不同工况和应用场景下CAES-CFPP三联产系统特性分析

李佳佳 ,  颜培刚 ,  周国文 ,  李兴朔 ,  李强 ,  刘金福 ,  于达仁

工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 248 -261.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 34 ›› Issue (3) : 248 -261. DOI: 10.1016/j.eng.2023.06.015
研究论文

不同工况和应用场景下CAES-CFPP三联产系统特性分析

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Characteristics Analysis of Integrated CAES and CFPP Trigeneration System Considering Working Conditions and Application Scenarios

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摘要

为实现脱碳目标，全球正在加快向清洁和绿色能源结构转型的进程。在此背景下，燃煤发电厂（CFPP）和以压缩空气储能（CAES）技术为代表的大规模储能设施所面临的任务是提高可再生资源存储能力和维护电力系统安全。为实现这一目标，本文提出了CFPP-CAES联合循环的概念和基于该概念的三联产系统。考虑到CFPP的工况，我们研究了三种典型运行模式的热力特性，并找到一些一般规律。对各种潜在集成方案的讨论结果表明，从给水系统的低温点取水冷却压缩空气同时提高回水温度有利于提高整体性能。此外，在加压空气进入空气膨胀机之前，通过给水系统中的低品位水尽可能地预热加压空气，并减少抽汽，有助于提高效率。采用最优集成方案，每个循环可节煤2.85 t，往返效率提高2.24%。通过热电联产，系统效率可达77.5%。此外，三种压缩热利用方法提升性能的效果从高到低排列依次为锅炉给水预热、供热和进入CFPP给水系统。在冷能生产的模式下，系统效率可提升至69%以上。无论运行模式如何，当CFPP在更高的运行条件下运行时，由于耦合点参数的改变，集成的效益进一步提高。此外，在典型应用场景下，动态投资回收期可缩短11.33年，内部收益率可提高5.20%。考虑到不同应用场景的经济效果，在能源需求多的地区，尤其是供暖需求大的地区，投资于所提出的系统更为合适。这些结果证明了所提出系统的技术优势，并为其设计、运行和项目投资提供了指导原则。

Abstract

To meet the goal of worldwide decarbonization, the transformation process toward clean and green energy structures has accelerated. In this context, coal-fired power plant (CFPP) and large-scale energy storage represented by compressed air energy storage (CAES) technology, are tasked with increasing renewable resource accommodation and maintaining the power system security. To achieve this, this paper proposes the concept of a CFPP-CAES combined cycle and a trigenerative system based on that. Considering the working conditions of the CFPP, thermal characteristics of three typical operation modes were studied and some general regularities were identified. The results of various potential integration schemes discussion indicated that extracting water from low-temperature points in the feedwater system to cool pressurized air and simultaneously increase the backwater temperature is beneficial for improving performance. In addition, preheating the pressurized air before the air expanders via low-grade water in the feedwater system as much as possible and reducing extracted steam contribute to increasing the efficiency. With the optimal integration scheme, 2.85 tonnes of coal can be saved per cycle and the round-trip efficiency can be increased by 2.24%. Through the cogeneration of heat and power, the system efficiency can reach 77.5%. In addition, the contribution degree of the three compression heat utilization methods to the performance improvement ranked from high to low, is preheating the feedwater before the boiler, supplying heat, and flowing into the CFPP feedwater system. In the cooling energy generation mode, the system efficiency can be increased to over 69%. Regardless of the operation mode, the benefit produced by integration is further enhanced when the CFPP operates at higher operating conditions because the coupling points parameters are changed. In addition, the dynamic payback period can be shortened by 11.33 years and the internal rate of return increases by 5.20% under a typical application scenario. Regarding the effect of different application scenarios in terms of economics, investing in the proposed system is more appropriate in regions with multiple energy demands, especially heating demand. These results demonstrate the technical advantages of the proposed system and provide guiding principles for its design, operation, and project investment.

关键词

压缩空气储能 / CFPP-CAES联合循环 / 热力学性能 / 技术经济学

Key words

Compressed air energy storage / CFPP-CAES combined cycle / Thermodynamic performance / Technical economics

Highlight

・The CFPP-CAES combined cycle is proposed and analyzed from mechanism view.

・Optimal integration scheme is obtained and system RTE can be increased by 2.24%.

・Multiple energy generation can further enhance system performance.

・Regularities and guides in heat utilization for three operation modes are refined.

・The DPP is reduced by 11.33 years and IRR is increased by 5.20% for a given scene.

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李佳佳,颜培刚,周国文,李兴朔,李强,刘金福,于达仁. 不同工况和应用场景下CAES-CFPP三联产系统特性分析[J]. 工程（英文）, 2024, 34(3): 248-261 DOI:10.1016/j.eng.2023.06.015

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1 引言

为缓解日益紧迫的气候变化和化石燃料短缺问题，全球能源政策正在迅速向可再生、高效和灵活的能源系统转变[1]。在此背景下，可再生能源发电得到大力发展，预计到2040年，在全球能源供应框架内，可再生能源发电量将与煤炭和燃气发电量相同[2]。由于可再生能源发电的固有特性，其价值和可控性不如传统能源，将可再生能源并入电网在维护系统运行安全性和稳定性方面对电力系统提出了重大挑战。因此，在尽可能降低调控费用的同时，提高电力系统的调控能力和灵活性至关重要。

燃煤发电厂（CFPP）是中国等大多数国家目前可调度能源机组的主要来源，因此，它们在电网中的作用正在从传统的发电机组转变为主力调节资源。许多指导能源发展方向的政策文件指出，CFPP应在电力系统中起表率作用，带头充分利用煤炭，提供可靠的负载能力和辅助服务，并协助绿色能源发展，帮助实现向低碳和可持续能源系统转型的愿景[3‒4]。然而，单个火力发电厂在深度调峰运行期间存在锅炉低负荷稳定燃烧、经济性和安全性差以及需要频繁和大范围调整的问题[5‒7]。

