田園沐雪

（大唐碳資產(chǎn)有限公司，北京 100043）

0 引言

與燃煤機(jī)組相比，燃?xì)鈾C(jī)組更具有節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)[1]。為提高燃?xì)鈾C(jī)組效率，使不同品級(jí)熱能得到梯級(jí)利用，燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)（Natural gas combined cycles，NGCC）發(fā)電系統(tǒng)被廣泛使用，其發(fā)電效率最高可達(dá) 63%[2]。NGCC是目前解決能源環(huán)境問題、提高能源利用率的重要技術(shù)，也是目前我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的能源技術(shù)之一[3]。隨著電力市場(chǎng)的改革，為更大限度地提升深度調(diào)峰能力，NGCC機(jī)組同樣需要進(jìn)行靈活性改造。

利用電能儲(chǔ)存技術(shù)可有效解決可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性問題，實(shí)現(xiàn)新能源的安全、經(jīng)濟(jì)和高效利用[4]。對(duì)發(fā)電機(jī)組而言，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用電低谷期電能的儲(chǔ)存以及用電高峰期的釋放，是解決發(fā)電機(jī)組調(diào)峰問題的較好選擇。

目前，應(yīng)用于機(jī)組調(diào)峰的儲(chǔ)能技術(shù)主要以關(guān)于電池的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)為代表。該技術(shù)效率高、應(yīng)用靈活且儲(chǔ)能密度大，可有效緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力[5]。但是，電化學(xué)儲(chǔ)能成本較高、循環(huán)壽命低，且運(yùn)行過程中容易發(fā)生內(nèi)部短路故障，存在燃燒、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed air energy storage，CAES）技術(shù)具有安全穩(wěn)定性高、成本較低、設(shè)備壽命長(zhǎng)和選址靈活等優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，已有2座商業(yè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站穩(wěn)定運(yùn)行超過20年[7,8]。我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的10 MW級(jí)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（Advanced adiabatic compressed air energy storag，AA-CAES）系統(tǒng)，是目前國(guó)際上容量最大、效率最高的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)[9,10]；同時(shí)，我國(guó)首套100 MW級(jí)示范系統(tǒng)正在建設(shè)中[11]。

對(duì)于CAES系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的耦合，學(xué)術(shù)界有廣泛的研究。

文獻(xiàn)[12]提出一種耦合風(fēng)能、太陽(yáng)能的CAES系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)為：采用低溫壓縮，通過有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic rankine cycle，ORC）吸收壓縮熱；在釋能過程中，采用太陽(yáng)能加熱導(dǎo)熱油的方式，對(duì)進(jìn)入渦輪膨脹機(jī)的空氣進(jìn)行預(yù)熱。該系統(tǒng)整體循環(huán)效率和?效率分別可達(dá) 61.2%和65.4%。

文獻(xiàn)[13]提出將 CAES系統(tǒng)與 ORC進(jìn)行耦合，來吸收壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱；利用工業(yè)余熱來對(duì)膨脹機(jī)入口空氣進(jìn)行加熱，從而代替了AA-CAES系統(tǒng)的蓄熱罐和蓄冷罐。相比之下，該系統(tǒng)的循環(huán)效率比傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)提高了3%以上。

文獻(xiàn)[14]將CAES系統(tǒng)、生物質(zhì)發(fā)電和地源熱泵耦合成一種新型動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是利用生物質(zhì)氣化爐發(fā)電后的尾部排氣對(duì)CAES系統(tǒng)膨脹機(jī)空氣進(jìn)行預(yù)熱。系統(tǒng)效率和?效率分別為90.06%和31.52%。

文獻(xiàn)[15]提出將燃?xì)廨啓C(jī)、熱交換器和氨–水吸收式制冷與CAES系統(tǒng)耦合，利用燃?xì)廨啓C(jī)來對(duì)膨脹機(jī)空氣進(jìn)行加熱，利用空氣渦輪排氣輔助燃?xì)廨啓C(jī)燃燒。優(yōu)化后，系統(tǒng)整體效率達(dá)到53.4%。

