基于先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统分析

张 利 周伟伟 谷青峰 周 沛 苑一鸣 张泽灏 贺 欣 屈 斌 王 坤

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华北电力大学（保定） 河北保定 071003 3天津市电力科技发展有限公司 天津 300384）

基于先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统分析

张 利1周伟伟2谷青峰2周 沛2苑一鸣2张泽灏2贺 欣3屈 斌1王 坤1

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 300384 2华北电力大学（保定） 河北保定 071003 3天津市电力科技发展有限公司 天津 300384）

先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）作为一种高效能量储存技术，它将压缩空气储能（CAES）与热能储存（TES）技术相结合，本文通过变化储热器的能量占比，提出了基于压缩空气储能的冷热电联产系统。通过对系统进行热力学特性分析，研究表明所提系统具有较高的能量利用效率。

AA-CAES系统；冷热电联产；热力学分析

引言

随着传统化石能源的日益枯竭，风能、太阳能等可再生能源受到了很大的重视。但这些可再生能源由于其先天的不连续性及不稳定性极大程度上阻碍其发展。然而储能系统在能有效的解决这一问题。以先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）为例，该系统将压缩空气储能（AA-CAES）技术与能量储存技术相结合。使得AA-CAES系统既避免了由于使用燃料造成的污染问题，又具备相当强的储能能力[1,2]。

目前已有很多学者对于AA-CAES系统展开研究，主要从能量利用率角度对系统进行优化设计。而对于实际情况，用户在电力需求的同时也需要冷量或热量的供应。AA-CAES系统并不能满足用户的是需求，然而冷热电联产的分布式能源系统可以很好的解决这一问题，作为当前能源技术发展的主要方向，它可以实现余热的高效综合利用。它在解决了用户能源需求的问题的同时也符合我国节能减排战略发展要求。因此，本文提出了一种基于先进绝热压缩储能的冷热电联产系统[3]。

1 系统原理

图1为以AA-CAES技术为基础的冷热电联产系统模型。其工作过程如下：AA-CAES冷热电联产模型热量储存器储存压缩空气的过程热，通过冷却水作为冷却介质储存在储热器中，根据用户需求一定比例的热量直接提供给热用户，剩余热量由水带入透平机之前的换热器，实现空气的升温，同时由于膨胀之后的气体温度较低，有一定的制冷能力，故可利用透平出口空气为用户提供冷量。

本文的主要假设条件如下：

空气为理想气体，满足理想气体状态方程，空气与水的比热容为定值；

三联产系统的整个系统运行过程中，工作介质的动量变化和重力势能变化都可以忽略不计；

忽略管道、储气室及换热器中的压力损失和部件的热量损失，不考虑压气机与电动机、透平膨胀机与发电机之间的能量效率与能量损失。

1.1 系统运行分析

本文所设计的基于先进绝热压缩储能的冷热电联产系统，利用非补燃压缩空气储能消纳光伏、风力发电，利用所具有的冷热电三联产功能，满足用户对能源的多样性需求。下面对系统的能量转换特性进行分析[4]。

图1 压缩空气储能技术与冷热电联产系统图

（1）系统消耗的电能

利用弃风电、弃光电将空气压缩至储气室，每级消耗压缩功为：

压缩机出口温度

式中：k为绝热指数；T1为压缩机进气温度，在本系统中等于环境温度；T2为压缩机出口温度；Ma为压气机压缩空气质量；ηc为压缩机效率；εc为压气机压比。

（2）系统存储的热量

冷却介质通过换热器1吸收压缩过程的压缩热，然后将其储存在热量储存器中。

式中：T1和T2分别为进入换热器前、后空气的温度；Cp,a为空气的定压比热容。

（3）系统输出的电能

式中：Me为透平流量；Te为进入透平的空气温度。

（4）系统输出的热量

系统输出的热量即为高温蓄热介质通过换热器2释放的热量，其值为

（5）系统输出的冷量

系统输出的冷量即为透平的低温排气经过冷用户换热温度达到环境温度T0

式中：Ccop为制冷循环的制冷系数。

（6）系统能量效率

2 结果分析

根据表1的数据，分析不同热力参数对系统的影响情况。

表1

2.1 压气机压比对系统的影响

通过计算表明：随着压气机压比的升高，联产系统的能量效率有所降低,但下降幅度小于1%，可以近似认为保持不变。因此，可以忽略压气机压比对系统性能的影响[5]。

2.2 透平膨胀机入口温度对系统的影响

通过上述模型分析得系统的能量效率随透平膨胀机入口温度的升高而逐渐升高。

2.3 供热比例对系统的影响

随着热用户用热量的增加，透平输出功由于进气温度降低而减少，同时由于透平出气温度下降，系统制冷能力增加。

3 结论

本文提出的基于先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统，具有发电能力强、能量完全利用等优点。通过本文对该系统进行分析得出以下结论：

（1）本文提出的新型三联产系统可以同时供应电能、热能、冷能，更好的满足了当今用户的实际需求。

（2）本文提出的先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统不需要消耗燃料进行压缩空气加热，整个过程无污染问题。

（3）通过本文对关键部件的参数进行分析，本文提出系统有更多的能量输出，能量效率更高。参考文献

[1]蔡睿贤,张娜.关于分布式能源系统的思考[J].科技导报,2005(9):7-8.

[2]林汝谋,郭栋,金红光,等.分布式冷热电联产系统的能量梯级利用率新准则 [J].燃气轮机技术,2010,23(1):1-10.

[3]MADLENER R,LATZ J.Economics of centralized and decentralized compressed air energy storage for enhanced grid integration of wind power[J].Applied Energy,2013,(101),299-309.

[4]张远,杨科,李雪梅等.基于先进绝热压缩空气储能的冷热电联产系统 [J].工程热物理学报,2013,34,(11).1991-1996.

[5]姚尔人,王焕然,席光.一种压缩空气储能与内燃机技术耦合的冷热电联产系统[J].西安交通大学学报,2016,1(1):235-242.

Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage(AA-CAES)is an efficient energy storage technology based on the combination of Compressed Air Energy Storage(CAES)and Thermal Energy Storage(TES).With the change of distribution of heat stored in TES,in this paper,a combined cooling,heating and power(CCHP)system based on AA-CAES technology is proposed.The thermodynamic characteristics of the system are analyzed,and the results show that the proposed system has high energy efficiency.

AA-CAES system;CCHP;thermodynamic characteristics