Тепловое аккумулиров ание энергии

Эффективность аккумулирования

Как отмечалось в разд. 1.3, важное значение имеет КПД системы аккумулирования (полная эффективность). Высо­кому КПД системы соответствуют повышенная пиковая мощ­ность, лучшее использование и более низкие затраты топлива. В последующем КПД системы будет определяться на основе учета индивидуальных потерь и эффективности соответствую­щих типов установок аккумулирования энергии.

3.2.1. Определения

Полный КПД т)ак насосной системы аккумулирования энер­гии определяется отношением электрической (пиковой) мощ­ности, развиваемой во время разрядки, к электрической мощ­ности, затрачиваемой во время зарядки за цикл (т. е. прини­мается, что в аккумуляторе условия в начале и в конце цикла одинаковы). В особых случаях, где непосредственно исполь­зуется механическая энергия, тіак определяется как отношение механических энергий. В общем случае полный КПД г)ак есть отношение эксергий

•Пак = £раз/£з. (3.1)

где Ераз — эксергия разрядки, £3 — эксергия зарядки.

Если за Е3 принять уменьшение электрической энергии в основной системе за счет зарядки, то это же определение мо­жет быть применено к безнасосным системам аккумулиро­вания.

Полный КПД Г)ак определяют три величины: £з, с — эксер­гетический КПД системы зарядки; £ак — эксергетический КПД аккумулирования в соответствии с уравнением (2.99); £раз, с— эксергетический КПД системы разрядки:

TOC o "1-5" h z Лак == £з, с ' ?раз, с * Сак - (3.2)

КПД систем зарядки и разрядки могут быть объединены: Ес = Ь. с’Ераэ. с (3.3)

так что TW = Utc. (3.4)

3.2.2. Насосные системы аккумулирования

На рис. 3.9 показана простая насосная система. Во время зарядки компрессор (насос) увеличивает эксергию рабочего тела от равновесной с окружающей средой (Е = 0) до Е„. Между выходом из компрессора и входом в аккумулятор бу­дут иметь место потери в трубах (на этом участке может быть также установлен теплообменник, способствующий теп­ловому аккумулированию). Эти потери уменьшают Е„ до ве­личины Еах. Таким образом, формула для определения КПД системы зарядки приобретает вид

£э. с = EbJE3 = (EJEH)(EJEnmB, „)(£„ рИВ, JE3) = &Ым> (3.5)

где использованы следующие индексы: «вх» — вход в акку­мулятор, «з» — зарядка, «прив» — привод насоса или ком­прессора, «н» — выход насоса или компрессора, С — зона за­рядки, Р — зона насоса или компрессора, М — зона двига­теля.

Аналогичным образом эффективность разрядки опреде­ляется как

Сраз, с == Ер33/Евых == (^раз/^прив, т) (Ецрив, і/Евц, т) {Евх, т/^вых) =

= йоСг£ві (3*6)

Рис. 3.9. Потоки эксергии в насос­ной аккумулирующей системе.

где «вых» — выход аккумулятора, «раз» — разрядка, «прив, т» — привод турбины, «вх, т» — вход турбины, D — зона разрядки, Т — зона турбины (или другого расширительного устройства), G — зона генератора.

Поскольку КПД самого аккумулятора определяется отно­шением

£ак = Евых/Евх, (3.7)

полный КПД г]ак можно записать в виде выражения

Лак — (£с£м£р) Сак (£о£г£о)- (3.8)

Таким образом, полный КПД определяется семью частными показателями эффективности, каждый из которых меньше 1.

3.2.3. Безнасосные системы аккумулирования

На рис. 3.10 показана простая безнасосная система акку­мулирования, состоящая из парогенератора, аккумулятора и перегрузочной (пиковой) турбины. В этой системе существуют три потока эксергии Ё:

а) базисная нагрузка

Ёб=Ё**.г‘Ьв, ад

где индексами «б» и TG обозначены базисная нагрузка и тур­боагрегат соответственно;

б) зарядка

Ёб - £, = (£„. т - Ё3, т) Єго.(3.10)

в) разрядка через пиковую турбину

(3.11)

где индекс РТ обозначает турбоагрегат пиковой нагрузки.

Так как использование отнесенных ко времени потоков эксергии Ё для определения полной эффективности предпоч­тительнее, чем эксергий Е (как и в случае рассмотренных

^раз — ^раз. т? РГ>

Зак 414

і ОІОІЕраз, т

f

^errm * I,, Eify'tJfrEpas

^-©

Рис. 3.10. Потоки эксергии в безнасосной аккумулирую­щей системе.