储能系统（ESS）可以通过存储和传输过程转移能量，并作出快速响应。作为高度灵活的资源，ESS在能源革命中发挥着至关重要的作用。为CFPP配备大规模ESS是一种大幅提高其灵活性和过渡到新电力系统的可行方法。在主流ESS技术中，压缩空气储能（CAES）具有容量大、安全性强、环境友好、使用寿命长、成本低、不受地理限制等诸多优势。因此，CAES被认为是一种很有前景的ESS技术[8‒9]。CAES技术始于20世纪70年代。迄今为止，建立了两个商业化的CAES电厂：德国的Huntorf电厂和美国的McIntosh电厂[10]。近期，10~100 MW级压缩空气储能技术实现多个里程碑式发展[11]，这表明CAES技术有着广阔的前景。然而，由于CAES的工作机制，其效率不是很高，调整成本也高于传统发电资源，这限制了其市场化和工程化应用。

为了提高CAES的效率，已经提出和研究了许多新的系统和改进方案。提出的新系统有绝热CAES、热能储存系统（TES）、等温CAES、超临界CAES和综合系统等[11]。提出的系统改进方案有多级压缩的级间冷却和多级膨胀结构加热，以从等温方法中受益[12]。考虑到Huntorf电站的局限性，如运行时间和工艺限制，Jafarizadeh等[13]提出并比较了四种提高电站性能的改进方法，即再热、压缩过程冷却、注水的应用和注汽的利用。结果表明，与原始电厂相比，电厂的往返效率（RTE）分别提高约37.80%、3.22%、2.50%和2.78%。值得注意的是，与其他典型的储能类型不同，CAES系统独特的工作机制使其具有产生、转换和供应多种能源的能力。因此，除了单个组件和整个系统的改进之外，热力转换过程中的开放特征和灵活的布局结构使其具有与其他循环集成的潜力。CAES与其他系统或循环（如氨-水吸收式制冷系统和有机朗肯循环[14‒15]、燃气轮机[16]以及太阳能和海水淡化系统[17]）集成的现有研究结果表明，合理的组合可以提高能源利用率，甚至提高系统的经济性能。

受此启发，火力发电厂和CAES系统结合可能会提供一种解决方案来弥补它们各自的缺点，通过循环一体化和能源高效利用产生互补优势。也就是说，CAES系统扩大了调节范围，减少了停机和快速爬坡频率，缓解了火力发电厂的调节压力，加强了其调控能力。此外，CAES系统可以更有效地利用能源并提高性能。通过与现有火力发电厂共享资源，其经济可行性也可能得到提高。因此，一体化使其在营销和应用中更具竞争力。

据我们所知，现有关于燃煤火力发电厂和CAES系统集成的案例很少。Pan等[18]集成了一个350 MW燃煤发电厂和一个CAES系统，以提高传统CAES系统的性能。CAES系统的压缩热被传递到火力发电厂的给水系统中，在排放过程中，火力发电厂的部分给水被用于在压缩空气进入膨胀机之前对其进行预热。新CAES系统的RTE和可用能效率分别为64.08%和70.01%。Zhang等[19]比较了660 MW超临界CFPP和50 MW CAES系统的不同可能耦合方案。同样，其他人[20‒22]也关注到集成系统性能，他们都选择RTE作为确定最佳集成方案的评估指标。这些研究之间的主要区别在于系统的技术参数和集成原理。

从上述分析来看，目前的研究还存在一些局限性。关于CFPP和CAES系统整合的研究仍处于初步阶段，相关研究很少。这两个系统的内在耦合机制以及系统特性尚未得到深入研究。此外，现有的研究是基于固定的CFPP工况进行的。然而，CFPP和CAES系统的协作随着实际需求的变化而变化。因此，需要研究工况对热力学过程的影响。总之，需要进行更多的理论研究才能更深入地了解这个新的集成系统。此外，现有的工作只集中在发电场景上。考虑到CAES系统的天然三联产潜力，关于多种能源生产场景下综合能源使用的系统集成研究仍然是一个空白。最终，仅对热性能进行了评估。作为一个新系统，经济视角同样重要。为了填补这些空白，本文首先从热力学角度分析了两个系统集成的机制。在此基础上，本文提出了一种先进的三联产系统。使用开发的能量流模型并考虑CFPP的工况，对该系统的热特性和性能进行了探索和分析。此外，还进行了详细的技术经济比较分析，以评估拟议系统在营销和应用方面的可行性。这项研究提供了对先进系统集成的深入见解，定量评估了系统优势，并为设计、运营和项目投资提供了指导原则。本研究的主要原创性和贡献有三个方面：

（1）分析了CFPP和CAES集成机制，揭示了它们的热力学本质和技术优势。随后，在此基础上提出了先进的三联产系统。

（2）针对不同工况下的三种典型运行模式，分别研究和讨论了系统性能和热力特性，以深入了解新系统。此外，归纳和总结了一般规律，以指导系统设计和运行。

（3）使用专门为CAES系统与CFPP结合建立的经济计算模型，进行了相对技术经济评价。此外，还讨论了各种应用场景对经济价值的影响，以探索该系统在不同地区的投资潜力。

本文的其余部分组织如下：第2节分析了CAES系统和CFPP的热力学集成机制；从而在第3节中提出了一种新的三联产集成系统；第4节给出了所提出系统的数学模型和评价指标；在第5节中，我们对不同工况下的三种典型运行模式进行了热特性分析；接下来，在第6节中进行了相对技术经济分析，并研究了应用场景的影响；最后，在第7节中得出结论。

