集成恒壓壓縮空氣儲能的燃氣輪機CCHP系統特性研究

張 斌, 王光磊, 徐 震, 周廣杰

(1．山東電力工程咨詢院有限公司,濟南 250013; 2． 昌吉學院 物理與材料科學學院,新疆昌吉 831100;3. 山東大學 能源與動力工程學院,濟南 250100)

隨著我國雙碳戰略的實施,燃氣輪機冷熱電三聯供(CCHP)技術以其一次能源利用率高、環境友好、啟動快等優勢,在區域、建筑供能領域前景廣闊,且對新能源電力消納具有重要意義[1]。CCHP系統通常按“以熱定電”模式工作,隨著需求側負荷波動,燃氣輪機往往變工況運行,難以全工況高效地實現供需平衡,且存在電-熱輸出耦合性強、熱電比調節不靈活等問題[2],綜合能源效率達不到預期。針對上述問題,將壓縮空氣儲能(CAES)作為能量調節單元引入常規CCHP系統,可有效消減燃氣輪機變工況運行時間,有望拓寬CCHP熱電比調節范圍,提高運行靈活性。

國內外許多學者對集成CAES的新型CCHP系統已開展了一定的研究,主要集中在系統優化配置與運行方面。Vieira等[3]對比了集成非絕熱、絕熱、三聯供等各類CAES的CCHP系統,發現主機采用有機朗肯循環(ORC)和布雷頓循環的系統具有最高的能源利用效率。He等[4]提出的CCHP系統利用燃氣輪機排煙加熱膨脹機進氣,從而提高耦合系統能源利用效率。Wang等[5]提出了集成太陽能和絕熱CAES的燃氣輪機CCHP系統,最大供熱、供冷條件下系統效率分別為53.1%和45.36%。冉鵬等[6]研究了耦合超臨界CO2循環的CAES系統,其循環效率和效率顯著高于傳統CAES系統。He等[7]研究了集成絕熱CAES的燃氣-蒸汽聯合循環(GTCC),其能源利用效率和效率分別達到90.81%和52.89%。此外,近年來還有學者研究了通過耦合集成先進絕熱CAES提高火電機組靈活性的可行性[8-10]。

常規CAES采用定容儲氣,存在空氣節流損失和儲氣室容量浪費等固有問題,而恒壓CAES在儲能密度、往返效率(RTE)和運行安全方面更具優勢[11-12]?，F有研究表明通過壓氣機旁路抽氣并結合壓縮空氣儲能、儲熱等措施,可有效提高燃氣輪機CCHP系統綜合能源效率和靈活性[13],若將恒壓CAES與壓氣機抽氣相結合則有望消減燃氣輪機變工況運行時間,進一步提高系統能源利用效率和靈活性。筆者提出了一種集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統,建立了新型燃氣輪機CCHP系統的熱力學模型,研究了恒壓CAES抽氣-釋氣流量調節策略對系統穩態運行特性的影響。

1 系統構建

所構建的集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統流程如圖1所示,其中燃氣輪機CCHP系統采用回熱循環燃氣輪機、余熱鍋爐、吸收式制冷機配置方式,而恒壓CAES系統由壓氣機、換熱器、儲氣室、水泵/水輪機、噴射器和水箱組成,利用水壓能實現充/釋氣過程的恒壓運行;α、β分別為抽氣系數和釋氣系數。在“以熱定電”運行模式下,集成CAES的作用是平衡需求側電力負荷,提高系統對負荷波動的響應能力。

圖1 集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統及主要參數(抽氣、釋氣系數α、β均為0.1)

燃氣輪機排氣通過余熱鍋爐產生飽和蒸汽供熱,或驅動吸收式制冷機供冷。當需求側電負荷低于燃氣輪機輸出功時,從壓氣機旁路抽取的部分空氣經再壓縮后存入恒壓儲氣室,壓縮熱由換熱器回收外供,同時水泵/水輪機以水輪機模式回收儲氣室排水的液壓能輔助驅動再壓縮機,從而完成儲能過程;反之,恒壓儲氣室釋放的高壓空氣經噴射器卷吸壓氣機中間抽氣,減壓后注入回熱器以增加燃氣輪機輸出功,同時水泵/水輪機以水泵模式向儲氣室注水以維持恒壓。