本文提出將CAES系統(tǒng)與NGCC機(jī)組進(jìn)行耦合，思路是：在用電低谷期，用NGCC發(fā)電系統(tǒng)多余的電能驅(qū)動(dòng)CAES系統(tǒng)的壓縮機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室，并采用凝結(jié)水泵出口冷卻水吸收儲(chǔ)能階段產(chǎn)生的壓縮熱。在用電高峰期，CAES系統(tǒng)釋放高壓空氣推動(dòng)渦輪膨脹機(jī)做功發(fā)電，并采用汽輪機(jī)抽汽來預(yù)熱進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓空氣。通過NGCC機(jī)組與CAES系統(tǒng)的密切耦合來完成機(jī)組的靈活調(diào)峰任務(wù)；通過建立并分析耦合方案，找出最佳耦合。最后，對(duì)CAES系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度和?分析，找出膨脹機(jī)輸出功率的最大影響因素和系統(tǒng)?損最大的部件。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所建立的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)主要由NGCC機(jī)組與AA-CAES系統(tǒng)2部分組成。

1.1 NGCC系統(tǒng)模型

如圖1所示，NGCC系統(tǒng)由某公司生產(chǎn)的9E.03-2016型燃?xì)廨啓C(jī)與三壓、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐組成。燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)（AC）、燃燒室（CC）、燃?xì)廨啓C(jī)透平（GT）和發(fā)電機(jī)組成。壓氣機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣與燃料混合后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒。混合氣在燃燒室劇烈膨脹為高溫高壓煙氣后再進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)透平做功。透平出口的低溫低壓煙氣進(jìn)入三壓余熱鍋爐，將熱量傳遞給鍋爐中的給水。給水經(jīng)凝結(jié)水泵（CP）加壓后進(jìn)入低壓省煤器（ELP）吸熱，再進(jìn)入除氧器。除氧后的給水經(jīng)加壓分流后，一部分進(jìn)入低壓蒸發(fā)器（VLP），在蒸發(fā)器中吸熱部分蒸發(fā)變?yōu)槠旌衔铩ｏ柡退?jīng)汽包分離后進(jìn)入低壓過熱器（SLP）吸熱蒸發(fā)，隨后進(jìn)入低壓缸（LP）做功。另一部分給水經(jīng)加壓后進(jìn)入中壓省煤器（ELP）吸熱。隨后經(jīng)ELP出來的給水分為2股，一股經(jīng)泵加壓后進(jìn)入高壓省煤器（EHP），另一股依次經(jīng)過中壓蒸發(fā)器（VIP）、中壓過熱器（SIP）吸熱后進(jìn)入中壓缸做功。經(jīng)EHP加熱后的給水進(jìn)入高壓蒸發(fā)器（VHP），飽和水在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)變?yōu)轱柡驼羝?，隨后經(jīng)蒸汽管道進(jìn)入高壓過熱器過熱，成為過熱蒸汽后進(jìn)入高壓缸做功。

圖1 NGCC機(jī)組模型Fig. 1 NGCC unit model

NGCC機(jī)組將燃?xì)獠祭最D循環(huán)和蒸汽朗肯循環(huán)有效結(jié)合，既發(fā)揮了布雷頓循環(huán)吸熱溫度高的優(yōu)點(diǎn)，又兼?zhèn)淞死士涎h(huán)放熱溫度低的特點(diǎn)。整個(gè)聯(lián)合循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。較單獨(dú)燃?xì)鈾C(jī)組而言，系統(tǒng)循環(huán)效率和熱經(jīng)濟(jì)性有顯著提升。

本文在建立聯(lián)合循環(huán)模型時(shí)，忽略各管道損失，忽略除氧器、冷凝器和換熱器熱損失。

NGCC系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。天然氣組分見表2。

表2 天然氣組分Tab. 2 Natural gas components

1.2 AA-CAES系統(tǒng)模型

為實(shí)現(xiàn)與上述NGCC機(jī)組容量相匹配，本文所采用的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)為 15.7 MW 級(jí)AA-CAES系統(tǒng)。如圖2所示，AA-CAES系統(tǒng)主要設(shè)備有壓氣機(jī)、儲(chǔ)氣室、膨脹機(jī)、蓄熱罐、蓄冷罐、換熱器和節(jié)流閥等。儲(chǔ)氣室為恒容儲(chǔ)氣室。

