CN111608866B - 一种发电系统效率分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电系统效率分析方法，通过包括以下步骤：S1、所述发电系统包括压缩环节、换热环节、储液环节和液力发电环节；S2、分析各个环节的功耗或能量的输入输出变化，包括所述压缩环节中M级的空气压缩装置消耗的电能W^C，所述换热环节中换热器产生的热量W^q，所述液力增压环节包括液泵增压，液泵消耗的电能W^p，所述液力发电环节中N级的液力发电系统的发电量W^g；S3、对发电系统进行整体的效率定量分析。该方法适用于包含空气压缩装置、换热器、高压储气容器、气液混合容器和液力发电系统的将新能源以及富余电能转化为空气能存储、再将空气能通过液力发电转化为电能的发电系统。

Description

一种发电系统效率分析方法

技术领域

本发明涉及大规模新能源存储与转化技术领域，尤其涉及一种发电系统效率分析方法。

背景技术

随着大规模风能/光伏资源的开发，我国风电/光伏的开发保持着快速发展的强劲势头，但大规模具有随机性、问歇性、反调节性及出力波动大等特点的风电/光伏能源接入电网对系统的电压稳定、暂态稳定和频率稳定都有较大的影响，且风电/光伏能源并网难、并网后消纳难。水电机组具有停机迅速、调节速度快、调节范围宽广等特点，在系统内发挥着调峰调频等功能，然而，常规水电厂、抽水蓄能电厂在大规模新能源存储、能量转化方面作用有限，不能吸收丰沛的风电、太阳能等大规模可再生能源电力；因此现有技术中结合两者优点，将新能源以及富余电能转化为空气能，使其具备大规模能源存储，再将空气能通过液力发电转化为电能，也具有类似于水电机组启停机迅速、调节速度快、调节范围宽广的特点。

但对于该将新能源以及富余电能转化为空气能存储、再将空气能通过液力发电转化为电能的发电系统，由于系统结构不同，现有发电系统的效率分析方法不能用于本发电系统，且该发电系统的影响因素较复杂，因此需要一种适用于本发电系统的效率分析方法，全面分析发电系统的影响因素，提高效率分析方法的准确率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种发电系统效率分析方法，适用于包含空气压缩装置、换热器、高压储气容器、气液混合容器和液力发电系统的将新能源以及富余电能转化为空气能存储、再将空气能通过液力发电转化为电能的发电系统。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种发电系统效率分析方法，包括以下步骤：

S1、所述发电系统包括压缩环节、换热环节、储液环节和液力发电环节：所述压缩环节为M级的空气压缩装置将常压空气转化为高温高压空气，M≥1，消耗电能；所述换热环节为换热器将所述高温高压空气转化为常温高压空气，产生热能；所述储液环节为当采用液泵抽取液体储液时，液泵将液体从蓄液容器抽取至气液混合容器中，消耗电能；所述液力发电环节为N级的液力发电系统在N＝1时，在高压储气容器的压强作用下，第一级液力发电系统液力发电，在N>1时，在高压储气容器、第一级至第i级的气液混合容器的压强作用下，第i+1级液力发电系统液力发电，1≤i≤N-1，产生电能；

S2、分析各个环节的功耗或能量的输入输出变化：

所述压缩环节中M级的空气压缩装置消耗的电能W^C为：

所述换热环节中换热器产生的热量W^q为：W^q＝Φ_cmaxε_c；

所述液力增压环节包括液泵增压，液泵消耗的电能W^p为：

所述液力发电环节中N级的液力发电系统的发电量W^g为：

其中，P_i ^C,n表示第i级空气压缩装置的电功率，M表示空气压缩装置的级数，t_i表示第i级空气压缩装置的工作时间,Φ_cmax表示换热器理论上最大换热量,ε_c为换热器的效率，ρ为液体密度，g为重力系数，V表示气液混合容器内的循环液体体积，H_p为液泵对液体增加压强对应的扬程，η_wp表示液泵和其驱动电动机的综合效率，γ_i表示第i个气液混合容器内的循环液体体积与前i个储气容器气体体积的比值，前i个储气容器即高压储气容器和前i-1个气液混合容器，P_as0表示高压储气容器气体体积的压强值，P₀表示t时刻大气压，V_as0表示高压储气容器气体体积，N表示液力发电系统的级数，η_wg表示液力发电机组的整体效率，取决于原动机效率和发电机效率；