выше насосных систем аккумулирования), следует использо­вать интеграл Ё по времени зарядки и разрядки. Если мощ­ность зарядки и разрядки постоянна, то полный КПД без­насосной системы аккумулирования может быть определен формулой

Лак. бн Драз^раз/E3t3,

где /раз — длительность разрядки, t3 — длительность зарядки. Характеристическим параметром безнасосных систем акку­мулирования служит относительная мощность зарядки (т. е. отношение мощности зарядки к базисной нагрузке), опреде­ляемая как

(3.13)

(3.14)

(3.15)

(3.16)

в уравнениях (3.9) —(3.13), получим полный КПД безнасос­ной системы в виде

Лак. бн = [?С^1----------------------- ™ */ Г0 У 5гов] £ак [?£> * Х, рЛ - (3.17)

Он определяется тремя частными КПД и, кроме того, со­держит отношение КПД турбины пиковой нагрузки и тур­бины базисной нагрузки во время зарядки £рт/%то з-

Выражение в круглых скобках учитывает изменение КПД турбины в процессе зарядки £гс з (по сравнению с КПД тур­бины при нормальной работе tro), а также изменение С.

В предельном случае t, Ta = %то з выражение в квадратных скобках становится равным 1; при С да 0 (зарядка происхо-

дит в течение очень длительного времени) в соответствии с правилом Лопиталя имеем

Лак. бн^ "1 ^ Т$'с ГС^)/^Г0з] £ак [£о£рг]- (3,18)

Это уравнение иллюстрирует влияние отклонений КПД тур­бины в процессе зарядки.

На рис. 3.11 показаны для реального случая [1.25] зави­симости полного КПД аккумулятора со скользящим давле­нием на паросиловой установке от отношения времен раз­рядки и зарядки. Кривые соответствуют различным значе­ниям разности давлений зарядки и разрядки. Если принять постоянными мощность и длительность разрядки, то отноше­ние времен разрядки и зарядки будет пропорционально отно­сительной мощности зарядки С, определение которой дано выше. С увеличением /Раз//з Пак уменьшается вначале мед­ленно, но затем, со снижением КПД турбины, значительно быстрее. Большой гистерезис давлений зарядки и разрядки приводит к большим потерям на дросселирование во время зарядки и разрядки.

В безнасосных системах аккумулирования, у которых г]ак состоит только из трех частных КПД и двух отношений КПД, возможны высокие значения г|ак. Для системы с постоянными параметрами Е3, т = £раз, т и £с = = 1. Если же КПД тур­

боагрегата при частичной и пиковой нагрузках равен КПД турбины на базисной нагрузке, то т]ак стремится к £ак-

3.2.4. Аккумулирование энергии накоплением питательной воды

Аккумулирование посредством питательной воды пред­ставляет собой специальный вариант безнасосных систем

і ОІОІЕраз, т

f

^errm * I,, Eify'tJfrEpas

^-©

Рис. 3.10. Потоки эксергии в безнасосной аккумулирую­щей системе.

выше насосных систем аккумулирования), следует использо­вать интеграл Ё по времени зарядки и разрядки. Если мощ­ность зарядки и разрядки постоянна, то полный КПД без­насосной системы аккумулирования может быть определен формулой

Лак. бн Драз^раз/E3t3,

где /раз — длительность разрядки, t3 — длительность зарядки. Характеристическим параметром безнасосных систем акку­мулирования служит относительная мощность зарядки (т. е. отношение мощности зарядки к базисной нагрузке), опреде­ляемая как

(3.13)

(3.14)

(3.15)

(3.16)

в уравнениях (3.9) —(3.13), получим полный КПД безнасос­ной системы в виде

Лак. бн = [?С^1------------- ™ */ Г0 У 5гов] £ак [?£> * Х, рЛ - (3.17)

Он определяется тремя частными КПД и, кроме того, со­держит отношение КПД турбины пиковой нагрузки и тур­бины базисной нагрузки во время зарядки £рт/%то з-

Выражение в круглых скобках учитывает изменение КПД турбины в процессе зарядки £гс з (по сравнению с КПД тур­бины при нормальной работе tro), а также изменение С.

В предельном случае t, Ta = %то з выражение в квадратных скобках становится равным 1; при С да 0 (зарядка происхо-

дит в течение очень длительного времени) в соответствии с правилом Лопиталя имеем

Лак. бн^ "1 ^ Т$'с ГС^)/^Г0з] £ак [£о£рг]- (3,18)

Это уравнение иллюстрирует влияние отклонений КПД тур­бины в процессе зарядки.

На рис. 3.11 показаны для реального случая [1.25] зави­симости полного КПД аккумулятора со скользящим давле­нием на паросиловой установке от отношения времен раз­рядки и зарядки. Кривые соответствуют различным значе­ниям разности давлений зарядки и разрядки. Если принять постоянными мощность и длительность разрядки, то отноше­ние времен разрядки и зарядки будет пропорционально отно­сительной мощности зарядки С, определение которой дано выше. С увеличением /Раз//з Пак уменьшается вначале мед­ленно, но затем, со снижением КПД турбины, значительно быстрее. Большой гистерезис давлений зарядки и разрядки приводит к большим потерям на дросселирование во время зарядки и разрядки.

В безнасосных системах аккумулирования, у которых г]ак состоит только из трех частных КПД и двух отношений КПД, возможны высокие значения г|ак. Для системы с постоянными параметрами Е3, т = Драз, т и £с = to = 1. Если же КПД тур­боагрегата при частичной и пиковой нагрузках равен КПД турбины на базисной нагрузке, то т]ак стремится к £ак.