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主要分為儲(chǔ)能階段和釋能階段：儲(chǔ)能8 h，釋能2.5 h。

圖2 AA-CAES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 AA-CAES system structure

在儲(chǔ)能階段，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣?？諝馔ㄟ^多級(jí)壓縮升壓并存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室。此時(shí)儲(chǔ)氣室進(jìn)口閥門打開，出口關(guān)閉?？諝庠诒粔嚎s過程中會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱。冷卻水通過換熱器吸收壓縮熱并儲(chǔ)存于蓄熱罐中。在儲(chǔ)能過程中，為防止儲(chǔ)氣室壓力波動(dòng)進(jìn)而引起末級(jí)壓縮機(jī)壓比發(fā)生突變可能導(dǎo)致的壓縮機(jī)溫升故障，在此設(shè)計(jì)了4級(jí)非等比壓縮——沿著流動(dòng)方向壓比逐級(jí)降低。設(shè)計(jì)4個(gè)級(jí)間換熱器，換熱介質(zhì)為水。換熱器冷側(cè)壓損為0.2 kPa，熱側(cè)壓損為2 kPa。儲(chǔ)能階段的具體參數(shù)見表3。

表3 儲(chǔ)能階段參數(shù)Tab. 3 Parameters of energy storage stage

在釋能階段設(shè)計(jì)了4級(jí)非等比膨脹。開始時(shí)，儲(chǔ)氣室入口閥門關(guān)閉，出口打開；通過調(diào)節(jié)出口閥門開度使得高壓空氣定壓排放，進(jìn)而推動(dòng)各級(jí)膨脹機(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。在膨脹過程中，高壓氣體減壓降溫，因此需要補(bǔ)充熱量以提高空氣焓值。在此設(shè)計(jì)4個(gè)級(jí)間換熱器來加熱高壓空氣，即利用蓄熱罐中的熱水加熱膨脹機(jī)入口空氣，從而提高膨脹機(jī)的輸出功率。釋能階段具體參數(shù)見表4。

表4 釋能階段參數(shù)Tab. 4 Parameters of energy release stage

1.3 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選取3個(gè)指標(biāo)作為儲(chǔ)能系統(tǒng)與NGCC機(jī)組耦合的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即熱耗率、能量利用系數(shù)和系統(tǒng)效率。選取?損失、?效率作為CAES系統(tǒng)部件的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

熱耗率為機(jī)組每發(fā)出 1 kW·h電量所消耗的熱量，用q0表示，計(jì)算公式為：

式中：GN為天然氣質(zhì)量流量，kg/s；H為天然氣低位發(fā)熱量 J/g；Pgt、Pst分別為燃?xì)廨啓C(jī)功率、蒸汽輪機(jī)電負(fù)荷，kW。

能量利用系數(shù)為耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的總電能與系統(tǒng)消耗的總能量之比，是耦合系統(tǒng)重要的效益評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體計(jì)算公式為：

式中：Ptur、Pcom分別為CAES系統(tǒng)膨脹機(jī)電負(fù)荷、壓縮機(jī)耗功，kW。

由于耦合系統(tǒng)存在多形式能量的輸入和輸出，為了更好地評(píng)價(jià)耦合系統(tǒng)在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)整體運(yùn)行效率，引入系統(tǒng)效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：Wtotal、Qtotal分別為一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，耦合系統(tǒng)總發(fā)電量和總熱耗。

本文使用?分析法時(shí)忽略化學(xué)?、運(yùn)動(dòng)學(xué)?和勢(shì)?，只考慮物理?。在此條件下，工質(zhì)在任意狀態(tài)下的?值計(jì)算方法如下：

式中：m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；h為比焓，J/g；s為工質(zhì)的比熵，J/(g·K)。

?損失為部件投入?與收益?之差，計(jì)算方法如下：

?效率為部件收益?與投入?的比值，計(jì)算方法如下：

CAES系統(tǒng)各部件?損失和?效率計(jì)算方法如表5所示。

表5 CAES系統(tǒng)各部件?損失和?效率計(jì)算Tab. 5 Calculation of exergy loss and exergy efficiency of CAES system components