S3、对发电系统进行整体的效率定量分析：

发电系统的能量转换效率为：

发电系统电能到电能转换效率为：

发电系统电能到热能转换效率为：

其中，k表示是否考虑液泵的功率消耗，当k＝1时表示使用液泵来抽取液体储液，当k＝0表示依靠自流方式实现回流储液。

进一步的，步骤S2中所述W_gi为每级液力发电系统的发电量，也可表示为：

式中，Q_t(t)表示液力发电机组中原动机的体积流量，T_g表示发电时长，η_wg表示液力发电机组的整体效率，取决于原动机效率和发电机效率，P′_air(t)表示t时刻气液混合容器中的气体压强与大气压强的差值。

进一步的，步骤S2中所述液泵消耗的电能W^p也可以表示为：

式中，T_p表示液泵抽取时长，η_{pump_motor}＝η_wp，p_as(t)表示气液混合容器中的气压值，p_atm为大气压强，Q_p(t)为液泵抽取的液体体积流量。

进一步的，所述发电系统包括高压气系统、N级的气液混合系统、N级的液力发电系统、通道切换系统以及控制系统，

所述高压气系统包括至少一个高压储气容器、M个空气压缩装置和M个蓄热换热系统，所述蓄热换热系统至少包括一个换热器、与所述换热器的进液口相连的一个低温液体蓄热容器、与所述换热器的出液口相连的一个高温液体蓄热容器，所述空气压缩装置的进口连接外部空气，出口连接所述换热器的进气口，所述换热器的出气口连接所述高压储气容器的进口；

所述N级的气液混合系统包括第一级气液混合容器至第N级气液混合储气容器；

所述N级的液力发电系统包括第一级液力发电系统至第N级液力发电系统，各级液力发电系统至少包括一台液能转换的原动机及其发电机；

所述控制系统包括所述N级的液力发电系统的控制装置和气压控制装置，所述N级的液力发电系统的控制装置至少具有调节控制液力发电系统转速、功率、开度的功能，所述气压控制装置具有通过控制阀的开关实现气压调控的功能；

所述通道切换系统包括所述发电系统中连接各部件的阀及管道；

所述高压储气容器的出口与气阀一的进口相连；当N＝1时，气阀一的出口连接第一级气液混合容器的进气口，当N>1时，气阀i的出口连接第i级气液混合容器的进气口和气阀i+1的进口，1≤i≤N-1，气阀N连接第N级气液混合容器的进气口；每级气液混合容器的出液口经对应的每级液力发电系统后连接与大气压相连的蓄液容器的进口，所述蓄液容器的出口连接各级气液混合容器的进液口，通过形成的压差回流到各级气液混合容器，对应相连的气液混合容器与液力发电系统、液力发电系统与蓄液容器之间均通过液阀连接，对应相连的蓄液容器与各级气液混合容器之间通过回流液阀连接；随级数的增大，各级液力发电系统的水头范围减小，各级气液混合容器的容积增大，压强减小。

进一步的，所述k＝0时，所述蓄液容器的出口分别通过回流液阀连接各级气液混合容器的进液口，所述蓄液容器的底部与各级气液混合容器存在设定的高程差，从而形成所述压差回流，所述高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面。

进一步的，所述k＝1时，所述蓄液容器的出口分别通过液泵和回流液阀连接各级气液混合容器的进液口，通过液泵形成所述压差回流，所述蓄液容器、高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面。

进一步的，所述发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态，所述储能状态包含储液、储气两部分：

当所述发电系统为储能状态的储液时，各级气液混合容器与大气压相连接，所述蓄液容器与各级气液混合容器之间的液阀均打开，通过形成压差使所述蓄液容器中的液体回流至各级气液混合容器内；

当所述发电系统为储能状态的储气时，通过所述M个的空气压缩装置将常压空气转化为高温高压空气，经过蓄热换热系统转化为常温高压空气，储存于所述高压储气容器内；

当所述发电系统为发电状态时，各级液力发电系统自第一级液力发电系统依次工作，气阀一至气阀i均打开，第i级气液混合容器与第i级液力发电系统、第i级液力发电系统与蓄液容器之间的液阀打开，蓄液容器与第一级气液混合容器至第i级气液混合容器之间的回流液阀均关闭，所述气阀i的开度调节对应的第i级气液混合容器的压强保持稳定，第i级液力发电系统发电，直到第i级气液混合容器内的液位下降至最低时停止发电，在高压储气容器和第一级气液混合容器至第i级气液混合容器内的剩余压力的共同作用下，第i+1级液力发电系统发电，1≤i≤N-1，直到第N级气液混合容器内的液位下降至最低，排出空气。

