基于燃煤电厂烟气余热利用场景下的卡诺电池系统性能分析.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3481-3490 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124319 文章引用文章引用:吴志斌,邵轩,郑普.基于燃煤电厂烟气余热利用场景下的卡诺电池系统性能分析J.建模与仿真,2023,12(4):3481-3490.DOI:10.12677/mos.2023.124319 基于燃煤电厂烟气余热利用场景基于燃煤电厂烟气余热利用场景下的卡
2、诺电池下的卡诺电池系统系统性能分析性能分析 吴志斌吴志斌1*,邵,邵 轩轩1,郑,郑 普普2 1上海理工大学环境与建筑学院,上海 2上海理工大学能源与动力工程学院,上海 收稿日期:2023年5月4日;录用日期:2023年7月4日;发布日期:2023年7月12日 摘摘 要要 储能技术对实现余热利用、推进能源可持续发展具有重要意义。本文基于燃煤发电场景,建立了由高温储能技术对实现余热利用、推进能源可持续发展具有重要意义。本文基于燃煤发电场景,建立了由高温热泵和热泵和Kalina循环组成的卡诺电池系统模型,分析了系统压力对卡诺电池放电阶段性能的影响及热源温循环组成的卡诺电池系统模型,分析了系统压力对
3、卡诺电池放电阶段性能的影响及热源温度对卡诺电池充电阶段性能和循环效率的影响。结果表明,闪蒸压力增大,热机效率越高,越利于提高度对卡诺电池充电阶段性能和循环效率的影响。结果表明,闪蒸压力增大,热机效率越高,越利于提高总系统性能,而透平出口压力越大,热机效率则越小。随着烟气热源温度升高,热泵总系统性能,而透平出口压力越大,热机效率则越小。随着烟气热源温度升高,热泵COP逐渐增加,且逐渐增加,且在储热温度恒定下,系统循环效率亦随热源温度升高而升高。本研究不仅拓宽了卡诺电池的使用场景,在储热温度恒定下,系统循环效率亦随热源温度升高而升高。本研究不仅拓宽了卡诺电池的使用场景,也为烟气余热利用场景下的储能
4、技术研究提供性能数据参考。也为烟气余热利用场景下的储能技术研究提供性能数据参考。关键词关键词 卡诺电池,循环效率,余热利用卡诺电池,循环效率,余热利用 Performance Analysis of Carnot Battery System Based on Waste Heat Utilization Generated of Flue Gas Generated by Coal-Fired Power Plant Zhibin Wu1*,Xuan Shao1,Pu Zheng2 1School of Environment and Architecture,University of S
5、hanghai for Science and Technology,Shanghai 2School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai Received:May 4th,2023;accepted:Jul.4th,2023;published:Jul.12th,2023 *通讯作者。吴志斌 等 DOI:10.12677/mos.2023.124319 3482 建模与仿真 Abstract Energy storage technology is
6、 of great significance for waste heat utilization and promoting sus-tainable energy development.Based on the coal-fired power generation scenario,this paper es-tablishes a Carnot battery system model composed of a high-temperature heat pump and Kalina cycle,and analyzes the influence of system press
7、ure on the performance of the Carnot battery discharge stage and the influence of heat source temperature on the roundtrip efficiency and per-formance of charging stage.The results show that when the flash pressure increases,the efficiency of the heat engine increases with it;the greater the turbine
8、 outlet pressure,the smaller the effi-ciency of the heat engine.As the temperature of heat source of the flue gas increases,the COP gradually increases,and under the constant heat storage temperature,the roundtrip efficiency also goes up with the increase of the heat source temperature.This study no
9、t only broadens the use scenario of Carnot batteries,but also provides performance data reference for the research of energy storage technology under the flue gas waste heat utilization scenario.Keywords Carnot Battery,Roundtrip Efficiency,Waste Heat Utilization Copyright 2023 by author(s)and Hans P
10、ublishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着碳中和目标的推进,实现传统燃煤发电的余热利用对能源可持续发展具有重要意义。燃煤发电过程中产生的烟气排放温度可达 80130,这些高温烟气经过烟囱被直接排至空气中,造成了能量浪费1 2。如何回收利用烟气余热一直是储能领域的研究重点,开发合适的储能系统是有效解决余热利用问题的重要途径之