2 熱力學模型

2.1 部件模型

2.1.1 壓氣機

壓氣機模型適用于壓氣機和再壓縮機,出口參數由下式計算:

pc,o=πcpc,i

(1)

(2)

(3)

壓氣機耗功Wc為

Wc=qm,c(hc,o-hc,i)

(4)

式中:qm,c為通過壓氣機的空氣質量流量。

2.1.2 透平

透平出口參數由下式計算:

pt,o=pt,i/πt

(5)

(6)

ht,o=ht,i-(ht,i-hap)/ηt

(7)

式中:pt,i、pt,o分別為透平進口和出口壓力;Tt,i、Tt,o分別為透平進口和出口溫度;ht,i、ht,o、hap分別為透平進口、出口和絕熱出口比焓;πt為透平壓比;ηt為透平絕熱效率。

透平輸出功Wt為

Wt=qm,t(ht,i-ht,o)

(8)

式中:qm,t為通過透平的空氣質量流量。

2.1.3 燃燒室

忽略燃料進口焓及散熱損失,則燃燒室能量和質量守恒方程為

qm,cchcc,i+qm,fuLηcc=qm,ghg

(9)

qm,g=qm,fu+qm,cc

(10)

式中:qm,cc、hcc,i分別為燃燒室進口空氣質量流量和比焓;qm,g、hg分別為燃燒室出口燃氣質量流量和比焓;qm,fu為燃料質量流量;L為燃料低位熱值,取48.6 MJ/kg;ηcc為燃燒室效率,取0.98[14]。

則燃燒室出口壓力pcc,o為

pcc,o=(1-φcc)pcc,i

(11)

式中:pcc,i為燃燒室進口壓力;φcc為燃燒室壓力損失系數,取0.05[13]。

2.1.4 余熱鍋爐

余熱鍋爐回收燃氣輪機排煙余熱用于供熱或制冷,其輸出熱量Qb為

Qb=qm,b(hb,i-hb,o)ηb

(12)

式中:qm,b為通過余熱鍋爐的燃氣質量流量;hb,i、hb,o分別為余熱鍋爐進口和出口燃氣比焓;ηb為余熱鍋爐熱效率。

2.1.5 換熱器

系統中換熱器涉及空冷器和回熱器兩類,其中空冷器利用供熱回水回收空氣壓縮熱,回熱器則利用低溫空氣回收高溫燃氣顯熱。換熱器模型如下:

Ta,o=Ta,i(1-ε)+εTf,i

(13)

pa,o=pa,i(1-φhe)

(14)

式中:Ta,i、Ta,o、Tf,i分別為進口空氣、出口空氣和進口換熱流體溫度;pa,i、pa,o分別為進口和出口空氣壓力;φhe為換熱器壓力損失系數;ε為換熱器效能。

換熱器壓力損失系數φhe為

(15)

換熱器內與空氣換熱的流體質量流量qm,f為

(16)

式中:qm,he為通過換熱器的空氣質量流量;cp,a、cp,f分別為空氣、換熱流體的比熱容。

2.1.6 水泵/水輪機

在儲能和釋能過程中,水泵/水輪機分別按水輪機和水泵模式工作。水輪機輸出功Why為

Why=qm,hyηhy(hhy,i-hhy,o)

(17)

式中:qm,hy為通過水輪機的水質量流量;ηhy為水輪機效率;hhy,i、hhy,o分別為水輪機進口和出口水的比焓。

水泵耗功Wp為

Wp=qm,pηp(hp,o-hp,i)

(18)

