摘 要 為了提高火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)節(jié)靈活性，同時增加系統(tǒng)調(diào)峰能力和可再生能源入網(wǎng)比例，本工作提出一種熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成的新方案。該方案在強化供熱階段采用壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲存電能并利用壓縮熱供熱，提高系統(tǒng)供熱比例；強化供電階段利用熱電聯(lián)產(chǎn)機組抽汽加熱膨脹機入口空氣，提高系統(tǒng)發(fā)電比例。該方案相對于參比系統(tǒng)的?效率可提升4%～31.4%，熱電比也得到了明顯拓寬。研究比較了不同部件參數(shù)對系統(tǒng)熱效率、?效率及熱電解耦性能的影響，并在此基礎(chǔ)上對幾種采暖工況基本點進行?分析。結(jié)果顯示：壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣流量對新型集成系統(tǒng)的熱效率、?效率影響較大，而膨脹機入口空氣溫度對新型集成系統(tǒng)的熱電比影響較大；隨著進入汽輪機主蒸汽流量的增大，系統(tǒng)總過程?效率、熱效率分別增大5%、8%左右；?損失分析則顯示鍋爐部件?損失占比最大，為20%左右，其次是冷源損失，為10%左右。關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲能；熱電聯(lián)產(chǎn)；熱電解耦；?分析
為了應(yīng)對化石能源危機和環(huán)境污染問題的挑戰(zhàn)，風(fēng)電、太陽能等可再生能源越來越多地被開發(fā)利用，由于可再生能源的間歇性和波動性，我國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)較為嚴重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年我國棄風(fēng)率最高的省份棄風(fēng)率為14%，棄光率最高的省份棄光率超過24%。為了提高可再生能源的并網(wǎng)能力，電網(wǎng)要求火電廠提升調(diào)峰能力，而這與傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組以熱定電的運行方式相矛盾。同時，東北地區(qū)老舊熱電聯(lián)產(chǎn)機組因能源利用率低、調(diào)峰能力不足等問題也面臨著改造。因此，尋求一種提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦能力、增強機組調(diào)峰能力和增加熱電運行范圍的方法，對可再生能源高效利用具有重要意義。
傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦方式主要包括：①單獨配置蓄熱裝置；②單獨配置電鍋爐；③聯(lián)合配置蓄熱和電鍋爐；④配備柴油機等輔助發(fā)電設(shè)備用于高峰用電；⑤熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)控運行；⑥其他儲能形式的應(yīng)用等。對于單獨配置蓄熱裝置，蓄熱方式分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)蓄熱。Chen等探討了利用顯熱儲熱罐來提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組的靈活性，以減少熱電機組出力，擴大電網(wǎng)接納風(fēng)電空間容量，提高風(fēng)電消納能力。文獻報道，在丹麥，絕大多數(shù)的區(qū)域熱電廠采用熱水蓄熱來“削峰填谷”，典型熱水蓄熱罐容積在2000～30000 m3。在潛熱蓄熱方面，李九如等指出熔鹽儲能具有很好的經(jīng)濟性，且該技術(shù)已在太陽能電站實現(xiàn)應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的節(jié)能減排效果。此外，蒸汽蓄熱也是潛熱蓄熱中應(yīng)用較多的一種形式。以上兩種潛熱蓄熱方式均可用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)蓄熱。在化學(xué)反應(yīng)蓄熱方面，Zhang等分析了CaCO3/CaO循環(huán)的傳熱平衡模型，還建立了一個包括太陽能煅燒爐和加壓流化床碳酸鹽爐在內(nèi)的開放式布雷頓循環(huán)燃氣輪機模型，計算結(jié)果表明，CaO活性在15%～40%之間時，發(fā)電效率可達40%～50%。但上述單獨配置儲熱裝置的方式普遍存在儲能密度相對較低，對場地面積要求高，部分儲能體系的反應(yīng)物對設(shè)備的腐蝕性較大，且存在供熱系統(tǒng)耦合蓄熱罐后水力工況復(fù)雜等問題。
