+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(diǎn)。其原理為：在用電低谷，空氣經(jīng)兩級(jí)壓縮后被常溫儲(chǔ)存于貯氣室中，電能轉(zhuǎn)化為空氣壓縮能量?jī)?chǔ)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(shí)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(gè)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(jí)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(jí)膨脹做功方式，如所示。系統(tǒng)工作原理為：在用電低谷時(shí)將低價(jià)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，最后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫進(jìn)入儲(chǔ)液罐以液態(tài)形式儲(chǔ)存空氣；在用電高峰時(shí)，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。最后進(jìn)入低壓膨脹機(jī)（LT）做功。芫成一個(gè)循環(huán)過程。

超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)與CAES的最大區(qū)別在于：超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)儲(chǔ)存工質(zhì)為儲(chǔ)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(chǔ)存于大空間的特殊地理?xiàng)l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(duì)簡(jiǎn)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(gè)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(chǔ)于蓄熱器中的熱量，同時(shí)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(hào)，數(shù)字管道編號(hào)為子系統(tǒng)物理火用流的編號(hào)，箭頭為工質(zhì)流動(dòng)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(shí)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(píng)價(jià)系統(tǒng)的信息。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析的模式主要有會(huì)計(jì)模式、優(yōu)化模式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模式和符號(hào)煙經(jīng)濟(jì)學(xué)模式。符號(hào)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(jià)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(jià)，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(duì)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(diǎn)計(jì)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(jí)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(chǔ)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(chǔ)存于儲(chǔ)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(hào)為GT10B型燃?xì)廨啓C(jī)做仿真計(jì)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(duì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，的具體計(jì)算可參閱9，則矩陣A表示為：由于每個(gè)子系統(tǒng)只能建立一個(gè)現(xiàn)金平衡方程，即可列6個(gè)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(jì)算結(jié)果睢一則需要補(bǔ)充-i即8個(gè)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(chǎng)價(jià)格計(jì)算以2）對(duì)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(jià)相等的原則計(jì)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(chǎng)價(jià)格計(jì)算，以子系統(tǒng)①為例，則補(bǔ)充方程為：按照原則（2），則對(duì)多產(chǎn)品的子系統(tǒng)④和⑤，各產(chǎn)品煙單價(jià)相等的原則建立兩個(gè)補(bǔ)充方程，研究系統(tǒng)中④號(hào)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(jià)相等，研究系統(tǒng)中可建立3個(gè)方程式，由于考慮到間冷卻器和后冷卻器的作用，未對(duì)其劃分子系統(tǒng)，但輸入與輸出冷卻器的煙流單價(jià)相等，即可列兩個(gè)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(gè)原則可建立所需8個(gè)方程式。將，天然氣價(jià)為2元/m3計(jì)算，超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)輸出電價(jià)為0.475 SkW-h）比CAES系統(tǒng)輸出電價(jià)0.531SKkW.h）要低，且都低于峰谷電價(jià)0.753元/（kWh），表明超臨界壓縮空氣蓄能系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。