Тепловое аккумулиров ание энергии

Аккумулирование в газотурбинных энергетических установках

6.4.1. Пневматические насосные аккумуляторы

В системах пневматического насосного аккумулирования в качестве рабочей и аккумулирующей среды может быть использован атмосферный воздух (разд. 3.15). Это упрощает систему, в которой, таким образом, функцию аккумулятора низкого давления может выполнять окружающая среда. На рис. 7.2 показана схема установки такого типа [7.1] с пико­вой мощностью 169 МВт и длительностью полной разрядки 2 ч. Для разрядки сосуда воздушного аккумулятора имеется двухступенчатый компрессор. Температура воздуха в ступени низкого давления (НД) повышается, но ее снова понижают в промежуточном воздухоохладителе с тем, чтобы уменьшить затрату энергии в ступени высокого давления (ВД). После ступени ВД (т. е. перед входом в аккумулирующий сосуд) воздух охлаждается снова, в этот раз для того, чтобы повы­сить емкость аккумулятора. Однако тепло, отбираемое в двух воздухоохладителях, не рассеивается в окружающей среде, а аккумулируется в системе теплового аккумулирования.

—Зарядка Разрядка

Рис. 7.2. Насосный пневматический аккумулятор [7.1].

В рассматриваемом случае аккумулятор представляет собой систему из двух сосудов с маслом в качестве аккумулирую­щей среды. На рис. 7.2 показаны температурные параметры и массовые скорости при работе аккумулятора в режиме раз­рядки.

Общий КПД системы составляет ~ 65—70 %. Он выше, чем КПД системы насосного аккумулирования пара, по­скольку изменения давления в аккумулирующей системе (верхнее давление) невелики, а при использовании окружаю­щей среды в качестве системы нижнего давления равны нулю. Тем не менее плотность аккумулирования довольно низкая, и поэтому в системе целесообразно использовать недорогой подземный сосуд-аккумулятор. В рассматриваемом случае он представляет собой полость в соляном пласте, действующую при скользящем давлении. Таким образом, эта система в про­тивоположность насосной системе парового аккумулирования привязана к определенному месту.

Насосная система пневматического аккумулирования мо­жет быть использована не только для срезания запрограмми­рованных пиков нагрузки, но и как установка быстрого ре­зерва, так как время ее запуска может быть намного меньше, чем у тепловой энергетической установки.

Насосная установка пневматического аккумулирования требует более высоких капитальных затрат, чем установка аккумулирования энергии на основе сжатого воздуха. Она также расходует больше электроэнергии (непиковой) на пе­рекачивание, однако для нее не требуется топлива. Таким образом, подобная установка оказывается экономичной лишь при условии, что цена топлива очень высокая, а расходы элек­троэнергии низкие [7.1, 7.2].

Установка пневматического аккумулирования (с отдель­ным использованием тепла, выделяемого в компрессоре при сжатии, для аккумулирования энергии) может быть скомби­нирована с газовой турбиной открытого цикла, работающей на ископаемом топливе или солнечной энергии. В этом случае для аккумулирования энергии может быть использовано не только тепло, выделяемое в компрессоре, но и высокотемпе­ратурное тепло цикла. Для солнечной газовой (или воздуш­ной) турбинной энергетической установки в дополнение к аккумулятору сжатого воздуха был предложен подземный теплозой аккумулятор с засыпкой гранитной гадюки диаме­тром частиц около 13 мм и рабочей температурой между 500 и 800 °С. /

6.4.2. Пневматический аккумулятор энергии (ПАЭ) на основе сжатого воздуха

Систему ПАЭ (разд. 3.1.4) можно рассматривать как на­сосную систему пневматического аккумулирования с камерой сгорания на жидком или газообразном топливе между сосу­дом-аккумулятором и турбиной. Рабочей средой при этом служит смесь продуктов сгорания и воздуха. Мощность тур­бины пропорциональна абсолютной температуре газа на входе в турбину.

В другом варианте система ПАЭ может представлять со­бой газотурбинную установку с аккумулированием сжатого воздуха после компрессора, в которой разделены периоды работы компрессора (зарядка) и турбины (разрядка).

