熱電聯(lián)產(chǎn)；熱力學(xué)分析

引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，風(fēng)能、太陽能等可再生能源受到了很大的重視。但這些可再生能源由于其先天的不連續(xù)性及不穩(wěn)定性極大程度上阻礙其發(fā)展。然而儲(chǔ)能系統(tǒng)在能有效的解決這一問題。以先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）為例，該系統(tǒng)將壓縮空氣儲(chǔ)能（AA-CAES）技術(shù)與能量?jī)?chǔ)存技術(shù)相結(jié)合。使得AA-CAES系統(tǒng)既避免了由于使用燃料造成的污染問題，又具備相當(dāng)強(qiáng)的儲(chǔ)能能力[1,2]。

目前已有很多學(xué)者對(duì)于AA-CAES系統(tǒng)展開研究，主要從能量利用率角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而對(duì)于實(shí)際情況，用戶在電力需求的同時(shí)也需要冷量或熱量的供應(yīng)。AA-CAES系統(tǒng)并不能滿足用戶的是需求，然而冷熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)可以很好的解決這一問題，作為當(dāng)前能源技術(shù)發(fā)展的主要方向，它可以實(shí)現(xiàn)余熱的高效綜合利用。它在解決了用戶能源需求的問題的同時(shí)也符合我國節(jié)能減排戰(zhàn)略發(fā)展要求。因此，本文提出了一種基于先進(jìn)絕熱壓縮儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[3]。

1 系統(tǒng)原理

圖1為以AA-CAES技術(shù)為基礎(chǔ)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型。其工作過程如下：AA-CAES冷熱電聯(lián)產(chǎn)模型熱量?jī)?chǔ)存器儲(chǔ)存壓縮空氣的過程熱，通過冷卻水作為冷卻介質(zhì)儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱器中，根據(jù)用戶需求一定比例的熱量直接提供給熱用戶，剩余熱量由水帶入透平機(jī)之前的換熱器，實(shí)現(xiàn)空氣的升溫，同時(shí)由于膨脹之后的氣體溫度較低，有一定的制冷能力，故可利用透平出口空氣為用戶提供冷量。

本文的主要假設(shè)條件如下：

空氣為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程，空氣與水的比熱容為定值；

三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，工作介質(zhì)的動(dòng)量變化和重力勢(shì)能變化都可以忽略不計(jì)；

忽略管道、儲(chǔ)氣室及換熱器中的壓力損失和部件的熱量損失，不考慮壓氣機(jī)與電動(dòng)機(jī)、透平膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的能量效率與能量損失。

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行分析

本文所設(shè)計(jì)的基于先進(jìn)絕熱壓縮儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能消納光伏、風(fēng)力發(fā)電，利用所具有的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)功能，滿足用戶對(duì)能源的多樣性需求。下面對(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行分析[4]。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)圖

（1）系統(tǒng)消耗的電能

利用棄風(fēng)電、棄光電將空氣壓縮至儲(chǔ)氣室，每級(jí)消耗壓縮功為：

壓縮機(jī)出口溫度

式中：k為絕熱指數(shù)；T1為壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度，在本系統(tǒng)中等于環(huán)境溫度；T2為壓縮機(jī)出口溫度；Ma為壓氣機(jī)壓縮空氣質(zhì)量；ηc為壓縮機(jī)效率；εc為壓氣機(jī)壓比。

（2）系統(tǒng)存儲(chǔ)的熱量

冷卻介質(zhì)通過換熱器1吸收壓縮過程的壓縮熱，然后將其儲(chǔ)存在熱量?jī)?chǔ)存器中。

式中：T1和T2分別為進(jìn)入換熱器前、后空氣的溫度；Cp,a為空氣的定壓比熱容。

（3）系統(tǒng)輸出的電能

式中：Me為透平流量；Te為進(jìn)入透平的空氣溫度。

（4）系統(tǒng)輸出的熱量

系統(tǒng)輸出的熱量即為高溫蓄熱介質(zhì)通過換熱器2釋放的熱量，其值為

（5）系統(tǒng)輸出的冷量

系統(tǒng)輸出的冷量即為透平的低溫排氣經(jīng)過冷用戶換熱溫度達(dá)到環(huán)境溫度T0

式中：Ccop為制冷循環(huán)的制冷系數(shù)。

（6）系統(tǒng)能量效率

2 結(jié)果分析

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，分析不同熱力參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響情況。

表1

2.1 壓氣機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)的影響

通過計(jì)算表明：隨著壓氣機(jī)壓比的升高，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量效率有所降低,但下降幅度小于1%，可以近似認(rèn)為保持不變。因此，可以忽略壓氣機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)性能的影響[5]。

2.2 透平膨脹機(jī)入口溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

通過上述模型分析得系統(tǒng)的能量效率隨透平膨脹機(jī)入口溫度的升高而逐漸升高。

2.3 供熱比例對(duì)系統(tǒng)的影響

隨著熱用戶用熱量的增加，透平輸出功由于進(jìn)氣溫度降低而減少，同時(shí)由于透平出氣溫度下降，系統(tǒng)制冷能力增加。

3 結(jié)論

本文提出的基于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，具有發(fā)電能力強(qiáng)、能量完全利用等優(yōu)點(diǎn)。通過本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的新型三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以同時(shí)供應(yīng)電能、熱能、冷能，更好的滿足了當(dāng)今用戶的實(shí)際需求。

（2）本文提出的先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不需要消耗燃料進(jìn)行壓縮空氣加熱，整個(gè)過程無污染問題。

（3）通過本文對(duì)關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行分析，本文提出系統(tǒng)有更多的能量輸出，能量效率更高。參考文獻(xiàn)

[1]蔡睿賢,張娜.關(guān)于分布式能源系統(tǒng)的思考[J].科技導(dǎo)報(bào),2005(9):7-8.

[2]林汝謀,郭棟,金紅光,等.分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量梯級(jí)利用率新準(zhǔn)則 [J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2010,23(1):1-10.

[3]MADLENER R,LATZ J.Economics of centralized and decentralized compressed air energy storage for enhanced grid integration of wind power[J].Applied Energy,2013,(101),299-309.

[4]張遠(yuǎn),楊科,李雪梅等.基于先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) [J].工程熱物理學(xué)報(bào),2013,34,(11).1991-1996.

[5]姚爾人,王煥然,席光.一種壓縮空氣儲(chǔ)能與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)耦合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,1(1):235-242.

Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage(AA-CAES)is an efficient energy storage technology based on the combination of Compressed Air Energy Storage(CAES)and Thermal Energy Storage(TES).With the change of distribution of heat stored in TES,in this paper,a combined cooling,heating and power(CCHP)system based on AA-CAES technology is proposed.The thermodynamic characteristics of the system are analyzed,and the results show that the proposed system has high energy efficiency.

AA-CAES system;CCHP;thermodynamic characteristics