式中:qm,p為通過水泵的水質量流量;hp,i、hp,o分別為水泵進口和出口水的比焓;ηp為水泵效率。

2.1.7 噴射器

噴射器是本文構建的新型燃氣輪機CCHP系統關鍵部件,由主流噴嘴、吸入室、混合室和擴壓室4個部分組成。參考文獻[15]和文獻[16],噴射器采用一維等壓混合理論模型。

2.2 部件損失

Ed=Ei-Eo

(19)

式中:Ei、Eo分別為流入和流出部件的;Ed為部件損失。

Ei和Eo包括物理和化學:

Ei=EW,i+∑qm,iei

(20)

Eo=EW,o+∑qm,oeo

(21)

式中:EW,i、EW,o分別為輸入和輸出部件的功;qm,i、qm,o分別為流入和流出部件的質量流量;ei、eo分別為流入和流出部件的比。

e=h-h0-T0(s-s0)

(22)

式中:h為比焓;s為比熵;h0、T0、s0分別為參考狀態下的比焓、溫度和比熵。

Ed,c=qm,cΔec+Wc

(23)

Ed,t=qm,tΔet-Wt

(24)

Ed,cc=qm,ccecc,i-qm,gecc,o

(25)

Ed,b=qm,bΔeb

(26)

Ed,he=qm,heΔehe+qm,f[cp,fΔTf-

T0ln(Tf,i/Tf,o)]

(27)

Ed,p=qm,pΔep+Wp

(28)

Ed,hy=qm,hyΔehy-Why

(29)

Ed,e=∑qm,eiee,i-qm,eoee,o

(30)

式中:Ed,e為噴射器的損失;qm,ei、qm,eo分別為噴射器進口和出口流體質量流量;ee,i、ee,o分別為噴射器進口和出口流體的比;Δei為流入和流出各個部件的比差;ΔTf為進出口換熱流體溫差;Tf,o為出口換熱流體溫度;ecc,i、ecc,o分別為燃燒室進口和出口流體的比。

2.3 系統評價指標

熱電比γ可表示為

(31)

一次能源利用率ηen可表示為

(32)

式中:Q為系統外供熱量;Wn為系統輸出功。

當需求側電負荷低于燃氣輪機輸出功時,恒壓CAES單元以儲能模式運行,系統輸出功和外供熱量可表示為

Wn=ηg(Wt+Why-Wc-Wre/ηm)

(33)

Q=∑qm,he(ha,i-ha,o)+Qb

(34)

式中:ηg為發電機效率;ηm為電動機效率;Wrc為再壓縮機耗功;ha,i、ha,o分別為空冷器空氣進口和出口比焓。

當需求側電負荷高于燃氣輪機輸出功時,恒壓CAES單元以釋能模式運行,系統輸出功和外供熱量可表示為

Wn=ηg(Wt-Wc-Wp/ηm)

(35)

Q=Qb

(36)

(37)

式中:λfu為燃料系數。

2.4 模型驗證

上述模型求解采用Matlab軟件,流體熱物性參數使用REFPROP 9.1軟件計算。利用文獻報道的絕熱CAES數據[17]和回熱循環燃氣輪機數據[18],對本文所建模型和算法進行驗證,對比結果見表1和表2。由此可見,本文模型計算結果與文獻數據吻合較好,其中絕熱CAES計算相對誤差較高,但最大誤差不超過5.29%。

表1 絕熱CAES計算結果對比

表2 燃氣輪機計算結果對比

3 結果與分析

3.1 模型輸入參數

基于本文所建模型,以額定功率10 MW回熱循環燃氣輪機構建的CCHP系統為對象,研究了不同抽氣、釋氣條件下集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統的穩態運行特性。抽氣、釋氣系數定義如下:

(38)

(39)

式中:qm,st、qm,re分別為壓氣機旁路抽氣質量流量和儲氣室放氣質量流量。

系統的熱力學分析輸入參數如表3所示。

表3 熱力學分析輸入參數[17-18]