Преимущество такой установки определяется как возмож­ностью ее использования в качестве энергоустановки, так и тем, что ее можно переключить на работу в режиме разрядки с примерно втрое более высокой мощностью. Однако оптими­зационные исследования [7.4] показывают, что оптимум дав­ления в таком аккумуляторе лежит между 4,0 и 9,0 МПа, а

это намного выше оптимального давления для газовых тур - бин открытого цикла. Работа без аккумулирующей системы привела бы, таким образом, к снижению КПД. Кроме того, начальные затраты могут быть значительно снижены, если зарядную мощность компрессора выбрать низкой. В настоя­щее время отношение мощностей зарядки 1 :4 считается опти­мальным. Таким образом, установка ПАЭ открывает возмож­ности работы без дополнительной аккумулирующей системы. Она может быть использована в качестве пиковой установки, предназначенной для покрытия запланированных пиков на­грузки в течение нескольких часов в сутки, или резервной установки со временем включения в работу порядка несколь­ких минут; однако она не предназначена для использования в качестве горячего резерва.

Рассматриваемые установки ПАЭ требуют, как правило, несколько меньшего объема аккумулятора, чем насосные пневматические аккумулирующие установки; тем не менее плотность аккумулирования у них все-таки мала (около 2 кВт-ч/м3), вследствие чего для них также нужны недорогие

J — полость аккумулятора; 2 — камера сгорания высокого давления; 3 ~турбина высокого давления; 4 — камера сгорания низкого давления; 5 — турбина низкого давления; 6 — двигатель-генератор; 7 — компрессор; 8 — промежуточный воздухо­охладитель; 9 — компрессор высокого давления; 10 — концевой охладитель; 11 — редуктор.

подземные сосуды-аккумуляторы. В качестве таких сосудов предложены следующие варианты (рис. 7.3) [7.5]:

а) полость в скальной породе, частично заполненная во­дой, действующая как аккумулятор вытеснительного типа с постоянным давлением; /

б) полость, сделанная в соляном пласт^ и действующая как система со скользящим давлением;

в) выработанная полость нефтяного или газового место­рождения, действующая как система со скользящим дав­лением;

г) водоносный горизонт с непроницаемым колпаком, дей­ствующий как вытеснительный аккумулятор.

Построенная в Гунторфе (вблизи Бремена) первая за­падногерманская установка ПАЭ эксплуатируется с 1978 г. [7.6]. На рис. 7.4 представлена ее схема. Двигатель-генера­тор через редуктор приводит в действие компрессор; уста­новка имеет три промежуточных воздухоохладителя и один концевой. Для зарядки от электрической сети требуется мощ­ность 60 МВт. Процесс повышения давления воздуха в соля­ной полости (общим объемом 300 000 м3) с 4,5 до 6,5 МПа занимает 8 ч. Во время разрядки камеры сгорания высокого и низкого давления, размещенные соответственно перед тур­бинами ВД и НД, находятся в работе. Общая электрическая мощность составляет 290 МВт, а емкость аккумулятора — 580 МВт-ч, или 2 ч полной нагрузки. В табл. 7.1 представ­лены более подробные данные, а на рис. 7.5 показано общее

Таблица 7.1. Основные характеристики пневматического аккумулятора энергии установки в Гунторфе

Газовая турбина Тип

Мощность Частота вращения Расход воздуха Продукты сгорания на входе в турбину: ВД НД

Температура уходящих газов Топливо

Теплота сгорания

Одновальная с neper ре вом пара 290 МВт 3000 об/мин 417 кг/с

4.0 МПа/550 °С

1.0 МПа/825 °С 395 °С

Природный газ 31 700 кДж/м[3]

Компрессор

Тип

Скорость: НД ВД

Мощность на валу Воздух на входе Воздух на выходе Расход воздуха

Число промежуточных холодильников Число охладителей

Двухкорпусный, с редук­тором

3000 об/мин 7622 об/мин 60 МВт 0,1 МПа/10 °С

6,0 М Г/Па/50 °С 108 кг/с 3 1

Воздушный аккумулятор

Охлаждающая вода Тип охлаждающего устройства Расход воды: зарядка разрядка

Характеристики аккумулятора

а) Зарядка

Мощность компрессора Длительность работы Энергия зарядки

Разрядка

Мощность разрядки

Длительность разрядки (полная нагруз­

б)

ка

Энергия разрядки Полная энергия

в) Пусковые характеристики

Нормальное время запуска (до полной нагрузки)

Время быстрого запуска Время пуска компрессора Максимальная скорость нарастания на­грузки

Безразмерные характеристики аккумулятора

Отношение времен зарядки/разрядки Отношение энергии разрядки/зарядки Отношение энергии разрядки к тепло­те сгорания топлива Полный КПД1'

') При тепловом КПД газовой турбины с рекуперативным подогревом, равном 0,34, полный КПД аккумулирования Т|ак=(580 — 0,34-945)/468 = 0,55.