2 CFPP-CAES集成的热力学机制

2.1 机制分析

配置储能系统是提高火力发电机组调控能力的有效途径。许多研究和工程应用都证明了这一点[23‒24]。然而，现有的工作大多集中在频率调制的改进上，仅采用了电池等小容量ESS。想要提高火力发电厂的灵活性，需要配置灵活选址的长期、大规模和低成本的ESS。在综合比较了现有的通用技术后，我们提出了为CFPP安装CAES的想法。

与传统的CAES技术相比，绝热CAES（A-CAES）系统将压缩阶段产生的热量回收并储存在TES系统中，并在排放过程中使用存储的热量预热膨胀机入口的空气，如附录A中的图S1所示。这意味着A-CAES技术对化石燃料的依赖程度更低、更环保，因此符合节能减排的发展方向。然而，独立的A-CAES系统的性能在很大程度上依赖于储热技术，而储热增加了建造成本[25]，热存储和热使用过程中也存在热损失。此外，压缩热还限制了空气膨胀机的发电能力。因此，独立A-CAES系统的目标效率仅为70%，远低于电池和抽水蓄能等高效储能技术[26]。

从热力学角度来看，CAES系统类似于开式循环燃气轮机设备，但具有解耦压缩和膨胀过程。因此，在燃气轮机中使用的提高效率的措施，如中间冷却、回热、再热及其组合，可以作为CAES系统的参考。许多CAES系统改进因此受到启发。考虑到独立A-CAES系统在充放电过程中的固有限制，除了其自身优化外，与CFPP循环的合理集成打破了固有限制，为更全面地利用能源提供了可行的解决方案。例如，附录A中的图S2给出了基于参考文献[27]的独立50 MW CAES系统和典型的350 MW火力发电机组工作过程中的温度变化图。这两个系统都具有复杂的结构，具有多个阶段和宽范围的温度等级。该图显示，CAES系统的温度范围完全被CFPP的温度范围覆盖。这意味着产生的压缩热可以基于温度匹配和级联使用的原理流入CFPP的蒸汽和水循环。同样，在排放过程中被空气吸收的热量可以从CFPP的合适点提取，以满足预热需求。集成后，不仅促进了更合理地利用回收的压缩热，而且还在充电和放电子系统之间从数量和质量上消除了热能的自然限制。

从上述分析来看，CAES和CFPP的集成提供了改进热循环和性能的机会。总体来说，CFPP的复杂结构为宽范围温度等级提供了多个结合点。这为用于各种目的的CAES集成提供了足够的灵活性。这意味着集成不仅有可能通过应用提高燃气轮机性能的技术来提高热经济性，而且还可以衍生出改进和创造新的形式，从而带来额外的效益。

因此，我们将CFPP和CAES系统的集成定义为CFPP和CAES系统的联合循环（CFPP-CAES联合循环），并对提议的CFPP-CAES联合循环做进一步解释。与燃气-蒸汽联合循环等传统联合循环不同[28]，底部循环由顶部循环驱动，它们不是相互独立的。在CFPP-CAES联合循环中，两个循环之间发生能量相互作用，以提高能源使用效率。ESS和热电机组都可以单独运行。它们之间可以紧密耦合，也可以部分解耦，自由度和灵活性高，能够更好地满足实际运行场景的需求。因此，CAES循环被视为一个插入CFPP循环的补丁，它们的集成是CAES技术和CFPP可持续发展的有效方法，在能源结构转型过程中发挥重要作用。CFPP的温度变化范围大并有大量可能的结合点，这为系统设计和优化提供了极大的灵活性和自由度，可以实现不同的目的和效益。基于上述分析，对于CAES和CFPP的集成，除了温度匹配和级联利用的基本设计原则外，还应根据具体应用场景的需求和特点，对系统设计和运行进行改进。

2.2 技术优势

将CAES系统集成到CFPP中实现多种能源相互作用，预计具有以下三个方面的优势：

（1）增强调控能力。CAES系统吸收和释放能量的能力扩大了CFPP的运行范围。最低和最高发电能力均得到提高。此外，CAES系统的快速响应补充了CFPP在多时间尺度功率调控方面的不足。可以降低停机和快速爬坡的频率。

（2）提高热经济性。在与CFPP集成之后，可以更适当地使用压缩热。此外，由于克服了充放电子系统之间的技术参数限制，CAES系统的设计更加灵活，运行更加高效，可以实现更好的性能。

（3）更好的经济性。CFPP可以借助CAES系统降低调控压力，从而可以延长设备部件的使用寿命。对于CAES系统来说，集成降低了储热的投资成本。此外，可以共用火力发电厂现有的配套设施和人员。通过合理的资源配置，可以降低CAES系统的征地和人力成本。此外，面对特定的场景特性和需求，该系统可以通过调整系统运行方式提供更多的能源产品，进一步提高经济效益。

3 三联产CFPP-CAES系统的描述

本文提出并研究了一种基于CFPP-CAES联合循环的三联产系统。选取典型的350 MW亚临界火电机组和20 MW CAES系统作为研究对象。该CAES系统的主要参数见参考文献[27]。设计点的主要参数如表1和表2所示。

三联产系统的示意图如图1所示。它有三种主要运行模式来应对不同的场景需求。

（1）模式1：发电。发电模式适用于没有供热或制冷需求的场景，如过渡季节或气候舒适的地区。在这种情况下，多余的电力用于驱动压缩机工作，将电能转化为压力和热能。高温压缩空气与冷凝水或给水进行热交换，以利用火力发电机组中的压缩热，因而无需设置额外的储热罐。冷却后，压缩空气流入储气罐供以后使用。为实现压缩热的合理梯级利用，采用三级中冷器，其冷源为CFPP给水系统不同点的水。图1是在一种可能方案下提出的集成系统结构。Ain、Bin和Cin是指三级中冷器CFPP给水系统冷源的提取位置；Aout、Bout和Cout分别是它们与CAES系统热交换后的组合位置。在高峰时段，CAES系统以放电模式运行，并与CFPP联合供电。在这些条件下，火力发电机组释放并预热加压空气，以增强其工作能力。同样，在每个膨胀机之前用两个加热器进行级联加热。低温和高温热交换器的热源分别是给水和蒸汽。Din和Ein是CFPP中的两个预热器的热源位置；Dout和Eout分别指加热空气后的回注点。这些结合点有许多选择，不同的选择对系统性能产生的影响不同。因此，详细的方案描述将在后面的章节中给出，并进行具体讨论、比较和分析。