3.2 熱力學特性分析

燃氣輪機變負荷調節策略主要有壓氣機流量調節和透平初溫調節2種,其中壓氣機流量通過改變進口可調導葉角度來調節,但這會使壓氣機偏離設計工況,絕熱效率降低,從而拖累機組效率。本文構建的新型燃氣輪機CCHP采用聯合壓氣機旁路抽氣與恒壓CAES的調節策略,通過改變抽氣系數和釋氣系數調節系統熱、電輸出功率,使壓氣機始終運行在設計工況下?？紤]壓氣機和透平通流匹配,壓氣機旁路抽氣量通常不高于工質流量的20%,因而本文研究的抽氣、釋氣系數范圍取0～0.2。

3.2.1 儲能過程

當需求側電負荷降低時,恒壓CAES單元以儲能方式運行。儲能過程中,集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統運行特性如圖2～圖4所示。圖2為不同抽氣系數下系統熱、電輸出功率和熱電比的變化規律。由圖2可知,隨著抽氣系數增大,系統輸出的電功率降低,而輸出的熱功率反而提高。這是由于壓氣機旁路抽氣使透平工質流量降低,透平做功減少,系統輸出的電功率相應降低。另外,雖然余熱鍋爐的輸出熱減少,但抽氣及再壓縮熱的補充使系統總輸出熱增加。相比之下,系統輸出電功率的降幅顯著高于輸出熱功率的增幅,當抽氣系數為0.2時兩者的相對變化率分別達到57.3%和26.1%,如圖3所示。由圖2還可以發現,隨著抽氣系數增大,CAES儲能過程中新型燃氣輪機CCHP系統的熱電比快速增加,當抽氣系數為0.2時可達2.27,相對原型CCHP系統提高了193%。

圖2 不同抽氣系數下輸出功率和熱電比

圖3 不同抽氣系數下輸出功率相對變化率

圖4 不同抽氣系數下一次能源利用率和效率

3.2.2 釋能過程

當需求側電負荷增加時,恒壓CAES單元以釋能方式運行。釋能過程中,集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統運行特性如圖5～圖7所示。圖5為不同釋氣系數下系統熱、電輸出功率和熱電比的變化規律。由圖5可知,隨著釋氣系數增大,系統輸出的電功率顯著增加,而輸出的熱功率穩定并略有降低。這是由于釋氣增加了透平工質流量和做功,同時引射中間抽氣減少了壓氣機耗功,從而使系統輸出的電功率增加。另外,雖然余熱鍋爐的燃氣流量增加,但釋氣參與回熱使燃氣進口溫度降低,系統輸出的熱功率幾乎不變。

圖5 不同釋氣系數下輸出功率和熱電比

當抽氣系數為0.2時,系統輸出的電功率增加到13.3 MW,相對額定工況的增幅可達33.4%,系統輸出的熱功率相對減少了0.92%,如圖6所示。由圖5還可以發現,當抽氣系數為0.2時,CAES釋能過程中新型CCHP系統的熱電比減小到0.58,相對原型CCHP系統降低了25.75%。

圖6 不同釋氣系數下輸出功率相對變化率

圖7 不同釋氣系數下一次能源利用率和效率

4 結論

(1) 建立了壓氣機、燃燒室、透平、余熱鍋爐、換熱器、噴射器、水泵/水輪機等部件和系統的熱力學模型,利用文獻中數據進行了驗證,表明模型計算結果吻合較好,滿足工程應用。

(2) 對基于額定功率10 MW回熱循環燃氣輪機的CCHP系統,抽氣系數和釋氣系數在0～0.2內時,系統熱電比范圍達到0.58～2.27,一次能源利用率穩定在58.1%～59.5%,效率不低于32.2%。

(3) 抽氣-釋氣流量策略適用于集成恒壓CAES的燃氣輪機CCHP系統負荷調節,可在不減少熱負荷的前提下拓寬熱電比范圍,實現寬工況高效運行。