2 CAES與NGCC耦合方案

2.1 耦合方案總體思路

在夜間用電低谷期，用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮到儲(chǔ)氣室，將電能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)間接存儲(chǔ)電能。

在日間用電高峰期，CAES系統(tǒng)儲(chǔ)氣室釋放高壓空氣，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。此時(shí)壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。

通過以上循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰的目的。在循環(huán)中，耦合CAES系統(tǒng)后的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組相較于單純NGCC機(jī)組具有更加靈活的調(diào)峰能力。

如圖3所示，具體耦合思路如下：

圖3 耦合后的CAES系統(tǒng)Fig. 3 Coupled CAES system

首先對(duì)傳統(tǒng)的 AA-CAES系統(tǒng)進(jìn)行改造。去掉蓄熱罐和蓄冷罐。考慮CAES系統(tǒng)在儲(chǔ)能階段會(huì)產(chǎn)生大量壓縮熱，將這部分壓縮熱用于加熱NGCC機(jī)組蒸汽循環(huán)中溫度較低的給水。這樣，既使得這部分額外產(chǎn)生的熱得到合理利用，又降低了NGCC機(jī)組熱耗率。

其次，在CAES系統(tǒng)釋能階段，高壓空氣經(jīng)膨脹機(jī)降壓時(shí)溫度也會(huì)急速驟降。采用汽輪機(jī)的高溫抽汽來對(duì)這部分空氣進(jìn)行補(bǔ)熱，以提高其焓值，維持膨脹機(jī)的高效做功能力。

由于儲(chǔ)、釋能階段具有多個(gè)抽水點(diǎn)和回水點(diǎn)，因此針對(duì)CAES系統(tǒng)在不同階段有多個(gè)耦合方案。

2.2 儲(chǔ)能階段的耦合方案

在儲(chǔ)能階段，采用NGCC機(jī)組的發(fā)電機(jī)為CAES系統(tǒng)壓縮機(jī)提供電力。將空氣壓縮并存儲(chǔ)于儲(chǔ)氣室。同時(shí)，在蒸汽循環(huán)中抽取一定流量的凝結(jié)水用來吸收此過程產(chǎn)生的壓縮熱。經(jīng)加熱后的凝結(jié)水返回到回水管路的相應(yīng)位置。

在整個(gè)儲(chǔ)能過程中，由于各級(jí)壓縮機(jī)壓比固定，因此在環(huán)境空氣溫度不變的情況下，第一級(jí)壓縮機(jī)出口溫度確定。為保證各級(jí)壓縮機(jī)效率，設(shè)定空氣經(jīng)4個(gè)換熱器后的出口溫度均為60 ℃。當(dāng)抽水位置不變，即在冷卻水進(jìn)口溫度、壓力等參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量即可得到不同溫度的回水。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于儲(chǔ)能階段空氣質(zhì)量流量、壓縮機(jī)壓比等原因，各級(jí)壓縮機(jī)出口空氣最高溫度有限?？紤]到換熱器能量守恒，且此時(shí)冷卻水最高加熱溫度受限，因此選擇回水位置僅為除氧器出口（方案1）和中壓省煤器入口（方案2）。于是，儲(chǔ)能階段耦合方案如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能階段耦合方案Fig. 4 Coupling scheme for energy storage stage

為保證耦合系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，需要控制冷卻水出口溫度、壓力等參數(shù)同回水點(diǎn)保持一致，即需要調(diào)節(jié)流量和回水泵功率使得回水點(diǎn)參數(shù)達(dá)到要求。利用Ebsilon軟件對(duì)上述所設(shè)計(jì)的2個(gè)方案進(jìn)行模擬，具體結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，由于回水點(diǎn)溫度不同，2種方案下抽水流量不同。除此之外，由于方案2中回水位置為中壓省煤器進(jìn)口，此位置壓力高于凝結(jié)水泵出口壓力，因此需要用回水泵來提高回水壓力。

表6 儲(chǔ)能階段各耦合方案模擬結(jié)果Tab. 6 Simulation results of each coupling scheme in energy storage stage

