压缩空气蓄能（CAES）电站热力性能仿真分析

论文摘要

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2.393.33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-155.9152.45kW。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。

论文目录

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