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压缩空气蓄能（CAES）电站热力性能仿真分析

作　者: 刘文毅
导　师: 宋之平；杨勇平
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 热能工程
关键词: 压缩空气蓄能电站热力性能仿真分析
分类号: TM621
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

中文摘要  5-6
英文摘要  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 选题背景及其意义  11-17
    1.1.1 电网的负荷特性与电力市场的关系  11-13
    1.1.2 峰谷分时电价  13-15
    1.1.3 天然气在未来能源中的战略地位  15-17
  1.2 能量存储系统及性能  17-23
    1.2.1 不同形式能量存储系统概况  17-22
    1.2.2 各种能量存贮技术的性能对比  22-23
  1.3 国内外研究现状和动态  23-27
    1.3.1 国外研究现状及动态  23-26
    1.3.2 国内研究现状及动态  26-27
  1.4 课题研究内容  27-29
第二章蓄能子系统建模及仿真  29-47
  2.1 蓄能子系统热力过程及影响因素  29-31
    2.1.1 理想热力过程  29
    2.1.2 实际热力过程影响因素  29-30
    2.1.3 间冷循环方案  30-31
  2.2 蓄能子系统仿真建模  31-39
    2.2.1 热力系统模块化建模方法  31-33
    2.2.2 模块化建模  33-37
    2.2.3 数学模型求解方法  37-39
  2.3 蓄能子系统仿真计算  39-46
    2.3.1 设备选型  39-40
    2.3.2 设计工况仿真  40-41
    2.3.3 主要部件变工况特性  41-44
    2.3.4 变工况运行仿真  44-46
  2.4 小结  46-47
第三章发电子系统建模及仿真  47-66
  3.1 发电子系统热力过程及影响因素  47-49
    3.1.1 理想热力过程  47
    3.1.2 实际热力过程影响因素分析  47-48
    3.1.3 提高热力性能其它措施  48-49
  3.2 发电子系统仿真建模  49-51
  3.3 发电子系统仿真计算  51-65
    3.3.1 设备选型  51-54
    3.3.2 设计运行工况仿真  54-55
    3.3.3 主要设备变工况特性  55-58
    3.3.4 变工况运行仿真  58-65
  3.4 小结  65-66
第四章压缩空气蓄能电站系统集成与综合效益分析  66-85
  4.1 压缩空气蓄能系统的系统集成  66-69
    4.1.1 系统集成原则  66-67
    4.1.2 集成方案  67-69
  4.2 热力性能计算和分析  69-73
    4.2.1 设备选型和相关数据来源  69
    4.2.2 CAES 系统主要热力性能指标  69-70
    4.2.3 不同集成方案热力性能对比分析  70-73
  4.3 蓄能电站与电力系统可靠性  73-76
    4.3.1 电力系统可靠性与蓄能电站的备用服务  73-75
    4.3.2 备用的经济性效益  75-76
  4.4 压缩空气蓄能电站的静态效益  76-78
    4.4.1 压缩空气蓄能电站的容量效益  76-77
    4.4.2 蓄能电站的能量转换效益  77
    4.4.3 蓄能电站的环保效益  77-78
    4.4.4 影响蓄能电站静态效益的各种因素  78
  4.5 压缩空气蓄能电站的动态效益  78-79
  4.6 压缩空气蓄能电站的综合效益计算  79-84
    4.6.1 静态效益计算评价模型  79-81
    4.6.2 静态效益计算  81-83
    4.6.3 动态运行效益的整体评估  83-84
    4.6.4 综合效益的计算  84
  4.7 小结  84-85
第五章基于分散能量系统的微型 CAES 系统综合性能分析  85-115
  5.1 分散能量系统及其负荷特性  85-86
  5.2 基于分散能量系统的微型 CAES 的热力性能计算  86-91
    5.2.1 设备选型及系统集成  86-87
    5.2.2 设计工况热力性能计算  87-89
    5.2.3 不同电力负荷时微型 CAES 运行方式研究  89-91
  5.3 技术方案经济性评价方法  91-93
    5.3.1 总费用法  91-92
    5.3.2 年费用法  92-93
  5.4 微型 CAES 发电的经济性分析  93-102
    5.4.1 现有能量系统的总费用  94-95
    5.4.2 CAES 能量系统方案的年费用计算  95-102
  5.5 基于分散能量系统的 CAES 系统综合评价  102-113
    5.5.1 综合评价指标  103-105
    5.5.2 模糊识别理论及其模型  105-107
    5.5.3 综合评价案例  107-113
  5.6 小结  113-115
第六章结论  115-118
参考文献  118-124
致谢  124-125
个人简历  125
攻读博士学位期间发表的学术论文  125-127
攻读博士学位期间参加的科研工作  127

压缩空气蓄能（CAES）电站热力性能仿真分析

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