對(duì)比模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相較于原始 NGCC機(jī)組，耦合后的系統(tǒng)熱耗率降低；方案1、方案2分別降低6.441 J/W·h、6.433 J/W·h。分析其主要原因?yàn)椋厚詈虾螅琋GCC機(jī)組一部分回水吸收了CAES系統(tǒng)的壓縮熱，相當(dāng)于外界為其提供了一部分熱量，因此耦合后的系統(tǒng)熱耗率降低。由于壓縮機(jī)耗電來自NGCC發(fā)電機(jī)輸出電能，這導(dǎo)致耦合后的系統(tǒng)能量利用系數(shù)有所降低。對(duì)儲(chǔ)能階段的2個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案1的熱耗率最低，并且能量利用系數(shù)也最高；因此，認(rèn)為該方案為儲(chǔ)能階段最佳方案。

2.3 釋能階段的耦合方案

在釋能階段，儲(chǔ)氣室出口閥門打開。隨著釋能時(shí)間的推移，儲(chǔ)氣室內(nèi)空氣壓力、溫度逐漸降低。為保證膨脹機(jī)功率輸出安全穩(wěn)定，需在儲(chǔ)氣室出口處安裝動(dòng)態(tài)節(jié)流閥。通過持續(xù)調(diào)節(jié)閥門開度來控制閥后空氣壓力恒定[16]。

同時(shí)，采用汽輪機(jī)抽汽對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓空氣進(jìn)行補(bǔ)熱。高溫高壓抽汽經(jīng)換熱器冷卻后返回到相應(yīng)的回水位置。

在整個(gè)釋能中，第一級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口溫度由儲(chǔ)氣室溫度決定，而儲(chǔ)氣室溫度又隨室內(nèi)壓力的降低逐漸降低。在此情況下，高壓空氣溫度降低必然導(dǎo)致膨脹機(jī)輸出功率隨時(shí)間降低，這將造成膨脹機(jī)功率輸出的不穩(wěn)定。此時(shí)，需通過連續(xù)控制使抽汽流量逐漸升高，從而維持進(jìn)入膨脹機(jī)的空氣溫度恒定。

為使方案計(jì)算簡(jiǎn)便，本文計(jì)算出釋能階段各種方案下抽汽流量的平均值。以該值來代替瞬時(shí)流量，用于后文各耦合方案計(jì)算及對(duì)比評(píng)價(jià)。

為使膨脹機(jī)具有較高效率的功率輸出，設(shè)計(jì)空氣經(jīng)換熱器后進(jìn)入膨脹機(jī)的溫度均為180 ℃。為滿足換熱器換熱條件，抽汽點(diǎn)設(shè)計(jì)2個(gè)，即中壓缸和高壓缸。同理，換熱器高溫抽氣側(cè)出口溫度不能低于空氣側(cè)最高溫度，即不能低于釋能階段儲(chǔ)氣室的初始溫度，且回水溫度不能高于汽輪機(jī)抽汽口溫度。

因此，針對(duì)中壓缸抽汽，可選的回水位置有除氧器出口和中壓省煤器進(jìn)口，分別命名為釋能階段方案1和方案2。同理，針對(duì)高壓缸抽汽，可選的回水位置有除氧器出口、中壓省煤器進(jìn)口、中壓省煤器出口和高壓省煤器進(jìn)口，命名為方案3—6。

由于部分耦合方案的回水點(diǎn)壓力高于抽汽點(diǎn)壓力，因此需額外增添回水泵以提高回水壓力，從而提高耦合系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

釋能階段耦合方案如圖5所示。各方案的具體模擬計(jì)算結(jié)果如表7所示。

圖5 釋能階段耦合方案Fig. 5 Coupling scheme for energy release stage

表7 釋能階段各耦合方案模擬結(jié)果Tab. 7 Simulation results of coupling schemes in energy release stage

