基于峰谷分时电价的压缩空气储能系统热经济性分析

基于峰谷分时电价的压缩空气储能系统
热经济性分析
摘要：本文建立了热经济学计算分析模型，选取先进蓄热式压缩空气储能系统，开展热经济性计算，结合结构系数法，对系统热经济性进行优化综合，量化子系统优化对其他子系统㶲效率以及系统整体效率的影响，为压缩空气储能技术发展路线研究提供技术经济层面的指导。

关键词：峰谷分时；电价；储能
1 热经济学模型
1.1 物理模型
储电时，电动机带动多级间冷压缩机将空气压缩至高压，并将高压空气储存在储气室中，同时利用蓄热介质回收且储存压缩机的间冷热；发电时，利用储存的间冷热和外部提供的热量加热各级膨胀机进口空气，然后驱动多级透平膨胀做功，并带动发电机发电。

1.2 热经济性模型
在热经济学分析中，使用㶲定价对能量本身的特性进行能量定价。

对能量的成本，根据获得能量所付出的代价，分为能量费用和非能量费用。

结合图2子系统划分框图，各子系统盈亏平衡方程可表示如下。

对压缩子系统，热经济平衡方程式为
对储气子系统，热经济平衡方程式为
对膨胀子系统，热经济平衡方程式为
对压缩子系统，可增加一个成本分摊方程式
各点㶲值分别为
式中，Wci为压缩机各级耗功；Ein-c为压缩子系统进口空气㶲；Eout-c为压缩子系统出口空气㶲；Ein-t为膨胀子系统进口空气㶲；ηes为储气子系统效率；Wti为膨胀子系统各级做功；Eout-t为膨胀子系统出口空气㶲。

压缩子系统㶲损率ηex,c、储气子系统㶲损率ηex,s和膨胀子系统㶲损率ηex,t分别为
各子系统非能量费用表示如下。

对于多级压缩机，其成本估计方程为
式中，Cc为压缩机成本；ac为根据当前价格对成本进行修正的系数；βc为压缩机单位比拟价格；Gc为压缩机流量；εc为压比；ηex,c为压缩机的极限效率；ηc为压缩机设计效率；nc为压缩机的总级数，i=1～nc。

对于多级膨胀机，其成本估价半经验公式
式中，Ct为膨胀机成本；at为根据当前价格对成本进行修正的系数；βt为膨胀机单位比拟价格；Gt为膨胀机流量；πt为膨胀比；ηex,t为膨胀机的极限效率；ηt为膨胀机效率；nt为膨胀机的总级数，j=1～nt。

储气室成本取
年度非能量总费用
式中，Hs为储气时间；y为系统固定设备折旧年限；r为系统固定设备净残值；b为系统年运行费用占折旧费的比例。

通过盈亏平衡方程与质量平衡、能量平衡及㶲平衡方程的联列，将整个储能系统的热力学量与经济学量建立关联关系，使得热力学量价格化，从而实现了系统中物流、能流、㶲流和现金流的有机统一。

通过热经济学分析，可以得到各子系统间㶲流的价格差异以及差异来源，通过交叉比较，得到在整个系统中应改进部分的经济优先顺序，实现投资决策的定向量化支持。

2 结果与讨论
2.1 热经济性分析
计算结果表明，在不考虑空气㶲成本的条件下，膨胀子系统输出的电能㶲单价cout=0.502元/(k W·h)，可见为保证收支平衡，电能最低卖出的价钱远小于峰时电价。

根据前述㶲经济收益率计算式(19)可得，本案例10 MW蓄热式压缩空气储能系统㶲经济收益率为111.55%，案例计算的系统热经济性是可行的。

另外，压缩、储气、膨胀子系统分别由于其非等熵压缩、非等熵储/放气、非等熵膨胀，导致系统㶲流单调降低，而子系统单位㶲成本增加；根据成本分摊原则，回热㶲价格较低，故在膨胀子系统处㶲成本被回热㶲成本拉低了一点。

2.2 热经济性优化综合
热经济学分析方法具有展示系统各组元不可逆性、指出系统在热力学性能和经济性能方面改进潜力等优点，进一步，可利用热经济学分析结果对系统进行优化综合，即分析获得系统各组元之间的最优布局，使系统总体效率最高。

3 结论
本文采用㶲分析与热经济学分析相结合的方法，建立了压缩空气储能系统热经济性模型，并针对先进蓄热式压缩空气储能系统在电力系统中削峰填谷运行情况下的热经济性开展研究，计算了系统热经济性。

主要得到以下结论。

(1）案例10 MW蓄热式压缩空气储能系统㶲经济收益率为111.55%，案例计算系统的热经济性是可行的。

其中，压缩、储气、膨胀子系统分别由于其非等熵压缩、非等熵储/放气、非等熵膨胀，导致系统㶲流单调降低，子系统单位㶲成本增加。

(2）能量成本在总成本中占绝大多数；非能量成本中，储气子系统占比最大，其次为压缩子系统，最后为膨胀子系统。

(3）对系统从经济学、热力学以及热经济学角度分别开展优化分析，结果表明从热经济学角度，压缩子系统优化带来的系统输出㶲单价降低最为明显，其次为储气和膨胀子系统，故压缩子系统是系统中需优先优化的环节。

参考文献
[1]张新敬,陈海生,刘金超,等.压缩空气储能技术研究进展[J].储能科学与技术,2012,1(1):26-40.。