压缩空气蓄能（CAES）电站热力性能仿真分析
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摘要
我国电网装机容量增长迅速,电网调峰问题十分突出,调峰有赖于蓄能技术的发展。各蓄能技术各有特点,其中压缩空气蓄能(CAES)电站具有经济性好,负荷范围大等优点,在北京市自然科学基金(No. 3053019)和国家自然科学基金(No.50476069)的支持下,针对CAES电站进行了以下的研究工作:
针对CAES电站蓄能子系统流程结构特点以及各部件的动态特性,基于模块化建模思想,研究提出系统的稳态和动态仿真模型。对某一实例进行了不同负荷稳态工况和动态仿真计算,并用MATLAB绘制了仿真曲线,得出结论:在压缩空气存贮过程中,贮气室压力由30bar增大到144bar,压气机流量由411.2kg/s减小到403.7kg/s,压缩空气耗功由412.8kJ/kg增大到706kJ/kg。
针对CAES电站发电子系统流程结构特点以及各部件的动态特性,研究提出系统的稳态和动态仿真模型。对某一实例进行了设计工况、不同负荷稳态工况和动态工况的仿真计算,绘制了仿真曲线,并把CAES电站的变工况性能和燃气轮机电站的变工况性能进行了对比分析。得出结论:燃气透平在100%~40%负荷范围内变化时,燃气轮机电站热效率从33.8%降低到0, CAES电站能量转化系数在定燃气温度时为53.6%~49.5%,定流量时为53.6%~34.3%。
基于能的“品位对口、梯级利用”原则和侧重从CAES电站特点出发,提出了系统设计优化方法,进行了CAES电站的系统集成与优化,并进行了热经济性的计算。以7E燃机为核心的CAES电站,功率提高到简单燃机电站功率的2.39~3.33倍,能量转化系数为38.2%~54.4%。
建立了CAES电站静态效益计算模型,并结合动态效益评估,得到1200MW装机容量CAES电站不考虑峰谷电价差时,年综合经济效益约15.50亿元/年。根据电力负荷变化特性,基于分散能量系统的微型CAES发电可采用不同的运行模式,不同模式净功率范围为-155.9~152.45kW。针对某商业用户某年的电力需求,根据总费用法,得出结论:利用低谷电力压缩空气,而在电力峰值负荷时用压缩空气发电要比在电网购电节省19.2%费用。
基于模糊识别理论,研究提出了包括经济性、环保性、污染物排放等指标的微型CAES发电的综合评价数学模型,并进行计算评价,可知,若用可再生能源发电压缩空气,微型CAES发电综合性能最优。
The grid volume is developing fast.The most difference between peak and off-peak demand of power generation is about 40%. Its performance is dependent on energy storage system because of the load fluctuation. Some problems can be solved by electrical energy storage system, for example, the improvement of reliability and steadiness of power supply. Each of energy storage ways has advantages and disadvantages. Compressed air energy storage (CAES) has advantages of low investment, low operation & maintenance cost and large power load range. Acknowledging the support from Natural Science Foundation of Beijing(No. 3053019)& National Natural Science Foundation of Chin(aNo.50476069), thermal performance simulation & benefits analysis of CAES was studied in thesis. Main contents and results of the thesis are as follows.
Combined with the characteristic of energy storage subsystem and its components, a subsystem dynamic-state and static-state simulation model is proposed based on unit’s modeling system. Equipments selection and their dynamic characteristics are analyzed. Using simulation software, the dynamic-state and static-state thermal performance are simulated for an energy storage subsystem. The simulation diagram of curve is plotted. The conclusion is drawn as follows: with the storage of compressed air, the pressure of storage vessel is varied from 30bar grows to 144bar, the mass flux of compressing air is reduced to 403.7kg/s from 411.2kg/s, the work usage of compressing air is reach to 706kJ/kg from 412.8kJ/kg.
Linked with the flow structure and dynamic characteristic of making electricity subsystem and its components, a dynamic-state and static-state simulation model of making electricity subsystem is proposed. Dynamic-state and static-state thermal performance have been simulated with constant air mass flux and constant gas combustion temperature. Some simulation diagrams of curve are plotted also. The contrastion of varied operation mode thermal performance is made between CAES power plant and simple gas turbine power plant. The conclusion is drawn as follows: with the load variation of gas turbine from 100% to 40%, the thermal efficiency of gas turbogenerator is varied from 33.8% to 0, the energy transformation coefficient of CAES power plant is changed from 53.6%~49.5% with constant gas temperature & changed from 53.6%~34.3% with constant mass flux.
On the basis of“Energy Step Utilization”principle and laying emphasis on characteristic of CAES power plant, the system integration and optimization method is proposed and the system integration of CAES power plant is made. Thermal performance of different CAES power plants is calculated, contrasted and analyzed and some conclusions are made. On the basis of 7E gas turbine, the power of CAES power plant is 2.39~3.33 times of simple gas turbogeneratior. The energy transformation coefficient of CAES power plant is 38.2%~54.4%.
A static and dynamic benefit evaluation model of CAES is established. The overall benefit of 1200MW CAES power plant is about 1.55 billion $ neglecting of electrical price difference.
Considering power load fluctuation, operation modes are different of micro-CAES electric-generating based on distributed energy system. The net power is -155.9~152.45kW with different models. A simple and practical economy evaluation method and economy evaluation model is established and related calculations are made. The economy is best of using off-peak electric to compress air and using compressing air to make electric, the cost saving is 19.2% constrasted with buying electric from grid overall.
