薛小軍， 李云飛， 田煜昆， 彭 程， 陳 衡，徐 鋼， 陳宏剛， 王修彥

(1.華北電力大學(xué) 熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測與控制北京市重點實驗室，北京 102206；2.河北建投能源投資股份有限公司，石家莊 050000)

隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，發(fā)電機組裝機容量迅猛增長，其中燃煤機組占比最高，占發(fā)電總裝機容量的56.58%[1]。眾所周知，化石燃料的消耗不僅會造成環(huán)境污染、能源短缺，還會排放大量的二氧化碳，造成全球變暖。據(jù)統(tǒng)計，目前電力行業(yè)每年排放的二氧化碳量占全國碳排放總量的40%以上[2]。面對全球變暖以及最新提出的2030年碳達峰、2060年碳中和的雙重挑戰(zhàn)，我國發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)低碳化轉(zhuǎn)型迫在眉睫，發(fā)展可再生能源成為未來能源發(fā)展的主要趨勢。

近年來，我國大力推廣可再生能源發(fā)電，截至2020年底，并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量為28 153萬kW，并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量為25 343萬kW[1]。然而，可再生能源自身具有的間歇性、波動性和不穩(wěn)定性也給提高新能源的并網(wǎng)發(fā)電占比帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3]。而電能儲能技術(shù)可以有效促進可再生能源大規(guī)模應(yīng)用，實現(xiàn)發(fā)電側(cè)與需求側(cè)的平衡。壓縮空氣儲能(CAES)系統(tǒng)因其壽命長、對環(huán)境影響小、可靠性高、可用性好和經(jīng)濟效益好等優(yōu)點而被認為是最具發(fā)展前景的電力儲能技術(shù)之一[4]。在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，儲能過程中使用電動壓氣機將電能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的勢能，隨后將壓縮空氣存儲在存儲容器中；而當電力供應(yīng)緊張時，可將壓縮空氣排入渦輪機發(fā)電，完成釋能過程。然而,壓縮空氣儲能系統(tǒng)在應(yīng)用中仍存在循環(huán)效率低、操作不穩(wěn)定和地質(zhì)限制等技術(shù)難題。

以上研究表明，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對壓縮空氣儲能系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的集成進行了廣泛的研究。然而，將壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃煤電廠相結(jié)合的研究卻不多。雖然王曉露等[11-12]對壓縮空氣儲能系統(tǒng)與火電機組耦合進行了研究，但在探索壓縮空氣儲能與燃煤發(fā)電機組的系統(tǒng)集成以及性能提升機理研究方面還需要進行深入的研究。在此背景下，筆者提出了壓縮空氣儲能系統(tǒng)與燃煤電站耦合的概念性方案。以國內(nèi)某630 MW燃煤發(fā)電機組為例，通過對新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)(即耦合系統(tǒng))進行能量分析和分析，揭示該系統(tǒng)性能改善的根本原因，最后對耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了研究，可為壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 參考燃煤發(fā)電機組

選取國內(nèi)某典型630 MW燃煤發(fā)電機組為案例機組，圖1為案例機組示意圖，其中高加為高壓加熱器，低加為低壓加熱器。表1為案例機組的基本參數(shù)。該電廠主要包括煤粉鍋爐、抽汽冷凝式汽輪機、發(fā)電機以及由8個回熱式加熱器組成的給水加熱系統(tǒng)。該電廠位于華北地區(qū)，實際運行參數(shù)與設(shè)計參數(shù)接近，因此筆者采用設(shè)計數(shù)據(jù)進行模型仿真和性能評估。設(shè)計數(shù)據(jù)最初來源于為該電廠建造或該設(shè)備的相關(guān)制造商。由表1可知，在100%負荷工況下，煤耗量為61.61 kg/s，機組可產(chǎn)生595.35 MW的凈功率，凈發(fā)電效率為40.62%。在給水加熱過程中，抽汽將給水從29.0 ℃加熱到276.4 ℃，因此不同溫度的給水可以用來冷卻或加熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮空氣。

圖1 案例機組示意圖Fig.1 Diagram of the case unit

表1 案例機組基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the case unit

1.2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)

圖2為壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖。由圖2可知，壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要包括電動機、壓氣機、膨脹機、儲氣罐、節(jié)流閥、換熱器和發(fā)電機等。壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。由表2可知，壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣罐的設(shè)計儲氣壓力為3.22 MPa，儲氣溫度為50.0 ℃，儲氣罐的容積為18 000 m3。儲能時間為8 h，釋能時間為2 h。

圖2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of CAES system

表2 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of CAES system

1.3 耦合系統(tǒng)

