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 熱電生產過程污染物監(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]。而電能儲能技術可以有效促進可再生能源大規(guī)模應用，實現(xiàn)發(fā)電側與需求側的平衡。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)在應用中仍存在循環(huán)效率低、操作不穩(wěn)定和地質限制等技術難題。

以上研究表明，國內外學者已經(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)與設計參數(shù)接近，因此筆者采用設計數(shù)據(jù)進行模型仿真和性能評估。設計數(shù)據(jù)最初來源于為該電廠建造或該設備的相關制造商。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水泵出口的給水分別作為換熱器的冷卻介質，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[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。在熱力學第一定律的基礎上，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的電量以及放氣過程中煤耗變化對應的電量。

(4) 中隔壁法(CD法)：將隧道分為左右兩大部分進行開挖，隧道兩側采用臺階法自上而下分層開挖，中間設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為工質的質量流量，kg/s；h為工質在當前狀態(tài)下的焓，kJ/kg；h0為工質在環(huán)境狀態(tài)下的焓，kJ/kg；T0為工質在環(huán)境狀態(tài)下的溫度，K；s為工質在當前狀態(tài)下的熵，kJ/(kg·K)；s0為工質在環(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)生的能量轉移和轉換。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)設備投資；新增系統(tǒng)年度總成本包括年度設備運行維護費用及年度燃料成本(包含系統(tǒng)耦合導致的燃煤量變化)；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)濟性分析結果如表6所示。采用規(guī)模因子法對新增系統(tǒng)的設備投資進行估算。選取參考文獻[15]的相關數(shù)據(jù)，計算得出新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的設備總投資為1 914.56萬元。新增系統(tǒng)年度設備運行維護費用為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)濟性分析結果Tab.6 Economic analysis results of the proposed CAES system

4 結 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。