进一步的，所述发电系统在发电状态或储能状态时的液体温度变化忽略不计，忽略液体的可压缩性，发电状态时所述气液混合容器内的压强维持不变，所述液力发电系统维持恒定功率。

进一步的，所述液泵的进口与出口的质量流量相等，液体温度相等，忽略液泵进口与出口的位置高程的差异。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明所述的发电系统效率分析方法，适用于本发明所述通过空气压缩装置将新能源以及富余电能转化为高温高压空气，通过换热器将高温高压空气转化为常温高压空气后储存在高压储气容器，再由气液混合容器和液力发电系统将空气能转化为电能的发电系统；

(2)本发明所述的发电系统效率分析方法将发电系统分成产能、耗能的各环节，全面分析产能、耗能环节的功耗或能量的输入输出变化，提高效率分析方法的准确性；

(3)本发明对储液状态分成液泵抽取增压储液和高程差自流储液两种情况分析，使得发电系统的效率分析方法准确性更高；

(4)本发明同时提供了系统的热效率计算方法和电效率计算方法，能够定量计算储能过程的热效率、电效率、能量转换效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例一的发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二的发电系统的结构示意图；

图3为本发明的发电系统效率分析方法的流程图；

图中：1：气阀一；2：气阀二；3：气阀三；4：水阀一；5：水阀二；6：水阀三；7：水阀四；8：水阀五；9：水阀六；10：回流阀一；11：回流阀二；12：回流阀三；13：回流阀四；14：水泵；15：B侧气水混合容器；16：第一级气水混合容器；17：第二级气水混合容器；18：第三级气水混合容器；19：水轮机一；20：水轮机二；21：水轮机三；22：高压储气罐；23：储气阀；24：压气机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种发电系统，包括高压气系统、N级的气液混合系统、N级的液力发电系统、通道切换系统以及控制系统，所述控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：在所述控制系统作用下，经通道切换系统使富余新能源电能转换为空气能存储于高压气系统，所述发电系统为储能状态；在所述控制系统作用下，经通道切换系统、N级的气液混合系统、N级的液力发电系统使发电系统储存的空气能转换为电能，所述发电系统为发电状态。

所述高压气系统包括至少一个高压储气容器、M个空气压缩装置和M个蓄热换热系统，所述蓄热换热系统至少包括一个换热器、与所述换热器的进液口相连的一个低温液体蓄热容器、与所述换热器的出液口相连的一个高温液体蓄热容器，所述空气压缩装置的进口连接外部空气，出口连接所述换热器的进气口，所述换热器的出气口连接所述高压储气容器的进口；所述空气压缩装置充分吸收新能源电能和多余电能，转化为高压空气能，所述蓄热换热系统用来给高温高压空气降温；

所述N级的气液混合系统包括第一级气液混合容器至第N级气液混合储气容器，N≥1，各级气液混合容器为气体、液体按照一定比例共存的容器，其中的气体压强不低于0.13MPa，液体不限于水、盐水、高密度液体等工作介质，一切液体介质均适用于本发电系统，其中高密度液体不限于钻井液(泥浆)、含泥沙液体、水银；由于各级气液混合容器对应的各级液力发电系统的水头范围不同，各级气液混合容器的容积随级数增大越大，压强随级数增大而减小，比如高压储气容器为10MPa的100立方米的容器，第一级液力发电系统发电结束时第一级气液混合容器为3.1MPa的200立方米的容器，第二级液力发电系统发电结束时第二级气液混合容器为1.033MPa的600立方米的容器，第三级液力发电系统发电结束时第三级气液混合容器为0.344MPa的1800立方米的容器，具体压强和容积根据水头大小确定；

所述N级的液力发电系统包括第一级液力发电系统至第N级液力发电系统，每级的液力发电系统至少包括一台液能转换的原动机及其发电机，各级的所述原动机用于将液体中的能量转化为机械能，再由各级发电机将机械能转化为电能；所述原动机具有低比转速100m·kW～400m·kW和超低比转速1m·kW～100m·kW，不限于水轮机、液力透平等形式；各级的所述原动机具有不同的水头范围，所述发电机根据运行水头段设置不同的机组；

所述控制系统包括所述N级的液力发电系统的控制装置和气压控制装置，所述N级的液力发电系统的控制装置至少包括所述原动机、发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统等，至少具有调节控制液力发电系统转速、功率、开度的功能；所述气压控制装置具有通过控制阀门的开关实现气压调控的功能；