在配置電鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)特性研究方面，Zhang等對單獨配置電鍋爐在中國減少棄風(fēng)量效益進行了評價，研究了高風(fēng)電比例熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度時，風(fēng)電、電鍋爐等的優(yōu)化部署，為研究電鍋爐等全電力系統(tǒng)實時電價機制設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)。崔楊等提出一種含儲熱光熱電站與電鍋爐聯(lián)合運行的供熱期棄風(fēng)消納策略，通過光熱發(fā)電電站的儲熱系統(tǒng)與電鍋爐結(jié)合，并與熱電聯(lián)產(chǎn)機組共同提供系統(tǒng)熱負荷。屬丹麥的Skagen電站是采用聯(lián)合配置蓄熱和電鍋爐的典范，配套了13 MW功率的CHP(combined heat and power)機組，250 MW·h儲熱罐和10 MW電鍋爐。但上述配置電鍋爐的熱電解耦方式是將能量從高品位能向低品位能的轉(zhuǎn)換，且通常需要配套使用儲熱水罐，伴隨著極大的?損，效率很低，不符合能量梯級利用的原則。
柴油發(fā)電機組可根據(jù)用戶的需求作為備用電源使用，提高供電比例，具有啟動快、可以快速發(fā)電、維護費用低等優(yōu)勢，但柴油發(fā)電機發(fā)電功率小且存在污染性尾氣排放問題。在熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)控運行研究方面，Stathopoulos等通過CHP機組控制優(yōu)化，對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行調(diào)峰能力挖潛，拓展了熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行工況范圍。He等改造了微型燃氣輪機以適應(yīng)濕式運行來提高熱電聯(lián)產(chǎn)裝置運行靈活性，證明了濕式微型燃氣輪機在住宅熱電應(yīng)用中的經(jīng)濟效益。但是通過熱電聯(lián)產(chǎn)機組自身的調(diào)控進行熱電解耦的方法，只能在較小程度上進行解耦調(diào)節(jié)，解耦效果并不顯著。
與其他儲能方式相比，壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有壽命長、成本低、規(guī)模大、多載體儲能發(fā)電、易與外部熱源結(jié)合等優(yōu)點，有利于在熱電解耦的同時將熱能和電能進行重新分配，比較適合在我國“三北”地區(qū)推廣發(fā)展。Li等提出了一種絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)集成的熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度模型，能夠靈活地與電力熱能系統(tǒng)集成，并實現(xiàn)電、熱的儲存和釋放，結(jié)果顯示集成系統(tǒng)明顯減低系統(tǒng)運行成本和減少風(fēng)力發(fā)電。Wojcik等研究了聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)機組與絕熱壓縮空氣儲能集成的可行性，結(jié)果表明該新型系統(tǒng)可以避免聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機在低負荷下運行，系統(tǒng)的運行靈活性有所提升，但系統(tǒng)效率略有降低。上述壓縮空氣儲能系統(tǒng)的引入方式均未與熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電負荷進行深度高效集成，且壓縮空氣儲能系統(tǒng)使用冷熱水罐，雙罐儲熱密度較低，占地和投資較大。因此，亟需一種改善火電廠熱電解耦性能的高效利用方法。
針對以上問題，本工作提出一種抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)耦合的集成系統(tǒng)，希望通過靈活利用壓縮空氣儲能過程中的壓縮熱和熱電聯(lián)產(chǎn)機組的高溫抽汽熱，實現(xiàn)對熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦。本文將以熱效率、?效率和熱電比為評價指標，探索抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)的集成熱力學(xué)特性，為該類型集成系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支撐。
1 系統(tǒng)描述