為提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體性能，筆者提出了一種將燃煤電站與壓縮空氣儲能系統(tǒng)耦合的新型系統(tǒng)。如圖3所示，在儲能過程中，空氣首先在1號壓氣機被壓縮。之后被壓縮的空氣經(jīng)1號換熱器和2號換熱器冷卻，其中將燃煤發(fā)電機組系統(tǒng)中的給水泵出口和凝結(jié)水泵出口的給水分別作為換熱器的冷卻介質(zhì)，并將冷卻空氣送入2號壓氣機中進一步壓縮。在將空氣存儲到儲氣罐之前，采用3號換熱器和4號換熱器再一次冷卻被壓縮的空氣，冷卻介質(zhì)為回熱系統(tǒng)的給水。完成空氣壓縮過程后，空氣被存儲在儲氣罐中，電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣能量。在此過程中，燃煤電站的部分給水是由壓氣機排出的空氣加熱的，這樣可以節(jié)省用于加熱給水的抽汽，有助于減少燃煤電站的燃料消耗。在釋能過程中，高壓空氣從儲氣罐中釋放出來，由5號換熱器和6號換熱器利用燃煤發(fā)電機組回熱系統(tǒng)的給水進行加熱。然后，利用空氣驅(qū)動1號膨脹機進行發(fā)電。在進入2號膨脹機之前，空氣再次被給水加熱，然后進入2號膨脹機進行發(fā)電。當空氣從2號膨脹機排出時，空氣的余熱被8號換熱器的低溫給水回收。最后，將壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電機所產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)，完成壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能和釋能過程。通過與燃煤電站進行耦合，可以有效提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的整體效率，同時省去了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的蓄熱設(shè)備，從而大大降低壓縮空氣儲能系統(tǒng)的投資成本。

圖3 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of the proposed CAES system

2 分析方法

2.1 系統(tǒng)建模

采用EBSILON Professional軟件對所研究的系統(tǒng)進行仿真。該軟件廣泛用于發(fā)電行業(yè)中熱力系統(tǒng)的熱平衡計算和仿真，對于不同的熱力系統(tǒng)具有良好的通用性和高保真度。圖4為燃煤電站與壓縮空氣儲能耦合系統(tǒng)EBSILON Professional模型圖。為了便于對耦合系統(tǒng)的性能進行評價，提出以下假設(shè)[13]：(1)耦合系統(tǒng)中燃煤發(fā)電機組發(fā)電機功率在儲能過程和釋能過程中都保持不變；(2)環(huán)境溫度和壓力分別為20.0 ℃和101.325 kPa；(3)空氣為理想氣體；(4)鍋爐效率保持不變；(5)忽略輔助系統(tǒng)及周圍環(huán)境對耦合系統(tǒng)的影響。

1-鍋爐；2-高壓缸；3-中壓缸；4-低壓缸；5-發(fā)電機；6-凝汽器；7-回熱系統(tǒng)；8-壓縮機；9-換熱器；10-儲氣罐；11-膨脹機。

2.2 能量分析

在新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲能和釋能的過程中，通過調(diào)節(jié)燃煤的消耗量來保證燃煤發(fā)電機組的凈輸出功率保持一致，且等于案例機組的凈功率。在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，根據(jù)新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的輸入能量和輸出能量對其熱力學(xué)性能進行評價。在本研究中，選取壓縮空氣儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率和儲能密度作為評價指標[14]。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率(R)是指該系統(tǒng)輸出總電量與輸入總電量的比值，其表達式如式(1)所示。其中輸出總電量為壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電機的發(fā)電量，輸入總電量包含電機耗電量、儲氣過程中煤耗變化對應(yīng)的電量以及放氣過程中煤耗變化對應(yīng)的電量。

(4) 中隔壁法(CD法)：將隧道分為左右兩大部分進行開挖，隧道兩側(cè)采用臺階法自上而下分層開挖，中間設(shè)置中隔壁以增加支護剛度。

(1)

式中：Eout,CAES和Ein,CAES分別為壓縮空氣儲能系統(tǒng)輸出總電量和輸入總能量，MW·h；Pout,CAES和Pin,CAES分別為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)電機功率和電機功率，MW；tc和ts分別為儲能時間和釋能時間，h；Δqm,c為儲能過程中耦合系統(tǒng)的燃煤消耗量與案例機組燃煤消耗量的差值，kg/s；Δqm,s為釋能過程中耦合系統(tǒng)的燃煤消耗量與案例機組燃煤消耗量的差值，kg/s；qc,net為煤的凈熱值，kJ/kg；η為燃煤發(fā)電機組凈發(fā)電效率。

儲能密度表示釋能過程中壓縮空氣儲能系統(tǒng)輸出總電量與儲氣罐容積V的比值：

(2)

式中：D為儲能密度，kJ/m3。

(3)

式中：eout,CAES和ein,CAES分別為壓縮空氣儲能系統(tǒng)輸出和輸入的，MW。

em=qm,m[(h-h0)-T0(s-s0)]

(4)

式中：qm,m為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h為工質(zhì)在當前狀態(tài)下的焓，kJ/kg；h0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的焓，kJ/kg；T0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的溫度，K；s為工質(zhì)在當前狀態(tài)下的熵，kJ/(kg·K)；s0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的熵，kJ/(kg·K)。

2.4 經(jīng)濟性分析

由于經(jīng)濟性是影響新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)可行性的一個重要因素，因此有必要對該系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行分析。在本研究中，采用動態(tài)投資回收期(H)和凈現(xiàn)值(N)作為評估系統(tǒng)經(jīng)濟性的指標[4]。動態(tài)投資回收期是指初始資本投資與財務(wù)回報相等的時間，因此動態(tài)投資回收期越短，項目盈利能力越強。H可表示為：