（2）模式2：热电联产。在冬季或寒冷地区，用户既有生活热水需求，又有采暖需求，总的热负荷较高。在这种情况下，系统可以切换到热电联产模式。在充电过程中，低品位压缩热用于为用户供热，而中高温部分则用于模式1，无需将所有回收的压缩热注入给水系统。随着热负荷的增加，可以改变三级中冷器之间的换热量，以满足实际需要，追求更好的效益。在放电过程中，CAES系统与CFPP的集成形式和运行机制与模式1相同。CAES系统激活后，可以释放存储的能量并提高CFPP的总上网电量。

（3）模式3：冷电联产。该模式适用于同时需要电力和冷能的场景，如在夏季或炎热地区。如模式1所示，在充气过程中，产生的压缩热被完全注入蒸汽和水循环中。在放电阶段，调节CFPP的吸热，降低空气出口温度并提供冷能。

4 模型开发

4.1 热力学分析模型

4.1.1 CAES系统模型

传统的A-CAES系统主要部件包括多级空气压缩机和膨胀机、热交换器、空气储罐和热存储装置。在与CFPP集成后，由于回收的压缩热被直接使用，因此移除了热存储罐。为了简化模型，本研究做了以下假设：①将空气视为符合理想气体状态方程的理想气体；②压缩机和膨胀机中的压缩和膨胀过程都是绝热的；③忽略了管道中工作介质的散热和压力损失；④节流过程是等焓的。本文中使用的模型主要是根据以前的研究[29‒30]开发的，这些研究已经过实验验证。建模时还考虑了系统非设计特性[31‒32]。系统中每个组件的详细模型见附录A第S2节。

在多种能源联产模式下，热能和冷能输出（Q heat,out和Q cool,out）可以用等式计算。（1）和（2）。

Q h e a t , o u t = ∫ 0 t c h m c ( h c , i n - h c , o u t )   d t
Q c o o l , o u t = ∫ 0 t d i s m e ( h e , o u t - h e , i n )   d t

式中，t表示持续时间；下标“ch”和“dis”分别表示充电和放电阶段；m是空气质量流量，单位为kg∙s-1；h是空气焓，单位为kJ∙kg-1；下标“c”和“e”表示压缩和膨胀过程；下标“in”和“out”表示供热/冷的空气流动方向。

4.1.2 CFPP模型

对于CFPP，用质量和能量平衡方程，然后使用工作物质性质和排出蒸汽提取压力的经验关系。在参考文献[33]的基础上，附录A第S2节给出了在与CAES系统集成的情况下燃煤发电机组的详细公式。

4.1.3 模型验证

通过比较模拟结果与参考研究中的设计数据，CAES系统模型[27]得到验证。我们获得了主要参数的结果，并与相关文献的结果进行了比较，详见附录A的表S1。关于CFPP的模型验证，附录A的表S2列出了一个350 MW发电厂在不同工况下与制造商数据进行比较的验证结果。计算结果的最大误差是可接受的。因此，模型可以满足热力学分析的精度要求。

4.1.4 热力学指数

采用系统功率效率（SPE）和RTE来评估CAES系统与CFPP集成前后的性能[34‒35]。

SPE定义为CAES系统在放电过程中的总电力输出与充电阶段的总电力输入之比。它描述了ESS的电能转换效率。由于火力发电机组集成后工作状态发生变化，因此在指标计算中还考虑了两个过程的发电量的变化，如方程式（3）所示。

S P E = ∫ 0 t d i s ( P e + P C F P P , d i s - P C F P P , d i s , 0 )   d t ∫ 0 t c h ( P c + P C F P P , c h , 0 - P C F P P , c h )   d t

式中，P为耗电量或发电量，单位为kW；下标“0”表示未集成时的原始CFPP。

RTE用于从多种能源互补和综合利用的角度对系统进行评估。它被定义为总能量输出与输入的比率。同样，在指标计算中考虑了系统集成对火力发电机组的积极和消极影响。在SPE的基础上，能量输出还包括热能Q heat和冷能Q cool的产生。根据热力学第一定律，能量的使用可能导致RTE大于1，因此，所有的能量输入和输出都被转换成电能以简化计算。具体来说，就是将制冷和制热供应转换为使用传统热泵产生相同数量的能量可以节省的电能。copheat和copcool分别是制热和制冷的性能系数，如参考文献[36]所提出的近似值，它们被认为分别等于3.5和3.0。此外，由于与CAES系统的热集成，CFPP锅炉的煤耗发生了变化。使用热耗率计算煤耗变化产生的等效发电量或消耗量，热耗率定义为锅炉总吸热量与总发电量之比。计算公式如下：

R T E = ∫ 0 t d i s ( P e + P C F P P , d i s - P C F P P , d i s , 0 ) + Q c o o l c o p c o o l + Δ P e q u i , d i s d t + ∫ 0 t c h Q h e a t c o p h e a t d t ∫ 0 t c h ( P c + P C F P P , c h , 0 - P C F P P , c h - Δ P e q u i , c h )   d t
Δ P e q u i = 3600 × ( Q b o i l e r , 0 - Q b o i l e r )   /   H R 0

式中，Q boiler表示锅炉的吸热量，单位为kW；HR表示CFPP的升温速率，单位为kJ∙kW-1∙h-1；下标“equi”表示与CAES系统集成前后由煤耗变化产生的等效功率。