所述通道切换系统包括所述发电系统中连接各部件的阀门及管道，所述阀门不限于切除气流、水流的阀门及其控制系统；

所述高压储气容器的出口与气阀一1的进口相连；当N＝1时，气阀一的出口连接第一级气液混合容器的进气口，当N>1时，气阀一1的出口连接第一级气液混合容器的进气口和气阀二2的进口，即气阀i的出口连接第i级气液混合容器的进气口和气阀i+1的进口，气阀N连接第N级气液混合容器的进气口，1≤i≤N-1；每级气液混合容器的出液口与每级液力发电系统通过液阀对应相连，每级液力发电系统通过液阀连接与大气压相连的蓄液容器的进口，蓄液容器的出口通过回流液阀与每级气液混合容器的进液口相连；当所述蓄液容器的出口仅通过回流液阀连接各级气液混合容器的进液口时，所述蓄液容器的底部与各级气液混合容器必须存在设定的高程差，从而形成所述压差回流，所述高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面；当所述蓄液容器的出口通过液泵和回流液阀连接各级气液混合容器的进液口时，通过液泵形成所述压差回流，所述蓄液容器、高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面。所述蓄液容器可以为一个与各级气液混合容器均连接的蓄液容器，也可以为多个与各级气液混合容器分别连接的蓄液容器。随级数的增大，各级液力发电系统的水头范围减小，各级气液混合容器的容积增大，压强减小；当第i级液力发电系统发电时，气阀一至气阀i均打开，第i级气液混合容器与第i级液力发电系统、第i级液力发电系统与蓄液容器之间的液阀打开，蓄液容器与第一级气液混合容器至第i级气液混合容器之间的回流液阀均关闭，所述气阀i的开度可调节，用于使第i级气液混合容器的压强保持稳定。

所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由所述高压气系统、N级的气液混合系统以及控制系统共同实现，储能状态包含储液、储气两部分，储气为通过空气压缩装置将空气储存在高压储气容器中，储液为通过高程差自流的方式或所述液泵作用形成压差，使液体回流至各级气液混合容器，液体回流量通过回流液阀的打开时间控制；发电状态由所述高压气系统、N级的气液混合系统、N级的液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由N级的液力发电系统液力发电。下面通过具体的实施例具体说明。

实施例一为该发电系统的一个实现方式，如图1所示，初始状态下，所述高压储气罐22、各级气水混合容器内均为常压，B侧气水混合容器15内盛满液体水，且B侧气水混合容器15的底部高于各级气水混合容器，各级气水混合容器与高压储气罐22位于同一水平面上。

储能阶段：建压前将各级气水混合容器与大气压相连接，打开回流阀一10、回流阀二11、回流阀三12，依靠较小的位置落差将B侧气水混合容器15内的水流通过阀门自流流入到各级气水混合容器内，使得在常压下将各级气水混合容器充满水液，完成储液；打开储气阀23、气阀一1、气阀二2、气阀三3，关闭水阀一4、水阀二5、水阀三6、水阀四7、水阀五8、水阀六9、回流阀一10、回流阀二11、回流阀三12，利用富裕的电能驱动所述压气机24，将常压空气转化为高温高压空气，经过蓄热换热子系统转化为常温高压空气，储存于所述高压储气罐22内，完成储气。

发电阶段：水阀一4、水阀二5打开，关闭气阀二2、回流阀一10，气阀一1根据第一级气水混合容器16内压力下降情况进行开关调节，使得第一级气水混合容器16内压力维持在第一级压力Ps1为3.1MPa；第一级气水混合容器16内高压空气膨胀，推动水轮机一19旋转，第一级液力发电系统将高压空气能转化为电能；待第一级气水混合容器16内水流下降至最低液位时，第一级发电装置完成发电，但此时高压储气罐22和第一级气水混合容器16内仍有剩余压力，为了利用该压力开始利用第二级气水混合容器17进行发电；

关闭阀门水阀一4、水阀二5、回流阀一10、回流阀二11，打开气阀一1、气阀二2、水阀三6、水阀四7，气阀二2根据第二级气水混合容器17内压力下降情况进行开关调节，使得第二级气水混合容器17内压力维持在第二级压力Ps2为1.033MPa；在高压储气罐22、第一级气水混合容器16内压力的作用下，第二级气水混合容器17内高压空气膨胀，推动水轮机二20旋转，第二级液力发电系统将高压空气能转化为电能，当第二级气水混合容器17内液位下降到最低液位时停止发电，第二级发电装置完成发电；

