+熱力循環(huán)+壓縮空氣蓄能系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析鹿院衛(wèi)，劉廣林，馬重芳，呂鵬飛（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點。其原理為：在用電低谷，空氣經(jīng)兩級壓縮后被常溫儲存于貯氣室中，電能轉(zhuǎn)化為空氣壓縮能量儲存，此過程空氣冷卻所釋放的熱量排放于大氣中；用電高峰時空氣先經(jīng)回?zé)釗Q熱器，利用燃?xì)廨啓C(jī)尾氣余熱加熱后進(jìn)入汽輪機(jī)（AT）做功，然后與天然氣在燃燒室混合燃燒進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)（GT）做功，芫成一個循環(huán)。本文研究的超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)則采用5提出的模式，考慮到系統(tǒng)工質(zhì)參數(shù)，蓄能系統(tǒng)采用兩級壓縮，中間冷卻的方式，以降低系統(tǒng)的壓縮功，膨脹機(jī)采用兩級膨脹做功方式，如所示。系統(tǒng)工作原理為：在用電低谷時將**電能用于壓縮空氣進(jìn)行蓄能，空氣先由低壓壓縮機(jī)（LP）壓縮后在高溫蓄能換熱器（HS1）中換熱并蓄熱后進(jìn)入高壓壓縮機(jī)（HP）壓縮，再進(jìn)入高、低溫蓄熱換熱器（HS1、HS2）換熱、蓄能，*后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫進(jìn)入儲液罐以液態(tài)形式儲存空氣；在用電高峰時，空氣由工質(zhì)泵P加壓后依次進(jìn)入低、高溫蓄熱換熱器進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入高壓汽輪機(jī)（HT）膨脹做功后再經(jīng)高溫蓄熱換熱器換熱。*后進(jìn)入低壓膨脹機(jī)（LT）做功。芫成一個循環(huán)過程。

　　超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)與CAES的*大區(qū)別在于：超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)儲存工質(zhì)為儲存于低溫灌中的常壓低溫液態(tài)空氣，解決了CAES系統(tǒng)工質(zhì)以常溫高壓狀態(tài)儲存于大空間的特殊地理條件的限制，且不需要燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)音，系統(tǒng)工藝相對簡單，從而大大減少了系統(tǒng)的初投資；其次CAES系統(tǒng)的天然氣燃燒放熱做功過程是整個系統(tǒng)的核心，而超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)則無此過程，工質(zhì)在系統(tǒng)膨脹做功過程需要的熱量來自壓縮空氣蓄能過程中存儲于蓄熱器中的熱量，同時也可利用其它廢熱或太陽能等可再生能源，提高了能量的利用。

　　系統(tǒng)分成不同的子系統(tǒng)，如和虛線框所示。

　　其中虛線框帶圈數(shù)字為子系統(tǒng)的編號，數(shù)字管道編號為子系統(tǒng)物理火用流的編號，箭頭為工質(zhì)流動方向。

　　2熱經(jīng)濟(jì)學(xué)矩陣分析2.1熱經(jīng)濟(jì)學(xué)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)（煙經(jīng)濟(jì)學(xué)）是一種把熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素相結(jié)合的分析方法，即同時考慮系統(tǒng)的物理環(huán)境與經(jīng)濟(jì)環(huán)境?；舅悸肥前严到y(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)與外界相互作用的物質(zhì)、能量和現(xiàn)金都作為流，構(gòu)建質(zhì)量平衡、能量平衡和現(xiàn)金平衡關(guān)系式，從而得到評價系統(tǒng)的信息。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析的模式主要有會計模式、優(yōu)化模式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模式和符號煙經(jīng)濟(jì)學(xué)模式。符號煙經(jīng)濟(jì)模式也叫矩陣模式，它是以熱力學(xué)第二定律定義的效率為基礎(chǔ)，其煙單價反映系統(tǒng)內(nèi)部的損失和獲得單位產(chǎn)品煙所要付出的代價，是綜合前幾種模式的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的新成就。本研究采用矩陣模式對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