4.2 经济分析模型

4.2.1 成本模型

集成后CAES系统的成本包括初始投资成本C fixed和后期运营成本C ope [37]。初始投资成本可以进一步分为设备购置成本C eq、土地购置成本C land和工厂建设成本C con。运行成本可分为储能用电成本C ele、设备维护C ma和人工成本C labor。CAES系统的成本模型表示如下：

C f i x e d = C e q + C l a n d + C c o n
C o p e = C e l e + C l a b o r + C m a

（1）设备成本。独立CAES系统的主要部件包括多级压缩机、膨胀机、中冷器、热交换器以及蓄热和蓄冷罐。成本函数列于附录A的表S3中[38‒39]。需要注意的是，与火力发电机组集成后可以减少对储热罐的投资。

（2）土地和建厂成本。土地购置成本可以通过土地单价乘以覆盖面积来估算。共用火力发电厂的土地资源有助于减少这一投资。我们假设集成后，土地购置及人工成本降低至独立运营模式的80%。

（3）运营成本。维护成本约为CAES系统固定投资成本的1%~5% [40]。劳动力成本可以根据工人数量和每人每年的工资来确定。同样，集成后人力资源可以共享，因此降低了运营成本。此外，复杂的集成将加重运维负担。因此，作为近似值，为集成模式选择了较高的维护成本系数。

（4）储能用电成本。储能用电成本是指充电阶段的能源消耗成本。独立的CAES系统总是从电力系统购买谷电，并在高峰时段出售放电过程中产生的电力进行套利。因此，储能成本通过用电量和谷电单价计算。集成后，同一个ESS吸收了火力发电机组生产的电量，导致上网电量减少。因此，储能成本被定义为由于与CAES系统集成而导致的CFPP售电效益降低的值。

4.2.2 收益模型

在独立运行模式下，CAES系统出售放电阶段产生的电力，其收益来自电网。集成后，能源生产交易收入B sell还包括供暖和制冷的收益。此外，ESS在辅助服务市场为电力系统提供更大的灵活性也会产生额外收入。辅助服务B subsidy包括调频和调峰收入。对于独立的CAES系统，调峰收入是通过在谷时充电、峰时放电利用电价套利获得的。而对于集成的CAES系统，它被视为火力发电厂的配套辅助系统，并采用相应的CFPP计算方法。由于调频收入没有统一固定的计算方法，这里采用了近似值。此外，由于集成后能源利用更加充分，节省的煤炭和伴随的污染物排放减少在总效益计算中带来两个额外项目：燃煤节约利润B coal和污染物减排利润B emis。与火力发电机组集成后，CAES系统的总效益B tot计算模型表示如下：

B t o t = B s e l l + B s u b s i d y + B c o a l + B e m i s
B s e l l = p r i c e e l e ∫ P e l e d t + p r i c e h e a t ∫ Q h e a t d t + p r i c e c o o l × ∫ Q c o o l d t
B c o a l = p r i c e c o a l ∫ ( m c o a l , 0 - m c o a l )   d t
B e m i s = ∑ p r i c e e m i s ∫ ( m e m i s , 0 - m e m i s )   d t

式中，priceele（元∙kW-1∙h-1）、priceheat（元∙GJ-1）和pricecool（元∙GJ-1）表示电力、供暖和制冷的能源供应交易价格；pricecoal为标煤采购价格，单位为元∙kg-1；m coal为煤耗质量流量，单位为kg∙s-1；priceemis是污染物减排的收益，单位为元∙kg-1；m emis表示煤炭燃烧产生的常见污染物排放，单位为kg∙s-1。

4.2.3 经济指标

选择典型的动态投资回收期（DPP）和内部收益率（IRR）作为评价系统经济性的指标。投资回收期是指用投资计划产生的净现金流达到原始投资总额所需的最短时间。投资项目每年的净现金流量根据计算DPP时的基准回报率折算为现值。因此，DPP更准确，也更实用。IRR是资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于零时的折现率。它可以反映项目生命周期内每一年未收回投资的利润情况[41]。内部收益率越高意味着项目投资者获得的收益越高。这两个指数可以使用等式（12）和（13）计算。

∑ n = 0 D P P C I n - C O n ( 1 + r ) n = 0
∑ n = 0 N C I n - C O n ( 1 + I R R ) n = 0

式中，CI n 和CO n 为第n个运营年度的现金流入和流出，r为折现率，N为项目生命周期。

5 热力学分析与讨论

以下的研究旨在评估系统性能并分析这三种典型运行模式下的热力学特性。分析基于以下假设：CFPP的主蒸汽参数在与CAES系统集成前后保持不变。对CFPP的不同工况进行了研究并得出一般性结论。

5.1 发电

在发电模式下，CAES系统产生/吸收的所有热量都流入/来自CFPP蒸汽和水循环的不同位置。因此，本文讨论了CFPP不同工况的可能耦合方案。

5.1.1 充电过程方案探讨

与CFPP集成后，CAES系统产生的总压缩热根据温度等级通过三级中冷器级联使用。如图1所示，Ain和Aout的位置是固定的。第二级和第三级冷却器的可能方案如附录A中的图S3所示。因此，Bin和Bout的位置组合有六种可选方案，Cout的位置有三种可选方案。将空气加热的水注入给水加热器（HTR）-7入口，此方案的焓增较小，要求水质量流量更大。为了确保CFPP运行安全，舍弃了这个方案。由于第二级和第三级冷却器的耦合位置是独立的，因此共有18种潜在的耦合方案，编号为s1~s18。这些方案的详细信息见附录A的表S4。可以看出，集成方案由Bin、Bout和Cout的位置决定。

