空气蓄能系统的组态方案

空气蓄能系统的组态方案

发电系统的研究coes系统包括压力装置、电机、收割机（m.g）、地下储存空间、换能器、蒸汽机、汽油（gt）、分离器（c）和其他一般设备，可分为两个子系统：蓄能子系统和发电子系统（如图1所示）。CAES的工作原理是蓄能子系统中将电站低谷的低价电能驱动空气压缩机压缩空气,在岩穴、废弃矿井等储气室中储存能量,此时通过联轴器压气机与电动机耦合;电力系统峰荷时,发电机与燃气轮机耦合,利用储存的压缩空气燃烧发电,即发电子系统。在20世纪90年代开始随着相关技术的逐步完善,以及各国对能源电力质量、环境保护的更高要求,一些国家开始重视此方面的研究工作。目前,世界上只有德国和美国等少数国家建成CAES示范性电站。世界上第一个CAES电站德国HuntdorfCAES电站机组容量290MW,其冷态启动至满负荷仅需6min,在25%负荷时的热耗仅比满负荷高211kJ,其排放量仅是同容量燃气轮机机组的1/3,在1978年投产至今二十多年运行实践证明,CAES是一项灵活可靠的技术,可迅速满足各种变负荷的要求,可在短时间钟内完成冷态启动到满负荷过程,有良好的负荷跟踪和频率控制特性,能远距离自动控制。美国Ohio州从2001年起开始建一座2700MW的大型CAES商业电站,该电站由9台300MW机组组成。另外日本、以色列、芬兰、韩国等国也展开了此方面的研究工作并已在开始建设CAES电站。CAES系统根据容量等实际的需要,CAES系统的两个子系统可由不同的设备组态而成。本文主要考虑发电子系统集成、性能计算及优化。2直接进入燃气轮机作功方案文中进行发电子系统的集成与计算,因此在蓄能子系统部分,采用相同的设备。在发电子系统,CAES系统所用燃气轮机和简单燃气循环一样,因此CAES系统所用燃气轮机可直接选用常规燃气轮机。集成方案主要在于回热及再热的选择和布置方式。方案1:系统在发电子系统中无再热和换热器,压缩空气直接进燃烧室燃烧后进入燃气轮机作功。这种方案相当于把简单的燃气轮机循环分解成两部分。如图1。方案2:系统在发电子系统中有再热,无换热器,在贮气室出来的压缩空气燃烧后首先进高压缸膨胀作功,高压排气再进燃烧室加热后进入低压缸膨胀作功。方案3:系统在发电子系统中无再热,但有换热器,压缩空气经燃气轮机排气预热后进燃烧室燃烧,然后进入燃气轮机作功。方案4:在贮气室出来的压缩空气首先用燃气轮机排气余热进行加热,然后进入空气透平膨胀作功,空气透平排气进入燃烧室加热后进入燃气轮机膨胀作功。方案5:在贮气室出来的压缩空气首先经换热器,然后进入燃烧室加热进高压缸膨胀作功,高压排气再进燃烧室再热后进入低压缸膨胀作功。方案6:在贮气室出来的压缩空气首先用燃气轮机排气余热进行加热,然后进入空气透平膨胀作功,空气透平排气进入燃烧室加热后进入燃气轮机膨胀作功,此处燃气轮机排气经过燃烧器加热,燃烧室布置方式和方案5有所不同。各方案图形详见文献。3机组主要参数适合我国情况,选用转速3000r/min的机组,较大型的机组选用美国通用电气公司(GE)生产的PG9171E型机组,主要参数为:中型的机组选用我国南京汽轮电机公司生产的RF6561性机组,其主要参数为:计算中燃料为天然气,低位发热量LHV=41960kJ/kg。燃气的热力性质数据来源于文献,空气热力性质数据来源于文献。为了便于做对比分析,设压缩空气蓄能子系统采用相同的子系统,压缩空气贮存于地下670.6m(2200feet)的石灰石洞穴内,存贮洞穴容积为9.57×106m3(338×106feet3),洞穴内最大保持气体压力103.42×105Pa(1500psi),可以流量为340kg/s,压力61×105,温度30℃的参数连续提供18天的压缩空气,此参数压缩空气压缩耗电为Nc=0.172(kW·h/kg)。4性能评价方法的分析4.1热效率ηeCAES系统发电能量来自两方面,一方面是压缩空气本身能量,此处用压缩空气耗功计算,另一方面来自于天然气的化学能。则可得热效率为:4.2发电热耗计算对于CAES系统中的发电热经济性数据,也可采用发电热耗HR及发电压缩空气电耗ER来计算。发电热耗为燃料带入热量和发电量之比:发电电耗为压缩空气所消耗电量和发电量之比:4.3效率e2根据压缩空气所消耗的值,燃料所带入值以及发电输出值,可以计算佣效率ηe2。根据以上公式计算不同方案效率,可得出效率数据和热效率相同。4.4峰谷电价差的考虑CAES系统将低谷电能转变为峰荷电能,显然不能把这二者完全等效。因此必须考虑峰谷电价差,假设采用二部制电价,取低谷负荷电价是尖峰负荷的电价的0.6倍。可得折算热效率ηe3为:4.5电功率随功率变化的特性即简单燃气轮机电站改为CAES电站之后,发电功率的变化倍数,此处对于某些方案因为用到了高压缸或空气透平,因此并不严格是原来气缸的功率增大倍数。此处Peg为简单燃气轮机净功率。5集成方案对最大效率和效率的影响针对不同集成方案,CAES系统方案1和方案3燃气轮机燃气进出口参数和简单燃气轮机循环相同。对于方案2和方案5中,发电子系统中包括高压缸,其内效率取88%,其低压缸和简单燃气轮机参数相同。对于方案4和方案6,系统包含空气透平,空气透平内效率取88%,其低压缸和简单燃气轮机参数相同。CAES系统压缩空气经过换热器预热,取燃气排气在换热器中压损为0.08×105Pa,出口温度为100℃。机械效率ηm,文中取99%,发电效率ηg,文中取99%,燃烧室效率ηb,文中取99%。对于不同方案性能计算结果示于表1。通过表1,我们可以看到,对于不同的集成方案,其主要性能参数有所不同,并且不同集成方案热效率差别很大。采取优化的集成方案5或集成方案6,热效率可以接近60%左右,可以和燃气轮机的联合循环系统相比,比简单的燃气轮机循环高得多。因此可见,CAES电站在目前的电力市场中还是有竞争力的。6激发燃气气动器特性对比(1)CAES系统中发电子系统,主要包含燃气轮机,燃烧室、发电机、换热器等常用设备,对于这些设备采取不同的组态方式,给出6种不同的CAES系统集成方案。并进行了性能仿真和计算。(2)通过不同方案对比可见,CAES系统中存在回热可大幅度提高净效率。在优化方案5中净效率可达59%以上。(3)方案5和方案6采用的设备基本相同,但是设备放置的位置不同,则热效率不同。在方案6中,加入到燃气排气中的燃料的化学能在经过回热器时,因为回热度只有0.7左右,所以相对于方案效率有所降低。(4)对于同一台燃气轮机,应用在CAES后,其发电功率提高了很多,针对GE的燃机,再结合高压缸或空气透平,6种方案其功率分别为简单燃机功率的2.67倍,3.66倍,2.67倍,3.44倍,3.56倍,3.56倍。(5)应用对于CAES性能评价的不同评价标准,