11、一。已应用于发电系统的储能技术主要包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能等,这些储能技术由于地理条件限制、储能时间短等问题,无法实现规模化的应用,而卡诺电池循环使用寿命长、地理限制少等优势使其在储能技术中更具有竞争力3。目前基于燃煤发电场景下的卡诺电池技术研究甚少,因此有必要对此展开研究。卡诺电池是一种能实现“电热电”过程的系统,其结构主要包括热机、储热系统和热泵。由于每个组件的种类选择多样,系统设计时需要根据具体场景对卡诺电池灵活配置。Liang 4等人总结了卡诺电池每个配置组件的种类与性能,包括压缩机、膨胀机、换热器和储热介质等,为系统配置选择和配置性能研究提供思路。不同组合下的卡诺电池展
12、现出的系统性能也不同,Weitzer 5等人基于低温热源场景模拟研究了含闪蒸循环作的卡诺电池系统,储存介质为加压热水,发现储存温度为 75时,系统循环效率仅为 17.3%。Lee 6等人在 500 MW 的发电场 rf 景下设计一个含有空气源热泵和蒸汽轮机的卡诺电池系统,规定系统夜间储电 10 h,日间放电 10 小时,得到的循环效率约为 37%。唐迪7等人针对玻璃窑炉在工作过程中烟气余热量高的问题,提出利用卡诺电池储存余热,并对其在玻璃熔窑中的余热利用进行了定性分析。这些研究都表明了卡诺电池在发电场景应用的可行性,然而在以余热利用为目的的场景中,尚未存在对卡诺电池系统性能的定量分析。基于燃煤
13、电厂对烟气余热的利用需求,本文利用 AspenPlus 软件建立了一个卡诺电池系统模型。探Open AccessOpen Access吴志斌 等 DOI:10.12677/mos.2023.124319 3483 建模与仿真 讨了闪蒸压力、透平出口压力对卡诺电池放电阶段性能的影响,分析了卡诺电池及热泵子系统在不同热源温度条件下的性能表现,以探究卡诺电池在余热利用场景下的适用性,拓宽卡诺电池的使用场景,为烟气余热利用场景下的储能技术研究提供性能数据的参考。2.系统描述系统描述 2.1.系统假设系统假设 为了简化卡诺电池系统的热力学计算,本文对系统作出以下假设8:1)忽略循环工质在管道内流动时的水
14、头损失;2)蒸发和冷凝过程均为等压过程;3)不考虑储热损失。本文对系统一些重要参数进行设定,如表 1 所示。Table 1.Table of system initial parameter 表表 1.系统初始参数 参数 数值 烟气热源温度/80100 闪蒸器出口初始压力/bar 25 Kalina 循环工质流量/kgh1 550 氨水工质浓度/-0.83 透平出口初始压力/bar 6 压缩机压比/-3 换热器换热效率/-96%泵效率/-75%压缩机效率/-75%透平效率/-80%冷却水温度/10 2.2.系统建模系统建模 基于 Aspen plus 建立卡诺电池系统模型,总系统结构如图 1
15、所示,具体包括热泵子系统、Kalina 循 Figure 1.Carnot battery system based on coal-fired power generation scenario 图图 1.基于燃煤发电场景的卡诺电池系统 吴志斌 等 DOI:10.12677/mos.2023.124319 3484 建模与仿真 环子系统、储热系统(高温区、低温区)三个部分。充电阶段,热泵子系统在少量电能驱动下,将烟气余热转化为品位更高的热量,并储存于储罐介质中。放电阶段,Kalina 循环吸收储罐介质中的热量,将热能转化为机械能,供给下游发电。2.2.1.热泵循环子系统热泵循环子系统 热泵是
16、一种利用热能或电能提升能量品位的装置,本文热泵子系统为压缩式热泵,且根据文献9选择 R1233zd(E)作为热泵工质。热泵子系统结构如图 2 所示,具体包括蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀。充电时,热泵工质在蒸发器中与烟气换热后进入压缩机,工质在电能的驱动下被压缩成高温高压气体。气相热泵工质在冷凝器中与加压水换热变为液相,最后在减压阀中释压,完成充电循环。Figure 2.Process flow of heat pump system 图图 2.热泵循环系统的工艺流程图 为了便于计算和分析,对热泵规定了下列数学模型:1)热泵蒸发器模型()()1,in,out,out,inaaaaeeQc mt
17、tm hh=(1)式中:1Q为热泵蒸发器交换热流,kJ/h;ac为烟气比热容,本文取 1.003 kJ/(kg);am和 m 分别为烟气和工质的质量流量,kg/h;,inat和,outat分别为烟气在蒸发器中的进口温度和出口温度,;,outeh和,ineh分别为工质在蒸发器中的进口比焓和出口比焓,kJ/kg;为换热器换热效率。2)热泵冷凝器模型()()2,out,incon,incon,outwwwwQc mttm hh=(2)式中:2Q为热泵冷凝器交换热流,kJ/h;wc为加压水比热容;wm为加压水的质量流量,kg/h;,outwt和,inwt分别为加压水在冷凝器中的进口温度和出口温度,;c
18、on,inh和con,outh分别为工质在冷凝器中的进口比焓和出口比焓,kJ/kg。3)压缩机模型 com,0com,incom,outcom,inchhhh=(3)吴志斌 等 DOI:10.12677/mos.2023.124319 3485 建模与仿真 ()com,outcom,inccm hhW=(4)式中:c为压缩机效率;cW为压缩机耗电功率,kW;com,0h为热泵压缩机在理想状态下的出口比焓,kJ/kg;com,inh和com,outh分别为工质在压缩机中的进口比焓和出口比焓,kJ/kg。4)节流阀模型 节流前后工质的焓值不变,则有:,in,outvvhh=(5)式中:,invh和
19、,outvh分别为热泵工质在减压阀处的进口比焓和出口比焓,kJ/kg。2.2.2.Kalina 循环子系统循环子系统 Kalina 循环是一种以氨水为工质的热机系统,其结构如图 3 所示,系统包括蒸发器、闪蒸分离器、透平、冷凝器、泵、混合器。放电时,氨水工质在蒸发器中吸收来自储热介质的热量,挥发性更强的氨会比水先汽化。随着剩余液体的氨浓度降低,饱和温度升高,工质处于气液混合态。工质进入气液分离器被分离为富氨蒸汽和贫氨溶液,处于高温高压下的富氨蒸汽在透平中膨胀做功,热能转化为机械能。做功后的富氨蒸汽压力降低,在冷凝器中被海水冷却为富氨溶液。经泵加压后,富氨溶液和分离器出口处的贫氨溶液在混合器内混
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