在所有方案中，CAES子系统的工况保持不变，由于两个循环的组合方式不同，火力发电机组的参数有所变化。因此，在比较分析中，用火力发电机组的热耗率表示整体系统性能。由于CAES充电模式总是在谷时激活，此时，CFPP通常以较低的工况运行。为了满足实际运行需求，从集成前原始CFPP 35%到60%的热耗率验收（THA）工况，分别考虑和计算了六种工况。可以看出，所有方案和所有工况下的热耗率都有所降低，因为一些用于给水预热的蒸汽随着压缩热的流入而被排出。对这些方案进行分类、比较和分析，以探索其效果和规律。

回收的全部压缩热分为三部分分别使用。对于所有方案，第一级冷却器中的热交换是相同的，Bin的位置决定了第二级和第三级冷却器的热量分配。当Bin的位置固定时，Bout和Cout的位置反映了在与CAES系统进行等量的热交换的情况下，循环集成配置对系统性能的影响。基于上述分析，分别讨论了Bin、Bout和Cout的影响。

图2表明，如果Bin的位置不变，在选择Bout和Cout的位置时，提高回水温度对系统性能有积极影响。该规律适用于第二级和第三级冷却器。例如，当Bin和Bout的位置固定时，如方案s1、s2和s3所示，第一级和第二级冷却器的耦合方案相同，而第三级冷却器的回水流入给水系统中不同的温度等级的位置。随着三级冷却器回水温度的升高（即 T C o u t , s 1 > T C o u t , s 2 > T C o u t , s 3），CFPP的热耗率排序为HRs1 < HRs2 < HRs3。因此，与原始CFPP相比，热耗率的降低顺序为ΔHRs1 > ΔHRs2 > ΔHRs3。同样，当Bin和Cout的位置不变时，如方案s1、s4和s7所示，第一级和第三级冷却器的耦合方案相同，而第二级冷却器的回水耦合方案不同。随着第二级冷却器回水温度的升高（即 T B o u t , s 1 < T B o u t , s 4 < T B o u t , s 7），CFPP的性能排序为ΔHRs1 < ΔHRs4 < ΔHRs7。

本文还研究了Bin的影响。Bin的位置影响第二级和第三级冷却器的总热交换量。从计算结果可以看出，Bin中水温越低，性能越好。其原因是，当第二级冷却器从给水系统抽取温度较低的水作为冷源时，更多的压缩热被注入到给水系统的高温段。例如，在方案s7、s13和s16中，Bout和Cout的位置相同，而Bin的位置不同。随着Bin中水温的升高（即 T B i n , s 7 < T B i n , s 13 < T B i n , s 16），CFPP的热耗率降低顺序为ΔHRs7 > ΔHRs13 > ΔHRs16。

基于上述分析，建议增加流入给水系统高温段的热分布比例，同时尽可能提高回水温度，以获得更好的性能。这种已确定的规律性几乎适用于CFPP的所有工况。基于上述分析，考虑的CFPP的工况，充电过程的最佳耦合方案为s7。此外，对于所有方案，当CFPP在较低工况运行时，与CAES系统集成可以产生更高的热经济效益。

5.1.2 放电过程方案探讨

放电过程中使用了三级膨胀机和两级热预热器。压缩空气由水和抽汽级联预热。如附录A中的图S4所示，Din的位置可以选择除氧器（DEA）入口、HTR-5入口、HTR-6入口或HTR-7入口。对于所有方案，回水都被注入冷凝器，因此，Dout的位置保持不变。对于第二级加热器，Ein的位置可以从第一级或第二级抽汽中选择。其他阶段的蒸汽不满足温度要求，因此本研究没有考虑。预热后，水流入相应的疏水冷却器。因此，Eout的位置由Ein决定。共有8个方案，如附录A表S5所述，分别命名为s1~s8。由于CAES放电子系统总是在峰时工作，因此CFPP通常以较高的工况运行，从原始CFPP 75%到100%的THA工况，分别考虑和计算了六种工况，以获得一般结论。

可以看出，Din和Ein位置会影响系统性能，本文对此进行了讨论。图3显示了与未集成的原始CFPP相比，不同工况下的热耗率差异。由于从循环中提取了一些热能用于空气预热，因此发电量减少，相应的机组的HR高于原机组。因此，所有方案的ΔHR值均为正值。在第一种比较情况中，Din的位置固定而Ein变化，如果采用远离蒸汽涡轮机入口的抽汽点，如ΔHRs1 > ΔHRs2，则可以减少负面影响。在第二种比较情况中，Ein的位置固定而Din变化，当Din处具有高热源温度时，系统的性能更好，如ΔHRs1 < ΔHRs3 < ΔHRs5 < ΔHRs7。该规律性适用于不同的CFPP工况。此外，对于某种耦合方案，CFPP的工况越高，ΔHR值越低。这是因为随着位置Din处的热源的温度等级的增加，给水将取代蒸汽提供更多的热量。由于更多的高能蒸汽用于做功和发电，所以集成系统的性能得以提高。

从上述结果和分析中我们得出结论，如果使用给水系统的低品位水将空气预热到尽可能高的温度，并使用蒸汽作为补充来进一步加热空气，直到达到预期温度，系统性能会更好。此外，对于不同抽汽阶段提供的相同热量，使用远离蒸汽涡轮机入口的点可以获得更好的性能。因此，考虑到CFPP的工况，提出系统的最佳耦合方案是s2。此外，分析结果表明，在CFPP的高工况下运行，该系统性能可以得到进一步提高。