By considering the factors including economy, reliability, environment protection, and CO2 emission, a fuzzy overall evaluation model for different power supply mode is proposed. The related calculation and optimization are made. Linking with re-generation power, the overall performance of micro-CAES is best.
针对CAES电站蓄能子系统流程结构特点以及各部件的动态特性,基于模块化建模思想,研究提出系统的稳态和动态仿真模型。对某一实例进行了不同负荷稳态工况和动态仿真计算,并用MATLAB绘制了仿真曲线,得出结论:在压缩空气存贮过程中,贮气室压力由30bar增大到144bar,压气机流量由411.2kg/s减小到403.7kg/s,压缩空气耗功由412.8kJ/kg增大到706kJ/kg。
针对CAES电站发电子系统流程结构特点以及各部件的动态特性,研究提出系统的稳态和动态仿真模型。对某一实例进行了设计工况、不同负荷稳态工况和动态工况的仿真计算,绘制了仿真曲线,并把CAES电站的变工况性能和燃气轮机电站的变工况性能进行了对比分析。得出结论:燃气透平在100%~40%负荷范围内变化时,燃气轮机电站热效率从33.8%降低到0, CAES电站能量转化系数在定燃气温度时为53.6%~49.5%,定流量时为53.6%~34.3%。
基于能的“品位对口、梯级利用”原则和侧重从CAES电站特点出发,提出了系统设计优化方法,进行了CAES电站的系统集成与优化,并进行了热经济性的计算。以7E燃机为核心的CAES电站,功率提高到简单燃机电站功率的2.39~3.33倍,能量转化系数为38.2%~54.4%。
建立了CAES电站静态效益计算模型,并结合动态效益评估,得到1200MW装机容量CAES电站不考虑峰谷电价差时,年综合经济效益约15.50亿元/年。根据电力负荷变化特性,基于分散能量系统的微型CAES发电可采用不同的运行模式,不同模式净功率范围为-155.9~152.45kW。针对某商业用户某年的电力需求,根据总费用法,得出结论:利用低谷电力压缩空气,而在电力峰值负荷时用压缩空气发电要比在电网购电节省19.2%费用。
基于模糊识别理论,研究提出了包括经济性、环保性、污染物排放等指标的微型CAES发电的综合评价数学模型,并进行计算评价,可知,若用可再生能源发电压缩空气,微型CAES发电综合性能最优。
The grid volume is developing fast.The most difference between peak and off-peak demand of power generation is about 40%. Its performance is dependent on energy storage system because of the load fluctuation. Some problems can be solved by electrical energy storage system, for example, the improvement of reliability and steadiness of power supply. Each of energy storage ways has advantages and disadvantages. Compressed air energy storage (CAES) has advantages of low investment, low operation & maintenance cost and large power load range. Acknowledging the support from Natural Science Foundation of Beijing(No. 3053019)& National Natural Science Foundation of Chin(aNo.50476069), thermal performance simulation & benefits analysis of CAES was studied in thesis. Main contents and results of the thesis are as follows.
Combined with the characteristic of energy storage subsystem and its components, a subsystem dynamic-state and static-state simulation model is proposed based on unit’s modeling system. Equipments selection and their dynamic characteristics are analyzed. Using simulation software, the dynamic-state and static-state thermal performance are simulated for an energy storage subsystem. The simulation diagram of curve is plotted. The conclusion is drawn as follows: with the storage of compressed air, the pressure of storage vessel is varied from 30bar grows to 144bar, the mass flux of compressing air is reduced to 403.7kg/s from 411.2kg/s, the work usage of compressing air is reach to 706kJ/kg from 412.8kJ/kg.
Linked with the flow structure and dynamic characteristic of making electricity subsystem and its components, a dynamic-state and static-state simulation model of making electricity subsystem is proposed. Dynamic-state and static-state thermal performance have been simulated with constant air mass flux and constant gas combustion temperature. Some simulation diagrams of curve are plotted also. The contrastion of varied operation mode thermal performance is made between CAES power plant and simple gas turbine power plant. The conclusion is drawn as follows: with the load variation of gas turbine from 100% to 40%, the thermal efficiency of gas turbogenerator is varied from 33.8% to 0, the energy transformation coefficient of CAES power plant is changed from 53.6%~49.5% with constant gas temperature & changed from 53.6%~34.3% with constant mass flux.
On the basis of“Energy Step Utilization”principle and laying emphasis on characteristic of CAES power plant, the system integration and optimization method is proposed and the system integration of CAES power plant is made. Thermal performance of different CAES power plants is calculated, contrasted and analyzed and some conclusions are made. On the basis of 7E gas turbine, the power of CAES power plant is 2.39~3.33 times of simple gas turbogeneratior. The energy transformation coefficient of CAES power plant is 38.2%~54.4%.
A static and dynamic benefit evaluation model of CAES is established. The overall benefit of 1200MW CAES power plant is about 1.55 billion $ neglecting of electrical price difference.
Considering power load fluctuation, operation modes are different of micro-CAES electric-generating based on distributed energy system. The net power is -155.9~152.45kW with different models. A simple and practical economy evaluation method and economy evaluation model is established and related calculations are made. The economy is best of using off-peak electric to compress air and using compressing air to make electric, the cost saving is 19.2% constrasted with buying electric from grid overall.
By considering the factors including economy, reliability, environment protection, and CO2 emission, a fuzzy overall evaluation model for different power supply mode is proposed. The related calculation and optimization are made. Linking with re-generation power, the overall performance of micro-CAES is best.
引文
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