本文提出一種熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能集成的新系統(tǒng)，即在壓縮空氣儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱來提供熱負荷，并引入熱電聯(lián)產(chǎn)機組汽輪機中壓缸末級采暖抽汽來加熱膨脹機入口空氣，以實現(xiàn)能源的高效利用。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)機組采用中間再熱抽凝式機組，回?zé)岢槠墧?shù)采用三高三低一除氧；壓縮空氣儲能系統(tǒng)采用四級壓縮和四級膨脹，為定壓壓縮空氣儲能系統(tǒng)形式，利用水的靜壓實現(xiàn)儲氣室壓力的恒定。圖1為該新型熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程。
圖1 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能新型集成系統(tǒng)運行模式
此抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能新型集成系統(tǒng)的運行模式分為三種。
（1）強化供熱模式。夜晚用戶的電負荷相對白天較低，而熱負荷相對較高。此時使火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組處于額定工況，由于電負荷需求較低，利用熱電廠富余電量驅(qū)動壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機工作，產(chǎn)生一定質(zhì)量的高壓空氣，并將高壓空氣儲存在儲氣室中，通過間冷換熱器收集壓縮機的壓縮熱，與火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組的采暖抽汽共同向用戶供熱，使集成系統(tǒng)的供熱量大于熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱量，滿足較大的熱負荷需求。
（2）強化供電模式。白天用戶的電負荷需求較大而熱負荷需求較小。此時火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組仍處于額定工況，則電負荷需求高于熱電聯(lián)產(chǎn)機組輸出電負荷，此時壓縮空氣儲能子系統(tǒng)儲氣室高壓空氣進入膨脹機做功，同時膨脹機入口空氣加熱熱源為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的采暖抽汽。在該模式下，火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)共同為用戶供電，火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組的采暖抽汽的剩余部分為用戶供熱，滿足較低的熱負荷需求。
（3）火電廠獨立運行模式?；痣姀S熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供電量和供熱量與用戶的電負荷、熱負荷需求匹配度較高時，火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組單獨運行即可實現(xiàn)高效率的供電供熱，此時新型耦合系統(tǒng)處于火電廠獨立運行狀態(tài)。
將兩個子系統(tǒng)耦合時，遵循溫度對等和能量梯級利用原則，利用熱電廠冷凝水作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的冷卻循環(huán)水，熱電廠采暖抽汽作為膨脹機前高壓空氣的加熱熱源。該系統(tǒng)同時解決了供電供熱的負荷平衡問題；通過引入壓縮空氣儲能可實現(xiàn)抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組始終保持于額定工況下運行，提升其運行效率；而且熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能之間熱、電的深度耦合，使得抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦能力得到極大提升，增強了機組運行靈活性。
2 模型及方法
2.1 系統(tǒng)假設(shè)
針對以上抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成的建模過程，為了保證對實際復(fù)雜系統(tǒng)建模的可操作性，做出如下假設(shè)和簡化：①假設(shè)鍋爐效率為定值；②忽略各個部件的機械損失。
2.2 采用的模型及工具