5.1.3 最优集成分析

以一个典型场景为例，以最优方案为基础对完整存储循环的集成系统进行热力学分析。场景设置为原始CFPP在35% THA工况下与CAES充电子系统集成，以及原始CFPP在100% THA工况下与放电子系统集成。详细计算结果见附录A的表S6和S7。与原始CFPP的主要参数相比，集成CFPP的主要参数的相对值列示在附录A的图S5中。可以看出，由于在充电过程中注入的压缩热，CFPP产生的电能增加了10.74 MW∙h。此外，集成后，一个周期的煤炭消耗减少2.85 t。火力发电厂上网总发电量减少了60.66 MW∙h。在放电阶段，由于压缩空气加热，CFPP的电能输出减少了12.55 MW∙h。尽管如此，总上网电能仍增加了3.55 MW∙h。与CFPP整合后，SPE降低至55.32%。这是因为在给水进入锅炉之前，压缩热的高温部分被用于预热给水。因此，火力发电机组在充电阶段发电量的增加小于其在放电阶段发电量的减少，从而影响一个循环中的总发电量。然而，当在计算中考虑燃煤节约效益时，系统RTE可以从64.58%提高到66.82%，表观增量为2.24%。结果表明，CFPP与CAES系统的集成有利于提高能源利用率。

5.2 热电联产

在热电联产运行模式下，压缩热被级联利用，流入汽水循环并供应热量。有关压缩热的利用对系统的影响的研究分为两个部分，即对第一级和第二级冷却器之间的热分配性能的影响，以及对第二级和第三级冷却器之间的热分配性能的影响。通过相应的调节阀改变第一级热交换器TTDIC,1和第二级热交换器TTDIC,2的终端温差（TTD），从而改变等量热能的热量分配和使用。

5.2.1 TTDIC,1的影响分析

为了研究第一级冷却器Q c,1和第二级冷却器Q c,2中总热交换之间的热分配的影响，我们固定了第二级和第三级冷却器Q c,3之间的温差，并增加了与第一级冷却器的温差。附录A中的图S6显示了在CFPP的不同工况下，Q c,1、Q c,2和Q c,3在总回收压缩热变化中的比例随TTDIC,1的变化而变化。我们发现，用于给水流入锅炉之前预热给水的Q c,1的量减少；流入蒸汽和水循环的Q c,2增加；并且在所有条件下，当增加TTDIC,1时，满足用户供热需求的供热量Q c,3固定不变。由于CFPP的工况越高，给水温度越高，因此前两级冷却器的热交换难度越大。因此，随着CFPP工况的提高，Q c,1和Q c,2的比例降低，而Q c,3的比例增加。

TTDIC,1对火力发电机组集成前后发电量差ΔPCFPP,ch的影响如附录A图S7所示，节煤总量的变化如附录A图S8所示。在一定条件下，更多的热量流入给水系统，需要从火电机组提取的蒸汽减少，从而产生更高的功率输出。然而，流入锅炉的给水的实际温度会降低。因此，在主蒸汽参数不变的情况下，煤耗增加，节煤效益降低。

关于对系统性能的总影响，SPE往往随着TTDIC,1的增加而增加（图4），因此储能成本降低。然而，RTE的综合能源利用表明，与直接流入给水系统相比，使用压缩热作为补充热源来降低煤耗的热力学经济性表现更好。这一结论适用于CAES充电子系统与研究中的所有CFPP工况的集成。此外，可以看出，在CFPP高工况下，SPE和RTE的值明显更大。

5.2.2 TTDIC,2的影响分析

研究Q c,2和Q c,3之间的热量分配的影响。第一级和第三级热交换器中的温差均保持恒定，通过调节冷水的质量流量改变第二级中的温差TTDIC,2。随着TTDIC,2的增加，通过第二级热交换器注入蒸汽和水循环的热量Q c,2减少，供热量Q c,3增加，如附录A中的图S9所示。随着TTDIC,2增加，CFPP循环吸收的压缩热减少，发电能力逐渐下降，如附录A中的图S10所示。因此，SPE值相应地降低。然而，供暖的正面效益大于其对电力生产的不利影响。因此，RTE值趋于增加，如图5所示。

其他CFPP工况下的热力计算结果也表现出相同的现象，进一步验证了上述结论。此外，当CFPP在较高工况运行时，TTDIC,2的影响减弱，因为相应耦合位置的给水温度随着工况的提高而升高。冷源温度等级较高，使得热交换器前两级中的最大可能热交换降低。因此，TTDIC,2对性能的影响变弱。然而，热电联产有助于在所有工况下显著提高效率。根据上述结果和分析，压缩热利用的合理优先级是，在给水流入锅炉之前压缩热被给水吸收以提高温度，其余热量优先用于供热以提高系统效率。也可以调整用于加热和流入CFPP循环之间的热量分配比例，以满足实际的热量需求。

5.3 冷电联产

由于与CFPP的集成打破了能量存储和释放过程之间的热耦合，所以可以根据实际需求调节空气膨胀器的入口温度。膨胀机的工作特性决定了如果入口温度降低，出口空气温度也相应降低，因此，冷空气具有为用户提供冷能的潜力。研究了排放过程中进气温度对系统的影响，以探索和分析冷电联产特性。为了消除充电过程的影响，在充电过程中，CAES的运行模式和CFPP的工况保持与第5.1.3节所述相同。

膨胀机T e,in的进气空气温度设定为140~180℃。随着T e,in的降低，高压和低压膨胀机的出气温度都随之降低。由于工作状态偏离设计点，空气膨胀机的工作效率和CAES系统的发电量相应降低。然而，较低的T e,in有利于产生更多的冷却能量。此外，压缩空气吸收的热量减少，CFPP的发电能力加强。例如，T e,in = 140 ℃，原始CFPP在80% THA条件下工作，产生了3.26 MW的冷却功率，代价是膨胀机减少3.64 MW的发电量和批建系统整体减少0.50 MW的发电量。可以看出，在P CFPP,dis和P e的双重影响下，产生冷却能量的成本相对较低。附录A中的图S11显示了CAES系统产生的冷能以及在不同工况下的放电过程中，与原始CFPP相比，系统总发电量变化ΔP tot,dis。