　　2.2系統(tǒng)主要參數(shù)表1GT10B參數(shù)數(shù)值額定電效率/%34.2燃料類型天然氣（q=37680k/m3）凈功率P/MW23.4壓比14：1排氣溫度/K816排氣流量/kg.s180.4將空氣溫度和壓力（t=27°C，=0.1MPa）作為基準(zhǔn)點計算，CAES中空氣質(zhì)量流量為78.8kg/s，天然氣的質(zhì)量流量為1. 6kg/s，兩級壓縮機(jī)的效率為85%，壓縮比為8；汽輪機(jī)（AT）的效率為80%，膨脹比為4.5.儲氣室工質(zhì)參數(shù)為P=6.4MPa和t=32C.超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)取工質(zhì)的質(zhì)量流量為1kg/s，工質(zhì)泵效率為0.75.工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥前壓力戶=6.4 MPa及溫度t C，經(jīng)節(jié)流閥后以液態(tài)形式儲存于儲液罐中，壓力和溫度分別為MPa，t=-194.5C.系統(tǒng)的管網(wǎng)的阻力損失為0.1 MPa，工質(zhì)泵的出口壓力為6.3MPa.超臨界壓縮空氣系統(tǒng)壓縮機(jī)和空氣膨脹機(jī)效為85%和80%，其壓比分別為8和7.9.換熱器傳熱溫差取6C.CAES用型號為GT10B型燃?xì)廨啓C(jī)做仿真計算，具體參數(shù)如表1所示。

　　2.3數(shù)學(xué)模型的建立各煳流與子系統(tǒng)之間的關(guān)系可用事件矩陣AiX來表示，其中i表示系統(tǒng)中子系統(tǒng)的數(shù)目，表示系統(tǒng)中煙流股數(shù)。對CAES系統(tǒng)，其子系統(tǒng)數(shù)目i =6，煙流股數(shù)為=14.若矩陣中元素0表示第股擁流與子系統(tǒng)i沒有關(guān)系，若矩陣中元素= 1表示第股火用流流入子系統(tǒng)i，若矩陣中元素。=%1表示第股擁流流出子系統(tǒng)i.以計算結(jié)果進(jìn)行分析，的具體計算可參閱9，則矩陣A表示為：由于每個子系統(tǒng)只能建立一個現(xiàn)金平衡方程，即可列6個現(xiàn)金方程式，而需求解的煙流現(xiàn)金數(shù)目為14，要使系統(tǒng)計算結(jié)果睢一則需要補(bǔ)充-i即8個方程，其方程補(bǔ)充原則為08：（1）從外部輸入系統(tǒng)煳流的單位煳成本按市場價格計算以2）對于多產(chǎn)品輸出的子系統(tǒng)，按各產(chǎn)品單位煙成本相等的原則；⑶若子系統(tǒng)的“燃料”為雙線流，則構(gòu)成雙線流的兩股煳流的單位火用成本相等以4）若煙流為內(nèi)部產(chǎn)品，則按單價相等的原則計算。

　　按照上述原則，建立中求解所需補(bǔ)充方程式，即：按照原則（1），所示系統(tǒng)中的子系統(tǒng)①、②和⑥中，輸入子系統(tǒng)的單位煙流成本按市場價格計算，以子系統(tǒng)①為例，則補(bǔ)充方程為：按照原則（2），則對多產(chǎn)品的子系統(tǒng)④和⑤，各產(chǎn)品煙單價相等的原則建立兩個補(bǔ)充方程，研究系統(tǒng)中④號子系統(tǒng)可建立的補(bǔ)充方程式為：按原則（3），子系統(tǒng)的“燃料”為雙線流，則其輸入和輸出子系統(tǒng)的煙單價相等，研究系統(tǒng)中可建立3個方程式，由于考慮到間冷卻器和后冷卻器的作用，未對其劃分子系統(tǒng)，但輸入與輸出冷卻器的煙流單價相等，即可列兩個方程式及子系統(tǒng)③建立補(bǔ)充方程式為：在本研究系統(tǒng)中無內(nèi)部產(chǎn)品，按上述3個原則可建立所需8個方程式。將，天然氣價為2元/m3計算，超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)輸出電價為0.475 SkW-h）比CAES系統(tǒng)輸出電價0.531SKkW.h）要低，且都低于峰谷電價0.753元/（kWh），表明超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。