(5)

(6)

式中：I和O分別為第y年的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出，元；t+為假設(shè)系統(tǒng)各年度累計凈現(xiàn)金流量第一次為正或為零的年份;idis為貼現(xiàn)率,%。

凈現(xiàn)值表示耦合系統(tǒng)整個壽命期間的累計凈現(xiàn)金流量，因此凈現(xiàn)值越多，項目盈利能力越強。N可表示為：

(7)

式中：n為新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壽命，a。

3 分析與討論

3.1 能量分析

新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能量分析是基于案例機組100%負荷工況下進行評估的，其結(jié)果如表3所示。在8 h的儲能過程中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的電動機電功率為4.48 MW，消耗電能為35.81 MW·h。同時，由于壓縮空氣向燃煤電站的給水系統(tǒng)釋放熱量，而燃煤電站的凈功率保持不變，因此煤耗率降低0.08 kg/s，共節(jié)約5.73 MW·h的電能。在2 h的釋能過程中，膨脹機的功率為12.01 MW。由于壓縮空氣進入膨脹機做功之前會被回熱系統(tǒng)的給水加熱，因此煤耗率會增加0.44 kg/s。在整個循環(huán)過程中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)凈消耗電能37.96 MW·h，凈釋放電能24.02 MW·h，因此壓縮空氣儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率可達63.28%，儲能密度為4.80 MJ/m3。

表3 耦合系統(tǒng)的能量分析Tab.3 Energy analysis of the integrated system

圖5給出了案例機組和新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能流圖，主要研究了系統(tǒng)中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換。從圖5可以看出，將燃煤和電能作為系統(tǒng)的輸入能量，同時保持燃煤電站的凈功率(595.35 MW)不變，燃煤電站側(cè)主要部件的能量損失變化不明顯。在新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲能過程中，給水系統(tǒng)從壓縮空氣中吸收了4.01 MW的能量，從而減少燃煤輸入能量1.90 MW。在釋能過程中，給水系統(tǒng)向壓縮空氣儲能側(cè)輸送14.48 MW熱能，同時從2號膨脹機出口空氣中回收2.53 MW熱能。在一個完整的儲釋能循環(huán)過程中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)在電力非高峰時段可存儲35.81 MW·h電量，在電力需求較強時可貢獻24.02 MW·h電量。

(a) 案例機組

(b) 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲能過程

(c) 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)釋能過程

表4 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的分析Tab.4 Exergy analysis of the proposed CAES system

表4 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的分析Tab.4 Exergy analysis of the proposed CAES system

參數(shù)或損失值/(MW·h)占比/%輸入電能35.8156.01來自回熱系統(tǒng)給水的輸入28.1243.99總輸入63.93100.00傳遞至回熱系統(tǒng)的輸出26.4941.44輸出電能24.0237.58總輸出50.5179.02電動機損失1.071.681號壓氣機損失1.282.002號壓氣機損失1.271.991號和2號換熱器損失0.811.273號和4號換熱器損失0.921.44節(jié)流閥損失3.445.385號和6號換熱器損失0.721.131號膨脹機損失1.312.057號換熱器損失0.711.112號膨脹機損失1.181.848號換熱器損失0.230.35排氣損失0.310.35發(fā)電機損失0.240.38損失總和13.4920.98

3.3 經(jīng)濟性分析

新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)在原有案例機組的基礎(chǔ)上增加了壓縮空氣儲能系統(tǒng),同時利用用電低谷時段的電能壓縮空氣，在用電高峰時段時系統(tǒng)釋放電能，從而提高了該系統(tǒng)的經(jīng)濟性。新增系統(tǒng)的主要投資為壓縮空氣儲能系統(tǒng)設(shè)備投資；新增系統(tǒng)年度總成本包括年度設(shè)備運行維護費用及年度燃料成本(包含系統(tǒng)耦合導(dǎo)致的燃煤量變化)；新增年度總收入主要為壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電收益[15]。表5給出了經(jīng)濟性分析的基本數(shù)據(jù)。

表5 經(jīng)濟性分析基本數(shù)據(jù)Tab.5 Basic parameters for the economic analysis

具體經(jīng)濟性分析結(jié)果如表6所示。采用規(guī)模因子法對新增系統(tǒng)的設(shè)備投資進行估算。選取參考文獻[15]的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設(shè)備總投資為1 914.56萬元。新增系統(tǒng)年度設(shè)備運行維護費用為114.87萬元，年度燃料成本為218.92萬元。而通過發(fā)電的年收益為824.40萬元，因此年利潤為490.60萬元。最終可以得出：新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)動態(tài)投資回收期為7.06 a，凈現(xiàn)值可達1 449.65萬元。由此可見，新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性，有利于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的發(fā)展。

表6 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析結(jié)果Tab.6 Economic analysis results of the proposed CAES system

4 結(jié) 論

(1) 由新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的能量分析可知，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率為63.28%，儲能密度為4.80 MJ/m3。

(3) 新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期為7.06 a，凈現(xiàn)值為1 449.65萬元。