采用Aspen Plus軟件進行火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組以及壓縮空氣儲能系統(tǒng)的模型搭建，平臺提供了比較豐富的模型庫，可以直接調(diào)用現(xiàn)有模塊來模擬熱力系統(tǒng)各個部分，根據(jù)熱力系統(tǒng)各個部分的工作特點對相應(yīng)的模塊賦予參數(shù)。部件模型類別采用Heater、MheatX、Pump、Valve、Compr、Sep2、Mixer等。物性方法水側(cè)選擇STEAM-TA、空氣側(cè)選擇PENG-ROB。
對新型集成系統(tǒng)各基本點進行?損失分布分析時，主要部件熵產(chǎn)及?損失計算采用的公式見表1。
表1 熵產(chǎn)及?損失計算公式
注：Sg為各部件熵產(chǎn)，kJ/K；m為進入各部件的流體質(zhì)量流量，kg/s；mh為換熱器熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；mc為換熱器冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；mi為混合器各股物流的質(zhì)量流量，kg/s；s1為各部件進口流體的熵值，kJ/(kg·K)；s2為各部件出口流體的熵值，kJ/(kg·K)；sf為隨熱流攜帶的熵流，kJ/(kg·K)；?sh為換熱器熱流體的熵值，kJ/(kg·K)；?sc為換熱器冷流體的熵值，kJ/(kg·K)；?si為混合器各股流體的熵值差，kJ/(kg·K)。
2.3 評價指標
本研究采用熱效率、?效率和熱電比對系統(tǒng)性能進行評價，其中熱效率反映能量轉(zhuǎn)換的效果和散熱情況，?效率體現(xiàn)集成系統(tǒng)有效能的利用程度，通過熱電比來表現(xiàn)輸出電負荷和熱負荷的比例關(guān)系，體現(xiàn)熱電解耦能力。以上參數(shù)全面反映整個集成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性。
（1） 熱效率
集成系統(tǒng)強化供熱階段熱效率
式中，WESP,out為強化供熱階段的輸出功率，W；WERP,out為強化供電階段的輸出功率，W；Wout為總過程的輸出功率，W；Wpump為泵附件耗功，W；QESP,out為強化供熱階段的輸出熱負荷，W；QERP,out為強化供電階段的輸出熱負荷，W；Qout為總過程的輸出熱負荷，W；Qfb為燃料總消耗的熱值，W；Qair為壓縮空氣所攜帶的熱值，W。
（2） ?效率
集成系統(tǒng)強化供熱階段?效率
式中，m為流體介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；T0為環(huán)境溫度，取300.15 K；h1為流體介質(zhì)入口狀態(tài)下的焓值，J/kg；h2為流體介質(zhì)出口狀態(tài)下的焓值，J/kg；s1為流體介質(zhì)入口狀態(tài)下的熵值，J/(kg·K)；s2為流體介質(zhì)出口狀態(tài)下的熵值，J/(kg·K)。
燃料輸入熱量攜帶?值的計算公式為
圖片 (8)
式中，Q為燃料輸入的熱量，W；T0為環(huán)境溫度，取300.15 K；T為鍋爐內(nèi)換熱溫度，取843 K。
在計算壓縮空氣儲能子系統(tǒng)各部件參數(shù)對新型集成系統(tǒng)?效率的影響時，為對比由于換熱站換熱溫度不對等導(dǎo)致的換熱?損失大小，進行了兩個不同?效率的計算，區(qū)別在于一個采用用戶側(cè)采暖供回水的?值差做為輸出熱負荷?值，取為ηex1；另一個采用采暖抽汽供回的?值差做為輸出熱負荷?值，取為ηex2。
（3） 熱電比
集成系統(tǒng)強化供熱階段熱電比為
圖片 (9)
集成系統(tǒng)強化供電階段熱電比為
圖片 (10)
式中，QESP,out為集成系統(tǒng)強化供熱階段的輸出熱負荷，W；WESP,out為集成系統(tǒng)強化供熱階段的輸出功率，W；Wpump為泵附件耗功熱值，W；QERP,out為集成系統(tǒng)強化供電階段的輸出熱負荷，W；WERP,out為集成系統(tǒng)強化供電階段的輸出功率，W。
3 結(jié)果與討論
3.1 集成系統(tǒng)熱力性能
在搭建新型集成系統(tǒng)模型時，對于火電廠抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組和壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的模型搭建，采取的主要技術(shù)參數(shù)見表2、表3。
基于上述各子系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)建立新型耦合系統(tǒng)的計算模型，模擬得出新型集成系統(tǒng)在各個抽汽點和主要點處的蒸汽參數(shù)，將其列在表4中。
表4 新型耦合系統(tǒng)各抽汽點和主要點處蒸汽參數(shù)
對該組熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行熱電解耦時，機組處于額定采暖工況運行，改變儲能子系統(tǒng)各部件的參數(shù)，得到其對整個新型集成系統(tǒng)的影響規(guī)律。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)機組單獨運行時，熱效率、?效率和熱電比計算結(jié)果見表5，壓縮空氣儲能子系統(tǒng)單獨運行?效率計算結(jié)果見表6。