关闭水阀三6、水阀四7、回流阀一10、回流阀二11、回流阀三12，打开气阀一1、气阀二2、气阀三3、水阀五8、水阀六9，气阀三3根据第三级气水混合容器18内压力下降情况进行开关调节，使得第三级气水混合容器18内压力维持在第三级压力Ps3为0.344Mpa，也大于0.13MPa；在高压储气罐22、第一级气水混合容器16、第二级气水混合容器17内压力的作用下，第三级气水混合容器18内高压空气膨胀，推动水轮机三21旋转，第三级液力发电系统将高压空气能转化为电能，当第三级气水混合容器18内液位下降到最低液位时停止发电，第三级发电装置完成发电，水阀五8、水阀六9关闭；

经过计算分析，此时高压储气罐22、第一级气水混合容器16、第二级气水混合容器17、第三级气水混合容器18内的压力已经接近大气压，火用较低，无法再利用，可以排向大气。排向大气后，高压储气罐22、第一级气水混合容器16、第二级气水混合容器17、第三级气水混合容器18压力与大气压相等，可以随时进入储能阶段。

实施例二为该发电系统的一个实现方式，如图2所示，与实施例一连接关系不同的是，B侧气水混合容器15的出口经过回流泵四、水泵14后，分别通过回流阀一10、回流阀二11、回流阀三12连接第一级气水混合容器16、第二级气水混合容器17、第三级气水混合容器18的进水口。

储能阶段的储液：建压前将各级气水混合容器与大气压相连接，打开回流阀一10、回流阀二11、回流阀三12、回流阀四13，依靠水泵14将B侧气水混合容器15内的水抽取到各级气水混合容器内，使得各级气水混合容器充满水液，完成储液，水泵14为低扬程、大流量水泵，加速了建压前的水流补充速度，虽然降低了系统的效率，但是提高了系统循环的频次。而储能阶段的储气和发电阶段的运行方式与实施例一基本相同。

对上述发电系统进行效率分析，如图3所示：

S1、将发电系统分为压缩环节、换热环节、储液环节和液力发电环节，并假定：发电系统在发电状态或储能状态时液温维持不变；忽略液体的可压缩性；发电状态时气液混合容器内的压力维持不变。

S2、分析各个环节的功率或能量的输入输出变化，即：

S2.1、压缩环节为M级的空气压缩装置将常压空气转化为高温高压空气，消耗电能：

实际过程中单位质量流量的理想气体等熵过程的消耗的技术功表示为：

式中，

表示第i级空气压缩装置绝热压缩过程中所消耗的功，

表示第i级空气压缩装置绝热压缩过程中的等熵效率，

表示第i级空气压缩装置进气口气体温度，

表示第i级空气压缩装置压比，即第i级空气压缩装置的出口气压

与进气口气压

之间的压比，

R_g表示空气气体常数，

κ表示比热容比或者等熵指数，

n表示多变指数，

上标C,s表述绝热压缩过程，C,n表示多变压缩过程。

单级空气压缩装置消耗的电功率为：

式中，

P_i ^C,n表示第i级空气压缩装置的电功率，W，

表示第i级空气压缩装置的空气质量流量，kg/s；

对于多级空气压缩装置，消耗的总功可表示为：

式中，P_i ^C,n表示第i级空气压缩装置的电功率，M表示空气压缩装置的级数，t_i表示第i级空气压缩装置的工作时间；

空气在空气压缩装置内被压缩的同时，温度也会增加，第i级空气压缩装置出口温度为

式中，

表示绝热过程中空气压缩装置的出口温度，

表示空气压缩装置的实际出口温度。

S2.2、换热环节为换热器将所述高温高压空气转化为常温高压空气，产生热能：

定义换热器的空气侧进气口温度为

冷却介质的进液口温度为T_c ^Cold,in，则换热器出气口空气温度及冷却介质温度分别为

式中，T_c ^Hot,out为换热器的空气出气口温度，T_c ^Cold,out为换热工质的出液口温度，

为换热工质的质量流量，

为换热工质的定压比热容，此处换热工质为低温液体蓄热容器中的冷却介质，如冷却水等，

为被换热工质的质量流量，

为被换热工质的定压比热容，此处被换热工质为被冷却的高温压缩空气，Φ_c为换热器的实际换热量，Φ_cmax表示换热器理论上最大换热量，

为换热器的最小热容，ε_c为换热器的传热效率，具体需要根据实际换热器类型而定。

换热器的传热效率ε_c可以表示为：

式中，U表示换热系数或传热系数，A表示换热面积，

为换热器的最大热容。

换热过程产生了

千克温度为

的热水，蕴藏的热量为

W^q＝Φ_c＝Φ_cmaxε_c (8)