由表7可知，與耦合前參數(shù)相比，在耦合后，由于采用汽輪機(jī)抽汽來對(duì)進(jìn)入膨脹機(jī)的高壓空氣進(jìn)行補(bǔ)熱，所以NGCC機(jī)組熱耗率有所上升，最高上升197.2 J/W·h（方案5）。同時(shí)，由于CAES系統(tǒng)釋能輸出電功，耦合后的系統(tǒng)能量利用系數(shù)增大；方案1提升最多，為2.91個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)比釋能階段的6個(gè)耦合方案，可見：采用方案1（中壓缸抽汽對(duì)高壓空氣進(jìn)行補(bǔ)熱，回水至除氧器出口）時(shí)，系統(tǒng)熱耗率較低，能量利用系數(shù)最高。因此，認(rèn)為方案1為釋能階段最佳耦合方案。

2.4 最佳耦合方案

采用“系統(tǒng)效率”作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，在整個(gè)循環(huán)周期（10.5 h）內(nèi)，對(duì)最佳耦合方案進(jìn)行精確計(jì)算驗(yàn)證。

將儲(chǔ)能階段最佳方案1與釋能階段的6個(gè)方案進(jìn)行組合，以2 min作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，分別模擬計(jì)算儲(chǔ)、釋能階段動(dòng)態(tài)過程。

在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，設(shè)備在不同耦合方案下各個(gè)階段的總耗電量、總發(fā)電量和系統(tǒng)效率計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 整個(gè)循環(huán)內(nèi)各組合方案系統(tǒng)效率Tab. 8 System efficiency of each combination scheme in the whole cycle×10 MW·h

由表8可以看出，采用組合方案1時(shí)系統(tǒng)效率最高。

3 靈敏度分析

在上述最佳耦合方案的基礎(chǔ)上，對(duì)影響釋能輸出功率的因素繼續(xù)展開分析。選取最佳耦合方案（方案1）的膨脹機(jī)入口空氣溫度和流量作為調(diào)節(jié)自變量，探究其大小變化對(duì)NGCC機(jī)組和耦合系統(tǒng)性能的影響。

3.1 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

在釋能過程中，儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力、溫度隨時(shí)間降低。采用節(jié)流閥可以控制恒定的釋放壓力；但考慮到空氣溫度的降低，所以需要持續(xù)補(bǔ)熱才能保持進(jìn)入膨脹機(jī)的參數(shù)恒定。圖6展示了在每一個(gè)設(shè)定的膨脹機(jī)入口溫度下，釋能過程中需要的抽汽流量時(shí)刻變化情況。由圖6可見，隨釋能量增加，空氣溫度逐漸降低，因此所需抽汽流量逐漸升高。

圖6 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)抽氣流量的影響Fig. 6 Effect of inlet air temperature of expander on exhaust gas flow

本文選取2 min作為時(shí)間步長(zhǎng)，來模擬在不同的入口設(shè)定溫度下系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，結(jié)果如圖7所示。在每個(gè)入口設(shè)定溫度下，計(jì)算其在整個(gè)釋能階段的CAES發(fā)電功率、蒸汽輪機(jī)輸出功率、總輸出功率、能量利用系數(shù)和熱耗率等評(píng)價(jià)指標(biāo)作，以反應(yīng)不同膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖7 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)各發(fā)電功率的影響Fig. 7 Influence of inlet air temperature of expander on power generation

如圖7所示，隨著膨脹機(jī)入口空氣溫度的不斷升高，高壓空氣的做功能力增強(qiáng)，因此 CAES發(fā)電功率顯著提升。如圖8所示，由于更高的入口溫度勢(shì)必需要抽取更多的蒸汽來進(jìn)行加熱，所以蒸汽輪機(jī)輸出功率隨膨脹機(jī)入口空氣溫度的提升逐漸降低。對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組來說，由于一部分熱量被外界所帶走，因此蒸汽輪機(jī)輸出功率降低，機(jī)組熱耗率升高。

圖8 膨脹機(jī)入口空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig. 8 Effect of inlet air temperature of expander on system performance

從圖8還可以看出，雖然隨膨脹機(jī)入口溫度升高，機(jī)組熱耗率升高；但是，由于實(shí)現(xiàn)了以低品位熱能換取更高品位的電能（CAES發(fā)電），所以耦合系統(tǒng)整體上的能量利用系數(shù)同樣也得到了提升。