基于以上參數(shù)，首先對比分析了強化供熱階段熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能集成系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)機組與電鍋爐集成系統(tǒng)的?效率，如圖2所示。結(jié)果顯示隨著熱電比的增大，兩個集成系統(tǒng)的?效率均略有降低，但是與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成時的?效率遠遠大于與電鍋爐的集成系統(tǒng)約30%，顯示出熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成的優(yōu)越性。
圖2 強化供熱過程?效率對比
在強化供電階段對比分析了熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能集成系統(tǒng)、補充柴油機供電兩種方式的?效率，如圖3所示。結(jié)果顯示，與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成時的?效率遠大于集成柴油機時的?效率，約4%～7%，同樣表現(xiàn)出熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成的優(yōu)越性。
圖3 強化供電過程?效率對比
3.2 壓縮空氣儲能子系統(tǒng)部件參數(shù)對集成系統(tǒng)的影響規(guī)律
基于以上模型方法及評價指標，分別改變壓縮空氣儲能子系統(tǒng)進入壓縮機和膨脹機的空氣流量、壓縮機效率、膨脹機效率、膨脹機入口溫度、間冷器(或再熱器)換熱壓力損失，模擬各情況下新型集成系統(tǒng)的強化供熱過程、強化供電過程，并分析其總過程，得出以下模擬結(jié)果。
（1）強化供熱階段。從圖4中數(shù)據(jù)曲線可以看出，由于換熱站換熱溫度不對等引起的換熱?損失，ηex1比ηex2小4.4%左右，采暖抽汽與用戶采暖溫度的差值會造成較大的能量損失。隨著空氣流量的增加，集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率、熱效率均降低，當進入壓縮機和膨脹機的空氣流量從30 kg/s逐步增加到70 kg/s時，?效率從57.2%降低至54.1%；熱效率從53.5%降低至50.3%。這是因為當空氣流量增加時，壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的壓縮機部件耗功增加，此時雖然可以收集到更多的壓縮熱，但也將電能向熱能和壓力能轉(zhuǎn)化，能量的品位降低，所以?效率呈現(xiàn)降低的趨勢；在收集壓縮熱和向用戶供熱時存在換熱損失和散熱損失，故此時集成系統(tǒng)的熱效率呈現(xiàn)降低趨勢。隨著壓縮機效率的增加，集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率呈現(xiàn)增長趨勢，當壓縮機效率從0.82增加到0.90時，集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率從55.4%增長到55.8%；熱效率雖有增加但增幅不大；這是由于隨著壓縮機效率的增加，壓縮機的耗功會有所減小，從而儲能子系統(tǒng)由電能向熱能的轉(zhuǎn)化減少，能量品位的降低也隨著壓縮機效率的增加而減小，所以集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率呈現(xiàn)增長趨勢，熱效率也會有所增加。隨著間冷器兩端換熱壓損從0.01 MPa增加到0.03 MPa時，集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率呈現(xiàn)輕微降低趨勢，在55.6%左右；熱效率在51.86%左右，略有下降但降幅很小。這是因為間冷器兩端換熱壓損的增大會導(dǎo)致間冷器的換熱損失增大，?效率和熱效率會隨之有所降低，但是因其所引起的換熱損失相對較小，所以效率的變化并不明顯。
圖4 集成系統(tǒng)強化供熱階段?效率和熱效率隨部件參數(shù)變化規(guī)律
由圖5中可以看出，隨著進入壓縮機和膨脹機的空氣流量的增加，集成系統(tǒng)強化供熱階段的熱電比逐漸增加，空氣流量從30 kg/s增加到70 kg/s時，熱電比從0.6578增長到0.7592；這是因為增大空氣流量時，產(chǎn)生的壓縮熱隨之增大，間冷器可以收集到的熱量增多，可向用戶提供的熱量也逐步增加，所以熱電比的變化逐步增加且增幅明顯。當壓縮機效率從0.82向0.90增大時，集成系統(tǒng)強化供熱階段熱電比略有減小；原因是當壓縮機效率升高時，產(chǎn)生的壓縮熱有所減小，可收集的提供給用戶的熱量減小，導(dǎo)致熱電比輕微降低。當間冷器兩端的換熱壓損從0.01 MPa增加到0.03 MPa時，換熱損失有所增加，從而導(dǎo)致熱電比有輕微下降。