S2.3、储液环节包括液泵抽取液体储液和高程差自回流储液两种方式，当采用液泵抽取液体储液时，液泵将液体从蓄液容器抽取至气液混合容器中，消耗电能：

根据热力学第一定律、质量守恒定律，假设(1)液泵进出口质量流量相等；(2)液泵进出口液体温度相等；(3)忽略液泵进出口位置高程的差异；液泵在抽取液体过程中的变量满足以下关系：

式中，

为液体质量流量，单位为kg/s，ρ为液体密度，Q_p为液泵抽取的液体体积流量，单位为m³/s，η_motor表示驱动液泵的电动机效率，η_pump表示液泵的运行效率，η_{pump_motor}表示液泵和其驱动电动机的综合效率，p^out为液体在液泵出口的压强，pⁱⁿ为液体在液泵出口的压强。

液泵抽取液体消耗的电能为：

式中，T_p表示液泵抽取时长，H_p表示液泵扬程，p_as(t)表示气液混合容器中的气压值，p_atm为大气压强。

式中，η_wp＝η_{pump_motor}，V表示气液混合容器内的循环液体体积。

S2.4、液力发电环节为N级的液力发电系统在N＝1时，在高压储气容器的压力作用下，第一级液力发电系统液力发电，在N>1时，在高压储气容器、第一级至第i级的气液混合容器的压力作用下，第i+1级液力发电系统液力发电，1≤i≤N-1，产生电能；

发电过程中通过调节高压储气容器和气液混合容器的气体和液体体积，以及通过气阀调节维持气液混合容器中气压值恒定，发电过程中第i级液力发电系统的发电量表示为：

式中，Q_t(t)表示液力发电机组中原动机的体积流量，T_g表示发电时长，η_wg表示液力发电机组的整体效率，取决于原动机效率和发电机效率，P_air为气液混合容器内空气压强，发电过程中维持恒定值；P₀表示t时刻大气压强，单位Pa；P′_air(t)表示t时刻气液混合容器中的气体压强与大气压强的差值，单位Pa；

三级水轮机的总发电量为：

W_g＝W_g1+W_g2+W_g3 (14)

三级水轮机发电机组的总发电量为：

当有N＝3级时，功率为：

当有N＝2级时，功率为：

当有N＝1级时，功率为：

则多级水轮机的总发电量W_g为:

γ_i表示第i个气液混合容器内的循环液体体积与前i个储气容器气体体积的比值，前i个储气容器即高压储气容器和前i-1个气液混合容器；

P_as0表示高压储气容器气体体积的压力值，单位Pa；P_as1表示第1个气液混合容器内的气体压力值，单位Pa，该值为恒定值；P_as2表示第2个气液混合容器内的气体压力值，单位Pa，该值为恒定值；

V_as0表示高压储气容器气体体积，单位立方米；

V_w1表示第1个气液混合容器内的循环液体体积，单位立方米；V_w2表示第2个气液混合容器内的循环液体体积，单位立方米；V_w3表示第3个气液混合容器内的循环液体体积，单位立方米；

P_air1表示第1个气液混合容器内的气体压强值，单位Pa，该值为恒定值；P_air2表示第2个气液混合容器内的气体压强值，单位Pa，该值为恒定值；P_air3表示第3个气液混合容器内的气体压强值，单位Pa，该值为恒定值；

S3、对发电系统进行整体的效率定量分析：

假设单级液力发电过程中，所述气液混合容器内的压强维持不变，所述发电系统在发电状态或储能状态时的液体温度近似不变，忽略液体的可压缩性，发电状态时所述气液混合容器内的压强维持不变，所述液力发电系统维持恒定功率，所述液泵的进口与出口的质量流量相等，液体温度相等，忽略液泵进口与出口的位置高程的差异，由动态模型的稳态值参与效率分析，即：

发电系统输出了热量和电量，发电系统的能量转换效率为：

式中，k用来表示是否考虑液泵的功率消耗。当k＝1时表示使用液泵来抽取液体储液，当k＝0表示依靠自流方式实现回流储液。

发电系统电能到电能转换效率为：

发电系统电能到热能转换效率为：

为与压缩空气储能发电的TICC-500的系统对比，同样采用压气机分为5级压缩，M＝5，压气机和换热器的参数如下表所示，高压储气罐内气体压强为10MPa，体积为100m³，P_as0＝10Mpa，V_as0＝100m³，第1个、2个、3个水汽混合容器水气比均取2，即γ₁＝2，γ₂＝2，γ₃＝2。压缩空气的质量流量dm_i ^C,n＝0.4492kg/s，压缩侧第一级换热器冷却水质量流量