从系统性能的角度来看，由于冷能是以牺牲部分电力输出为代价产生的，因此SPE会降低（图6）。然而，由于供应冷能，RTE增加。此外，RTE随着产生的冷能的增加而增加。在上述情况下，RTE增加了2.13%，表明尽管牺牲了少量的电力输出，但冷电联产仍然对系统性能具有积极影响。其他工况的结果表现出相同的趋势。这意味着上述结论适用于不同工况，进一步证明了该系统的优势，且当CFPP以较高的负荷比运行时，性能提升更大。

6 技术经济分析

对于一个新系统，需要全面考虑其未来的市场化。本研究分析了基于CFPP-CAES联合循环的三联产系统的技术经济性。以夏季有制冷能源需求，冬季有供暖需求，过渡时期只有电力需求的中部地区作为典型应用场景。假设该系统每年运行300天。三种典型运行模式的持续周期相等，CAES系统以每天一个循环工作。膨胀机入口温度设定为150 ℃。为了考虑CFPP工况的影响，我们假设CFPP在每个季节具有不同峰谷特征的两种典型工况组合下工作。对于工况1，CFPP在与CAES充电和放电子系统集成之前的原始工况分别设置为40%和100% THA；对于工况2，CFPP在与CAES充电和放电子系统集成之前的原始工况分别设置为50%和80% THA。假设条件1和条件2中的每个季节的天数相同。

年发电量如表3所示，各项系统成本和效益结果如表4所示。可以看出，无需购置储热罐节省了219万元。与火力发电厂耦合集成后，CAES系统的固定初始成本可降低302万元。对于独立的CAES系统，谷时的电价为0.3 元∙kW-1∙h-1，峰时电价为0.8 元∙kW-1∙h-1。对于本文系统，CFPP的上网电价设定为0.36 元∙kW-1∙h-1；供热和制冷价格分别为90和115 元∙GJ-1；煤炭采购价格为1000 元∙t-1。计算中的补贴政策指的是东北地区典型的电力辅助服务市场运营规则[42]。结果表明，储能成本增加了14.6万元。此外，由于集成带来的多重收益，CAES系统的年总收益从1497.2万元增加到1713.4万元，增长了近14.43%。成本节约和效益增加的协同效益提高了系统经济性。在经济指标方面，DPP从21.70年减少到10.37年，减少了11.33年。此外，内部收益率从9.06%提高到14.26%，与独立CAES设施相比提高了5.20%。这些结果表明，所提出的CAES系统和CFPP集成的方案在热经济性和投资经济性方面都具有显著优势。

为了探索在具有不同季节特征的地区投资系统的价值，我们研究并分析了不同运行模式的持续时间的影响。发电、热电联产和冷电联产模式的持续时间分别表示为d ele、d heat和d cool。在本研究中，集成系统一年的总运行天数是固定的，因此，d ele + d heat + d cool = dtotal。

图7显示了DPP和IRR随区域季节特征的变化。当热电联产模式运行周期固定时，DPP值随着d cool的增加而减小，IRR值则相反。对于d heat = 75的情况，当d ele从225天减少到0天时，DPP从15.93年减少到13.37年，IRR从10.74%增加到11.99%。同样，当冷电联产模式的运行天数固定时，系统的经济性能随着d heat的增加而提高。上述结果表明，与仅发电相比，多能源生产有助于提高系统的经济性。此外，对于特定d ele，d heat越高经济性越好。这意味着系统可以通过热电联产获得更多的利润，因为冷能是以减少一些电力输出为代价产生的，因此整体效益受到影响。从以上分析中我们发现，对于大多数应用场景，集成系统的经济性能优于独立的CAES系统。此外，所提出的CAES和CFPP三联产集成系统在气候寒冷的地区更具投资价值。

7 结论

考虑到CFPP和CAES的特点和不足，本文首次提出了CFPP-CAES联合循环的概念，并分析了其热力学机制，对这种新型集成提供了深入的见解。在此基础上，本文提出了一种三联产系统，并对不同工况下的三种典型运行模式进行了热力学分析，以评估该新型系统并揭示其热转换和使用特性。最后，进行了在不同应用场景中产生效果的经济性评价，为投资和市场化提供指导。主要结论概述如下：

（1）确定了不同方案对系统性能的影响规律，并结合工况确定了最优方案。当CAES充电子系统与CFPP集成时，从给水系统的低温点提取水作为冷源，同时提高回水温度有助于获得更好的性能；在排放阶段，优先考虑用给水系统中的低品位水和蒸汽作为补充对压缩空气进行预热。对示例场景的详细热分析表明，与独立的CAES系统相比，每个循环可节省2.85 t煤，RTE提高了2.24%。

（2）热电联产可以进一步将系统效率RTE提高到77.5%以上，CFPP在高负荷比条件下工作时效益增加的幅度更大。此外，还获得了三级换热器中压缩热的利用对性能改善的贡献程度数据，即锅炉给水预热优于供热，供热优于进入CFPP给水系统。

（3）冷电联产也有助于提高系统性能。本文对不同工况下产生的冷能、CAES系统和CFPP的发电量变化以及由于供冷导致的系统总发电量的减少进行了定量研究。由于冷能生产以牺牲电能生产为代价，因此其对系统性能的贡献程度低于热电联产模式。总体来说，RTE可达69%，如果CFPP以较高的负荷比运行，效益会增加。

（4）与独立的CAES系统相比，与CFPP集成提高了经济效益。典型应用场景下，DPP可缩短11.33年，IRR可以提高5.20%。此外，文中还讨论了应用场景的影响，从技术经济的角度探索了先进系统在不同地区的适用性。结果表明，所提出的系统可以在多能源场景中获得更高的利润，特别是在热电联产的模式下。

本文从热经济和技术经济两个角度定性分析和定量论证了集成CFPP和CAES系统的技术优势。研究结果和结论为新型系统的设计、运行和投资提供了指导。

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