圖5 集成系統(tǒng)強化供熱階段熱電比隨部件參數(shù)變化規(guī)律
（2）強化供電階段。從圖6中可以看出，由于換熱站換熱溫度不對等引起的換熱?損失，ηex1比ηex2小3%左右，采暖抽汽與用戶采暖溫度的差值會造成較大的能量損失。隨著進入膨脹機的空氣流量從30 kg/s增加到70 kg/s時，集成系統(tǒng)強化供電階段的?效率略有增加，而熱效率從51.0%降低至46.7%；這是因為增加進入膨脹機的空氣流量時，膨脹機部件的輸出功率隨之增大，導(dǎo)致更多的熱能和壓力能轉(zhuǎn)化成電能，使得能量的品位升高，從而會出現(xiàn)?效率稍有增大的情況。隨著膨脹機入口溫度從150 ℃增加至190 ℃，集成系統(tǒng)強化供電階段的?效率也隨之從58.7%降低至56.5%，熱效率從54.0%降低至43.0%；原因是隨著膨脹機入口溫度提高，強化供電階段用于加熱高壓空氣需要的采暖抽汽量增大，換熱損失也會隨之增大。而隨著再熱器換熱壓損的增加，換熱損失會有所增加，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的輸出電功率略有所下降，在其他條件均不改變的情況下?效率會有輕微下降。
圖6 集成系統(tǒng)強化供電階段?效率和熱效率隨部件參數(shù)變化規(guī)律
從圖7中可以看出，隨著進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)壓縮機和膨脹機的空氣流量的增加，熱電比有所降低，這是由于集成系統(tǒng)強化供電階段隨著空氣流量的增加可以消耗掉更多熱電聯(lián)產(chǎn)機組的采暖抽汽，而與此同時膨脹機還產(chǎn)生更多的電能，最終導(dǎo)致熱電比隨著空氣流量的增加呈減小趨勢。隨著膨脹機效率從0.84增加到0.92的過程中，熱電比呈現(xiàn)降低趨勢，這是因為隨著膨脹機功率的升高，可以消耗掉更多的熱能和產(chǎn)生更多的電能，所以熱電比呈現(xiàn)減小趨勢。隨著膨脹機入口溫度和再熱器換熱壓損的增加，換熱損失有所增加，消耗的熱能有所增加，所以熱電比均呈現(xiàn)降低趨勢。
圖7 集成系統(tǒng)強化供電階段熱電比隨部件參數(shù)變化規(guī)律
（3）總過程。從圖8中可以看出，由于換熱站換熱溫度不對等引起的換熱?損失，ηex1比ηex2小3%左右，采暖抽汽與用戶采暖溫度的差值會造成較大的能量損失。隨著進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)壓縮機和膨脹機的空氣流量的增加，集成系統(tǒng)總過程的?效率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，當空氣流量從30 kg/s增加到70 kg/s時，總過程的?效率從56.3%減小到52.2%；熱效率從50.4%減小至43.2%。這是因為隨著空氣流量的增加，有更多的電能完成從電能到熱能再到電能的轉(zhuǎn)化，即能量品位從高到低再到高，造成了能量的浪費，所以總過程?效率和熱效率呈現(xiàn)減小趨勢。當壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的壓縮機效率從0.82增加到0.90時，總過程?效率增加0.4%；熱效率幾乎不變。這是由于當壓縮機效率提高時，壓縮機的耗功會相應(yīng)降低，即高品位的電能向低品位的熱能轉(zhuǎn)化的量減少，從而導(dǎo)致總過程?效率增加。當壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的膨脹機效率從0.84增加到0.92時，總過程的?效率增加0.35%，熱效率增加0.2%。原因是膨脹機效率的提高，會有更多的熱能轉(zhuǎn)化為電能，能量品位得以提升，故總過程的?效率和熱效率呈現(xiàn)增加態(tài)勢。膨脹機入口溫度從150 ℃增加至190 ℃時，總過程?效率降低2.2%；當改變間冷器和再熱器兩端的換熱壓損使其從0.01 MPa增加到0.03 MPa時，總過程?效率在54.2%左右，熱效率在46.6%左右；這是因為換熱損失隨之增加，但由于其影響較小，故總過程的?效率輕微減小，幾乎沒有影響。
圖8 集成系統(tǒng)總過程?效率和熱效率隨部件參數(shù)變化規(guī)律