为0.1346kg/s，压缩侧第二级换热器冷却水质量流量

为0.1268kg/s，压缩侧第三级换热器冷却水质量流量

为0.1279kg/s，压缩侧第四级换热器冷却水质量流量

为0.1212kg/s，压缩侧第四级换热器冷却水质量流量

为0.2755kg/s。根据工程经验，水轮机效率取93％，发电机效率取95％，机组整体效率η_wg为88.35％，选择3个气水混合容器，N＝3。水轮机所需的水量为V_w1＝200m3，V_w2＝600m3，V_w3＝1800m3，总体需要水量Q为2600立方米，高压储气容器的体积为100立方米，共计2700立方米。则三个气水混合容器对应的机组发电量W_g1、W_g2、W_g3分别为161.14kWh、150.7823kWh、135.56kWh，三个气水混合容器总发电量W_g为447.4823kWh。系统压缩空气过程的总耗电量W^C为788.6kWh，系统整体电换电的效率η_e可达到56.74％。可以提供的热水能量效率+发电电量效率η_W为17.65％+56.74％＝74.39％。发电结束后还剩余2700立方米0.3704MPa的压缩空气。从中可以看出，本文的方案热电联合效率比TICC-500要高出13％～14％，电换电效率要比TICC-500要高出16％。

压气机的参数

换热器的参数

综上可知，通过上述的一种发电系统效率分析方法，具有以下优点：

(1)本发明所述的发电系统效率分析方法，适用于本发明所述通过空气压缩装置将新能源以及富余电能转化为高温高压空气，通过换热器将高温高压空气转化为常温高压空气后储存在高压储气容器，再由气液混合容器和液力发电系统将空气能转化为电能的发电系统；

(2)本发明所述的发电系统效率分析方法将发电系统分成产能、耗能的各环节，全面分析产能、耗能环节的功耗或能量的输入输出变化，提高效率分析方法的准确性；

(3)本发明对储液状态分成液泵抽取增压储液和高程差自流储液两种情况分析，使得发电系统的效率分析方法准确性更高；

(4)本发明同时提供了系统的热效率计算方法和电效率计算方法，能够定量计算储能过程的热效率、电效率、能量转换效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种发电系统效率分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述发电系统包括压缩环节、换热环节、储液环节和液力发电环节：所述压缩环节为M级的空气压缩装置将常压空气转化为高温高压空气，M≥1，消耗电能；所述换热环节为换热器将所述高温高压空气转化为常温高压空气，产生热能；所述储液环节为当采用液泵抽取液体储液时，液泵将液体从蓄液容器抽取至气液混合容器中，消耗电能；所述液力发电环节为N级的液力发电系统在N＝1时，在高压储气容器的压强作用下，第一级液力发电系统液力发电，在N>1时，在高压储气容器、第一级至第i级的气液混合容器的压强作用下，第i+1级液力发电系统液力发电，1≤i≤N-1，产生电能；

S2、分析各个环节的功耗或能量的输入输出变化：

所述压缩环节中M级的空气压缩装置消耗的电能W^C为：

所述换热环节中换热器产生的热量W^q为：W^q＝Φ_cmaxε_c；

所述液力增压环节包括液泵增压，液泵消耗的电能W^p为：

所述液力发电环节中N级的液力发电系统的发电量W^g为：

其中，P_i ^C,n表示第i级空气压缩装置的电功率，M表示空气压缩装置的级数，t_i表示第i级空气压缩装置的工作时间,Φ_cmax表示换热器理论上最大换热量,ε_c为换热器的效率，ρ为液体密度，g为重力系数，V表示气液混合容器内的循环液体体积，H_p为液泵对液体增加压强对应的扬程，η_wp表示液泵和其驱动电动机的综合效率，γ_i表示第i个气液混合容器内的循环液体体积与前i个储气容器气体体积的比值，前i个储气容器即高压储气容器和前i-1个气液混合容器，P_as0表示高压储气容器气体体积的压强值，P₀表示t时刻大气压，V_as0表示高压储气容器气体体积，N表示液力发电系统的级数，η_wg表示液力发电机组的整体效率，取决于原动机效率和发电机效率；

S3、对发电系统进行整体的效率定量分析：

发电系统的能量转换效率为：

发电系统电能到电能转换效率为：

发电系统电能到热能转换效率为：

其中，k表示是否考虑液泵的功率消耗，当k＝1时表示使用液泵来抽取液体储液，当k＝0表示依靠自流方式实现回流储液。

2.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，步骤S2中所述W_gi为每级液力发电系统的发电量，也可表示为：