總體而言，提升進(jìn)入膨脹機(jī)入口空氣的溫度可有效地提高總發(fā)電功率，可滿足電網(wǎng)的變負(fù)荷要求。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡可能保持較高的入口空氣溫度，以獲取更高的能量利用系數(shù)。

3.2 膨脹機(jī)入口空氣流量對(duì)系統(tǒng)的影響

膨脹機(jī)入口空氣流量的大小直接決定了釋能時(shí)間。

由圖9可以看出，在固定入口溫度為180 ℃的前提下，隨著空氣流量逐漸升高，釋能時(shí)間逐漸減小，且所需抽汽流量逐漸上升。這是因?yàn)椋弘S著空氣流量增大，儲(chǔ)氣室內(nèi)的高壓空氣會(huì)在更短時(shí)間內(nèi)得到快速釋放，單位時(shí)間內(nèi)需要更多的高溫抽汽來進(jìn)行加熱，以便達(dá)到設(shè)定的膨脹機(jī)入口空氣溫度。

圖9 膨脹機(jī)入口空氣流量對(duì)抽氣流量的影響Fig. 9 Effect of inlet air flow of expander on exhaust air flow

在釋能階段中，在不同的膨脹機(jī)入口空氣流量下，CAES發(fā)電功率、蒸汽輪機(jī)輸出功率、總發(fā)電功率的變化關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出，通過提高膨脹機(jī)入口空氣流量，可顯著地提升CAES發(fā)電功率。由圖11可以看出，更高的抽汽流量使得蒸汽輪機(jī)發(fā)電功率降低、熱耗率升高；同時(shí)，能量利用系數(shù)也得到有效提升。

圖10 膨脹機(jī)入口空氣流量對(duì)各發(fā)電功率的影響Fig. 10 Effect of air flow at the inlet of expander on power generation

圖11 膨脹機(jī)入口空氣流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig. 11 Effect of inlet air flow of expander on system performance

相比原始NGCC機(jī)組，耦合系統(tǒng)輸出功率最大提升了17.586 44 MW?？傮w來看，提升膨脹機(jī)入口空氣流量后，耦合系統(tǒng)整體性能得到大幅度提升。

綜上可見，通過提高進(jìn)入膨脹機(jī)的空氣溫度和流量都可達(dá)到提升耦合系統(tǒng)發(fā)電功率的目的；且隨著溫度和流量的升高，耦合系統(tǒng)能量利用系數(shù)線性增大。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保持較高的膨脹機(jī)入口空氣溫度。相比提升溫度而言，提升或降低膨脹機(jī)入口空氣流量能夠有助于機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷。

4 CAES系統(tǒng)?分析

采用?分析模型對(duì)CAES系統(tǒng)中各部件進(jìn)行?損失和?效率計(jì)算的目的，在于找到CAES系統(tǒng)中?損最大的部件和最佳?效率分配比例，以便發(fā)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)效率影響最大的環(huán)節(jié)；這對(duì)后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

定義CAES系統(tǒng)各部件名稱：儲(chǔ)能時(shí)，沿著空氣流動(dòng)方向，將4臺(tái)壓縮機(jī)分別命名為壓縮機(jī)1—4（Y1—Y4），將4臺(tái)換熱器命名為換熱器1—4（H1—H4）。釋能時(shí)，沿著空氣流動(dòng)方向，命名節(jié)流閥為 J，再將膨脹機(jī)分別命名為膨脹機(jī) 1—4（P1—P4），將換熱器分別命名為換熱器 5—8（H5—H8）。

選取最佳耦合方案（方案 1）中的 CAES系統(tǒng)作為本次?分析模型。在該模型中，儲(chǔ)能時(shí)間為8 h，空氣流量為13.71 kg/s，釋能時(shí)間為2.5 h，空氣流量為40.09 kg/s。

在儲(chǔ)能階段，CAES系統(tǒng)需從外界輸入68.221 MW·h電能；NGCC機(jī)組中的冷卻水需吸收壓縮熱，帶走12.532 MW·h熱能。

釋能階段，CAES系統(tǒng)向外界釋放39.309 MW·h電能；需要用NGCC機(jī)組的高溫抽氣對(duì)空氣進(jìn)行補(bǔ)熱，輸入8.225 MW·h熱能。