圖9為儲氣室壓力對集成系統(tǒng)熱效率、?效率和熱電比的影響，可以看出儲氣室壓力對各性能參數(shù)的影響較小。當儲氣室壓力從4 MPa增大到10 MPa時，集成系統(tǒng)總過程的?效率降低0.3%，這是因為隨著儲氣室壓力增大，壓縮機耗功隨之增大，電能向熱能和壓力勢能轉(zhuǎn)換時的損失也略有增大，導(dǎo)致?效率呈現(xiàn)減小趨勢；而熱效率增大0.5%，是因為隨著壓縮機背壓的增大，壓縮機出口空氣溫度升高明顯，導(dǎo)致總系統(tǒng)向外輸出的熱能增大，但系統(tǒng)的輸入變化并不明顯，所以集成系統(tǒng)總過程的熱效率隨著儲氣室壓力的增大而增大；集成系統(tǒng)總過程熱電比增大0.03，隨著儲氣室壓力增大，能量轉(zhuǎn)換過程中的損失增大導(dǎo)致集成系統(tǒng)總過程的凈輸出電能逐漸減小，而強化供熱過程輸出的熱能逐漸增大，所以集成系統(tǒng)總過程的熱電比呈現(xiàn)增大趨勢。
圖9 集成系統(tǒng)總過程熱效率、?效率及熱電比隨儲氣室壓力變化規(guī)律
3.3 熱電解耦特性分析
為了得到熱電聯(lián)產(chǎn)機組的不同采暖抽汽量下，壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的壓縮機空氣流量對整個新型集成系統(tǒng)的影響規(guī)律，基于上述評價指標，通過改變進入熱電聯(lián)產(chǎn)機組的主蒸汽流量，使得機組的抽汽量分別為150、200、250、300、350 t/h，在此基礎(chǔ)上再改變壓縮空氣儲能系統(tǒng)中進入壓縮機的空氣流量，模擬各情況下的新型集成系統(tǒng)，得出如下模擬結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上對其進行?損失分析。
（1）強化供熱階段。從圖10可以看出，隨著進入熱電聯(lián)產(chǎn)機組主蒸汽流量的增大，采暖抽汽量從150 t/h向350 t/h增加，集成系統(tǒng)強化供熱階段?效率和熱效率均呈現(xiàn)增大趨勢，?效率增加3%～5%，熱效率增加2.6%～5%，但隨著抽汽量的增加速度逐漸放緩。而對于單獨的某一熱電聯(lián)產(chǎn)機組采暖工況來說，在其他條件不變的情況下，與改變進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)壓縮機和膨脹機的空氣流量所得出的模擬結(jié)果一致，均為隨著進入壓縮機的空氣流量的增大，各集成系統(tǒng)強化供熱階段的?效率逐漸降低。
圖10 抽汽量和空氣流量對集成系統(tǒng)強化供熱階段?效率和熱效率的影響
由圖11可以看出，對于某一特定的進入壓縮機的空氣流量，熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)主蒸汽流量增加，采暖抽汽量從150 t/h增加到350 t/h時，其對應(yīng)的集成系統(tǒng)強化供熱階段的熱電比逐漸減小，熱電比變化范圍從0.06到0.2。其原因是壓縮空氣儲能子系統(tǒng)中進入壓縮機的空氣流量不變，收集到的壓縮熱在整個集成系統(tǒng)中對熱電比的影響減弱，故熱電比呈現(xiàn)減小的趨勢。
圖11 抽汽量和空氣流量對集成系統(tǒng)強化供熱階段熱電比的影響
（2）強化供電階段。從圖12可以看出，隨著進入汽輪機的主蒸汽流量增大集成系統(tǒng)強化供電階段的?效率呈現(xiàn)減小的趨勢，降低0.05%～0.11%。熱效率方面，集成系統(tǒng)強化供電階段熱效率隨著主蒸汽流量的增加而逐漸增大，增大3%～7%。這是因為隨著熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)抽汽量的增加，集成系統(tǒng)輸出的熱功率增加明顯，故熱效率有所增加。而對于單獨的某一熱電聯(lián)產(chǎn)機組采暖工況來說，在其他條件不變的情況下，與改變進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的空氣流量所得出的模擬結(jié)果一致，均為隨著空氣流量的增大，各集成系統(tǒng)強化供電階段的?效率逐漸增大。
圖12 抽汽量不同時集成系統(tǒng)釋強化供電階段?效率和熱效率變化規(guī)律
由圖13可以看出，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)主蒸汽流量增大，抽汽量從250 t/h增加到500 t/h，其對應(yīng)的集成系統(tǒng)強化供電階段的熱電比逐漸增大，增大幅度從0.14到0.28。其原因是隨著抽汽量的增加，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)輸出的電能減小而熱能增加，故熱電比呈現(xiàn)縱向增加的趨勢。而對于單獨的某一熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)采暖抽汽工況來說，在其他條件不變的情況下，與改變進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的空氣流量所得出的模擬結(jié)果一致。
圖13 抽汽量不同時強化供電階段熱電比變化規(guī)律