式中，Q_t(t)表示液力发电机组中原动机的体积流量，T_g表示发电时长，η_wg表示液力发电机组的整体效率，取决于原动机效率和发电机效率，P_a′_ir(t)表示t时刻气液混合容器中的气体压强与大气压强的差值。

3.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，步骤S2中所述液泵消耗的电能W^p也可以表示为：

式中，T_p表示液泵抽取时长，η_{pump_motor}＝η_wp，p_as(t)表示气液混合容器中的气压值，p_atm为大气压强，Q_p(t)为液泵抽取的液体体积流量。

4.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述发电系统包括高压气系统、N级的气液混合系统、N级的液力发电系统、通道切换系统以及控制系统，

所述高压气系统包括至少一个高压储气容器、M个空气压缩装置和M个蓄热换热系统，所述蓄热换热系统至少包括一个换热器、与所述换热器的进液口相连的一个低温液体蓄热容器、与所述换热器的出液口相连的一个高温液体蓄热容器，所述空气压缩装置的进口连接外部空气，出口连接所述换热器的进气口，所述换热器的出气口连接所述高压储气容器的进口；

所述N级的气液混合系统包括第一级气液混合容器至第N级气液混合储气容器；

所述N级的液力发电系统包括第一级液力发电系统至第N级液力发电系统，各级液力发电系统至少包括一台液能转换的原动机及其发电机；

所述控制系统包括所述N级的液力发电系统的控制装置和气压控制装置，所述N级的液力发电系统的控制装置至少具有调节控制液力发电系统转速、功率、开度的功能，所述气压控制装置具有通过控制阀的开关实现气压调控的功能；

所述通道切换系统包括所述发电系统中连接各部件的阀及管道；

所述高压储气容器的出口与气阀一的进口相连；当N＝1时，气阀一的出口连接第一级气液混合容器的进气口，当N>1时，气阀i的出口连接第i级气液混合容器的进气口和气阀i+1的进口，1≤i≤N-1，气阀N连接第N级气液混合容器的进气口；每级气液混合容器的出液口经对应的每级液力发电系统后连接与大气压相连的蓄液容器的进口，所述蓄液容器的出口连接各级气液混合容器的进液口，通过形成的压差回流到各级气液混合容器，对应相连的气液混合容器与液力发电系统、液力发电系统与蓄液容器之间均通过液阀连接，对应相连的蓄液容器与各级气液混合容器之间通过回流液阀连接；随级数的增大，各级液力发电系统的水头范围减小，各级气液混合容器的容积增大，压强减小。

5.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述k＝0时，所述蓄液容器的出口分别通过回流液阀连接各级气液混合容器的进液口，所述蓄液容器的底部与各级气液混合容器存在设定的高程差，从而形成压差回流，所述高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面。

6.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述k＝1时，所述蓄液容器的出口分别通过液泵和回流液阀连接各级气液混合容器的进液口，通过液泵形成压差回流，所述蓄液容器、高压储气容器、各级气液混合容器位于相同的水平面。

7.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态，所述储能状态包含储液、储气两部分：

当所述发电系统为储能状态的储液时，各级气液混合容器与大气压相连接，所述蓄液容器与各级气液混合容器之间的液阀均打开，通过形成压差使所述蓄液容器中的液体回流至各级气液混合容器内；

当所述发电系统为储能状态的储气时，通过所述M个的空气压缩装置将常压空气转化为高温高压空气，经过蓄热换热系统转化为常温高压空气，储存于所述高压储气容器内；

当所述发电系统为发电状态时，各级液力发电系统自第一级液力发电系统依次工作，气阀一至气阀i均打开，第i级气液混合容器与第i级液力发电系统、第i级液力发电系统与蓄液容器之间的液阀打开，蓄液容器与第一级气液混合容器至第i级气液混合容器之间的回流液阀均关闭，所述气阀i的开度调节对应的第i级气液混合容器的压强保持稳定，第i级液力发电系统发电，直到第i级气液混合容器内的液位下降至最低时停止发电，在高压储气容器和第一级气液混合容器至第i级气液混合容器内的剩余压力的共同作用下，第i+1级液力发电系统发电，1≤i≤N-1，直到第N级气液混合容器内的液位下降至最低，排出空气。

8.根据权利要求7所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述发电系统在发电状态或储能状态时的液体温度变化忽略不计，忽略液体的可压缩性，发电状态时所述气液混合容器内的压强维持不变，所述液力发电系统维持恒定功率。

9.根据权利要求1所述的一种发电系统效率分析方法，其特征在于，所述液泵的进口与出口的质量流量相等，液体温度相等，忽略液泵进口与出口的位置高程的差异。

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