3.2.4. Аккумулирование энергии накоплением питательной воды

Аккумулирование посредством питательной воды пред­ставляет собой специальный вариант безнасосных систем
аккумулирования и часто применяется на паросиловых уста­новках с регенеративным подогревом питательной воды. Обычно используются вытеснительные аккумулирующие со­суды, хотя в принципе возможно применение и систем рас­ширительного типа. На рис. 3.12 показана упрощенная схема такой установки. Аккумулирующая система, установленная в параллель с магистралью питательной воды, забирает эту воду во время зарядки и одновременно подает холодную воду в магистраль. Во время разрядки происходит обратный про­цесс— снижение потока отбора (в предельном случае умень­шение до нуля) и увеличение выдаваемой мощности турби­ны. На рис. 3.12 показаны потоки эксергии для трех режимов:

а) при базисной нагрузке

Ёц — £го (Ёвх, т Вотб)

(где индекс «отб» — отбор);

б) при зарядке

Дб — Дэ =® т ~ £отб Двх/Sn. в, з) £гСз>

£п. в ~ Ёя. в/£отб

(где £п. в — эксергетический КПД магистрали питательной воды);

в) при разрядке (с основной турбиной)

(3.22)

Выполнив арифметические действия, аналогичные указан­ным в разд. 3.2.3, и введя коэффициент разрядки

D — £раз/£б^ 1>

получим полный КПД:

Ча,.п. в = [Сп. в..(і - Л-уг0)Дгоз]их

X [SrGpas/Sn. B. раз (l Н TOpaJ^TQ _ (3.24)

Это уравнение похоже на уравнение (3.17) для безнасос­ных систем аккумулирования (разд. 3.2.3), за исключением того, что теперь знаменатель содержит КПД магистрали пи­тательной воды во время разрядки, а следующее за ним вы­ражение в круглых скобках содержит изменение КПД тур­боагрегата в процессе разрядки. Отметим, что КПД системы разрядки

Spaa, с == SrG. раз/Sn. B, р. з (l + iZ±^E«£l£) (3.25)

может быть больше 1 (например, если КПД магистрали пи­тательной ВОДЫ £п. В, раз мал). G другой стороны, низкий КПД магистрали питательной воды снижает КПД системы за­рядки £з, с, влияя на полный КПД, а также на термический КПД основного процесса.

Только в простых случаях, например рассмотренном выше, полный КПД может быть оценен исходя из частных КПД. Для более сложных систем потребуется расчет с использова­нием вычислительных программ для термодинамических циклов.

3.2.5. Потери в энергоаккумулирующих установках

В табл. 3.1 дан перечень видов потерь в наиболее важных типах энергоаккумулирующих установок. Установка харак­теризуется типом аккумулятора, а также типом системы ак­кумулирования (прямое или косвенное, безнасосное или на­сосное). Приводятся потери в аккумуляторе и потери в обо­рудовании зарядки и разрядки. Дается также КПД разрядки, что важно для определения наряду с плотностью запасаемой эксергии (разд. 2.8.2) эксергии разрядки и, следовательно, размеров аккумулятора. Кроме того, приводятся данные по полному КПД всей установки.

Использование при аккумулировании энергии прямого за­пасания рабочего тела или теплообменной среды — в особен­ности питательной воды в паровых установках и в первичном цикле солнечных теплоэнергетических установок—приводит к довольно высокому значению т)ак. Высокие значения т]ак (около 0,95) для аккумуляторов со скользящим давлением относятся только к установкам с малым гистерезисом давле­ний зарядки и разрядки, для которых требуются недорогие сосуды давления.

Полный КПД систем с косвенным аккумулированием ниже. Аккумулирование посредством теплоты горячих тепло­носителей может быть предпочтительнее аккумулирования с использованием теплоты фазового перехода, где для орга­низации теплообмена рабочего тела и аккумулирующей сре­ды требуется дорогое оборудование и возникают эксергети - ческие потери. Постоянная температура аккумулирования является преимуществом только для паровых процессов; для газотурбинных процессов она становится недостатком. Тер­мохимическое аккумулирование характеризуется сравнитель­но низкими КПД, но его преимуществом является отсутствие потерь в изоляции и, следовательно, неизменность КПД в те­чение длительных промежутков времени (сезонное аккуму­лирование). Могла бы представлять интерес система прямого термохимического аккумулирования.

Полный КПД насосных систем аккумулирования низок из-за того, что он зависит от семи частных КПД (при этом гидравлические системы предпочтительнее пневматических). В пневматических системах аккумулирования с постоянным давлением отсутствуют потери на дросселирование во время зарядки и разрядки. Полный КПД систем аккумулирования, использующих тепловые насосы и аккумуляторы со скользя­щим давлением, снижается вследствие изменений давления в верхнем и нижнем аккумулирующих сосудах и соответ­ствующих потерь в компрессоре и турбине.

Из табл. 3.1 следует, что вообще т]ак традиционных теп­ловых систем аккумулирования выше, чем у более новых термохимических и пневматических систем, а также у систем, основанных на использовании теплоты фазового перехода и принципа теплового насоса. Разница может быть скомпен­сирована только значительно более низкими начальными за­тратами на сооружение новых систем.