（3）總過程。從圖14中可以看出，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)機組主蒸汽流量的增大，抽汽量隨之從150 t/h增加到350 t/h，集成系統(tǒng)總過程的?效率和熱效率呈現(xiàn)增大趨勢，?效率增大3%～6.5%，熱效率增大5%～11%。這是因為隨著主蒸汽流量的增加，被用來加熱壓縮空氣儲能子系統(tǒng)中進入膨脹機的高壓空氣的抽汽量的比例相對于主蒸汽流量是減小的，所以?效率和熱效率呈現(xiàn)增大的趨勢。對于某一單獨的熱電聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)采暖工況，隨著進入壓縮空氣儲能子系統(tǒng)空氣流量的增加，集成系統(tǒng)總過程的?效率呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，與上述模擬結(jié)果表現(xiàn)一致。
圖14 抽汽量不同時總過程?效率和熱效率變化規(guī)律
3.4 ?損失分析
對比150、200、250、300、350 t/h抽汽量的集成系統(tǒng)強化供熱階段基本點?分析，從圖15可以得出，整個系統(tǒng)各部件?損失占輸入?的比例中，鍋爐部件最大，其次是冷源損失，最小的是壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的間冷器和壓縮機部件。其中鍋爐?損失所占輸入?的比例在19.5%左右，且隨著抽汽量的增大有增加趨勢；最小的間冷器和壓縮機部件?損失占輸入?的比例僅為0.45%左右。
圖15 強化供熱階段不同主蒸汽流量下基本點?分析
對比150、200、250、300、350 t/h抽汽量的集成系統(tǒng)強化供電階段基本點?分析，從圖16可以看出，各類部件?損失占輸入?的比例大小與強化供熱階段一致，鍋爐最大，冷源損失次之，分別為20%左右和10.5%左右。鍋爐的?損失最大，主要是由于燃燒損失以及換熱損失的不可逆性損失導(dǎo)致的。最小的是間熱器和膨脹機部件，均為0.5%左右。
圖16 強化供電階段不同主蒸汽流量下基本點?分析
4 結(jié)論
本文構(gòu)建了一種火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能系統(tǒng)耦合的新型集成系統(tǒng)，相對于參比系統(tǒng)，本系統(tǒng)?效率可提升4%～31.4%。同時熱電比也得到了有效拓寬。研究表明：
（1）強化供熱階段，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的空氣流量對集成系統(tǒng)的熱效率/?效率影響最明顯，當空氣流量從30 kg/s增加到70 kg/s時，熱效率和?效率均變化3%左右；強化供電階段，膨脹機入口空氣溫度的影響最大，當入口溫度從150 ℃增加至190 ℃時，熱效率變化10%左右，?效率變化2%左右。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機/膨脹機效率以及換熱器性能對集成系統(tǒng)各效率影響均較??；
（2）隨著空氣流量從30 kg/s增大到70 kg/s，在強化供熱階段，熱電解耦指標熱電比增大0.07～0.20左右；強化供電階段，熱電比減小0.14～0.28左右。隨著空氣流量的增大，在強化供熱和強化供電階段，熱電比隨主蒸汽流量的變化率均增大；對于某一特定的主蒸汽流量，集成系統(tǒng)性能隨空氣流量的變化規(guī)律，與基準主蒸汽流量下的變化規(guī)律一致；
（3）在整個系統(tǒng)中，鍋爐部件的?損失最大，為20%左右；其次是冷源損失，為10%左右。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)回?zé)崞鞯?損失約為6%左右。壓縮空氣儲能子系統(tǒng)的間冷器、再熱器、壓縮機和膨脹機等部件的?損失占輸入?的比例較小，僅為0.5%左右。
引用本文： 王曉露,郭歡,張華良等.火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機組與壓縮空氣儲能集成系統(tǒng)能量耦合特性分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(02):598-610.
WANG Xiaolu,GUO Huan,ZHANG Hualiang,et al.Analysis of energy coupling characteristics between cogeneration units and compressed air energy storage integrated systems in thermal power plants[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):598-610.
第一作者：王曉露（1995—），女，碩士研究生，研究方向為分布式供能、儲能與節(jié)能，E-mail：wangxiaolu@iet.cn；
通信作者：陳海生，研究員，研究方向為壓縮空氣儲能、蓄冷蓄熱等物理儲能技術(shù)，E-mail：chen_hs@iet.cn。