相較于單獨(dú)系統(tǒng)而言，耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了NGCC與CAES之間的?交互。

由圖12可以看出：由于儲(chǔ)氣室在釋能階段為非恒壓釋放，所以在釋能開始時(shí)，節(jié)流閥?損最大，為59.21 kW，換熱器5的?損最??；隨著釋能過程的進(jìn)行，節(jié)流閥?損逐漸減小到0 kW，換熱器?損失逐漸增大到 648.56 kW。分析其原因?yàn)椋涸卺屇茈A段剛開始時(shí)，儲(chǔ)氣室壓力最大，而節(jié)流閥出口壓力恒定為5 MPa，節(jié)流閥兩端壓差最大，因此?損最大。

圖12 節(jié)流閥和換熱器5?損失隨時(shí)間變化Fig. 12 The loss of exergy of throttle valve and heat exchanger 5 over time

隨著釋能時(shí)間的推移，儲(chǔ)氣室壓力在得到釋放后逐漸減小，節(jié)流閥兩端壓差逐漸減?。灰虼?，?損逐漸減小。

儲(chǔ)氣室壓力減小的同時(shí)伴隨著溫度的降低。在儲(chǔ)氣室后第一級(jí)換熱設(shè)備（換熱器5）中，換熱器冷端溫差逐漸增大，因此換熱器5的?損逐漸增大。

為了更加明確地比較?損最大的部件，選取在整個(gè)釋能階段節(jié)流閥和換熱器5?損最大值與各部件?損做對(duì)比分析。

圖13示出了反應(yīng)壓縮機(jī)1—4、膨脹機(jī)1—4、換熱器1—4、換熱器5—8和節(jié)流閥的?損失大小和比例。從各個(gè)部件整體的?損總和來看，膨脹機(jī)和換熱器5—8的?損最大，分別為1.833 MW和1.554 MW，達(dá)到總?損的71.3%。

圖13 不同部件?損失占比Fig. 13 Percentage of exergy loss of different components

由于儲(chǔ)、釋能過程空氣流量不同，因此對(duì)不同部件來說，在不同階段的?損沒有可比性。圖14示出了針對(duì)相同部件的?損比較結(jié)果。由圖14可以看出，對(duì)儲(chǔ)能階段4個(gè)壓縮機(jī)而言，?損分配比例差別不大；由于入口空氣溫度較低的原因，導(dǎo)致第1級(jí)壓縮機(jī)?損較后3級(jí)有所增大。對(duì)4個(gè)膨脹機(jī)而言，膨脹比的不同導(dǎo)致后3級(jí)?損較第1級(jí)較高。儲(chǔ)能階段換熱器3和4?損最大，換熱器5在釋能末期?損占比高達(dá)41.7%。

圖14 各部件?損失占比Fig. 14 Percentage of exergy loss of components

通過?效率分析進(jìn)而采取相應(yīng)策略，可解決因不同部件之間流量差異而導(dǎo)致的?損問題。

圖15示出了CAES系統(tǒng)各部件?效率對(duì)比結(jié)果。由圖15可見，雖然膨脹機(jī)?損較大，但相比其他部件?效率最高。因此，繼續(xù)對(duì)膨脹機(jī)優(yōu)化的意義不大。相比之下，換熱器2和3的?效率較低，換熱器5在釋能末期?效率最低，?損最大。因此，對(duì)節(jié)能潛力較大的換熱器2、3和5進(jìn)行優(yōu)化具有較大意義。綜上，可通過優(yōu)化換熱器換熱能力、降低其?損的方式，來提高整體CAES系統(tǒng)效率。

圖15 CAES系統(tǒng)各部件?效率Fig. 15 Exergy efficiency of components in CAES system

5 結(jié)論

本文提出了將傳統(tǒng) AA-CAES系統(tǒng)進(jìn)行改造并與 NGCC機(jī)組耦合的運(yùn)行方案。利用 Ebsilon軟件模擬并得出最佳耦合方案。分析了釋能階段膨脹機(jī)入口條件對(duì)耦合系統(tǒng)性能的影響，以及CAES系統(tǒng)各部件?損大小對(duì)系統(tǒng)效率的影響。