大容量压缩空气储能系统空气透平工艺结构及运行特性研究

空气透平膨胀机是蓄热式压缩空气储能(CAES)电站的核心组件。掌握空气透平膨胀机的宽工况运行特性对整个蓄热式压缩空气储能电站的精确调整和高效运行至关重要。目前我国自主研发制造了单机容量最大的空气透平膨胀机，并成功应用于全世界最大的蓄热式压缩空气储能示范工程———江苏金坛60MW级压缩空气储能电站。

随着压缩空气储能技术的进步和关键组件制造水平的提高，大容量长时储能的发展理念占据了主导地位。300MW级的蓄热式压缩空气储能电站(湖北应城、山东肥城等项目)是目前我国在建的最大单机容量的CAES工程。然而，随着系统单机容量的增大，许多关键组件的变工况运行特性无经验可依。作为最主要的核心组件之一，空气透平在负荷调节方式、膨胀比分配策略、主要参数选择等方面仍有诸多关键技术亟需解决。

数学建模研究和系统工艺仿真是优化以上关键问题的重要技术手段。在压缩空气储能领域，国内外的众多学者进行了大量的相关研究。张娜采用分析解方法建立了压缩机模型和燃气透平模型，精确模拟了燃气轮机的变工况特性。赵攀改进了张娜的模型系数，得到了适用于蓄热式压缩空气储能系统的高精度的压缩机及空气透平模型。这些模型在压缩空气储能领域得到了广泛的应用。然而，这些建模的对象主要针对燃机透平和小容量空气透平，与大容量空气透平无论在运行方式、参数等级和工艺系统等诸多方面均有较大的出入。

针对以上问题，本研究建立了大容量压缩空气储能系统空气透平膨胀机的宽工况运行模型，分析了不同的运行模式、参数等级和膨胀比分配策略对机组运行性能和调节特性的影响，对实际工程的开展和选型具有重要的指导意义。

1研究内容

本文的具体研究内容包括参数等级寻优及全工况运行方式寻优两个方面。

1.1参数等级寻优

空气透平的设计入口空气温度对系统工艺流程、电电效率、储换热介质及材料的选择、工程初投资和运行等诸多方面有着重要的影响。目前，中温方案(170℃)和高温方案(320℃)是目前工程领域最普遍采用的两种技术路线。江苏金坛60MW级压缩空气储能电站采用的是高温方案。

本文分别采用高温和中温方案进行透平系统建模，定量评估两种方案对透平工艺结构和关键技术参数的影响。

1.2全工况运行方式寻优

定压运行和滑压运行是压缩空气储能系统透平膨胀机的两种主要运行方式。最早的商运压缩空气储能电站———德国的Huntorf和美国的McIntosh电站均采用定压运行模式：在储气室出口设置节流阀，维持透平入口压力为2.0MPa左右;通常储气室的压力在4.0MPa～7.0MPa之间。这种设计方式主要是因为早期的压缩空气储能电站均采用带有燃气透平的补燃技术，而2MPa通常是燃机的设计入口压力，从而保证了燃机的高效稳定运行。而对于非补燃式的压缩空气储能系统，通常在空气透平入口不设置节流阀，采用滑压运行方式(江苏金坛60MW级压缩空气储能电站)，充分利用空气的压力势能而不产生节流损失，故储气室的压力往往较高(主要取决于盐穴的地质条件)。

本文针对效率较高的滑压运行模式建立了3种配气运行方式，优化储气室压力大幅变化条件下的配气方式：①全节流方式：按最低压力设计透平通流面积，全程节流运行;②全补气方式：按最高压力设计透平通流面积，全程补气运行;③节流+补气方式的运行配气方式：按拐点压力(节流阀全开而补气阀全关，但可能有一些重叠度)设计通流面积，随着储气室压力的降低，节流补气依次作用。

2 空气透平建模

本文采用经转速修正的弗留格尔公式对空气透平进行建模：

式中，Gt、nt、Tt、πt分别为空气透平的入口流量，kg/s、转速，r/min、入口温度，K和膨胀比;带下标0的变量代表各参数的设计值。

当流量偏离设计值时，级内效率必然发生变化，等熵效率的计算式为：

式中，ηt、ηt0分别为等熵效率的实际值和设计值;nt'、Gt'分别为无量纲折合转速和无量纲折合流量。

透平的出口温度为：

式中，Tt，out为空气透平出口温度，K;k为空气的绝热指数，取1.4。

透平的输出功率为：

式中，Wt为空气透的输出功率，MW;ht，out和ht，in分别为空气的出口和入口焓值，kJ/kg;ηmech为空气透平的机械效率，取0.99。

本文中空气透平的设计功率采用目前在建的最大单机功率300MW。

3 性能分析

3.1参数等级寻优

经建模计算，得到了两种技术方案下透平的工艺结构，如图1所示。采用高温方案时，需2级透平、1级再热;而中温方案则需3级透平、2级再热。可见高温方案可简化透平系统工艺结构，减少再热次数。相应地，透平的工艺改变同样会影响压缩机系统的工艺结构。两种方案对工艺结构的具体影响见表1。

不同技术方案对透平关键参数的影响见表2。高温方案的空气温度高(315℃)，单位质量空气的做功能力强(～519kW/kg)，故额定功率时(300MW)耗气量少(2137t/h)、气耗率低(7.123kg/(kW·h))。

值得注意的是中温方案的透平出口温度较低(～35℃)。

图1空气透平布置工艺

表1透平工艺比选

表2透平系统关键参数比选

当工况偏离设计值时可能发生出口温度过低的现象，导致转子的脆性损坏，故在设计时应考虑有效的手段防止运行中转子可能出现的脆性损坏。

对于储换热介质的选择：中温方案的透平入口温度为175℃，按照10℃的换热温差，换热介质的温度为185℃，可选高压水(>1MPa);高温方案的透平入口温度为315℃，换热介质应为熔盐或导热油，成本大幅增加。

3.2全工况运行方式寻优

图2所示为储气室压力运行范围下(6.5MPa～8.5MPa)的气耗率变化情况：①曲线1为全节流运行方式;②曲线2为全补气运行方式;③曲线3为节流+补气运行方式。

图2全工况运行气耗率

两种方案展示了相同的变化趋势：①全节流方式下，节流阀后压力不变，故气耗率恒定;②全补气方式下，通流面积按照最高压力设计，故气耗率随储气室压力的下降而升高，释能初始时效率最高;③节流+补气方式下，压力大于拐点值时气耗率不变;压力小于拐点值时气耗率随压力的下降而升高。

综合比较，节流+补气方式下气耗率最小的压力范围为6.8MPa～7.9MPa，大于全节流方式(6.5MPa～6.8MPa)和全补气方式(7.9MPa～8.5MPa)。这是因为节流+补气方式下流通面积按照拐点压力设计，故高效区间最大。

4 结论

本文定量分析了不同技术方案对大容量(300MW级)蓄热式压缩空气储能系统空气透平工作组在工艺结构、关键技术参数和全工况运行方式等方面的影响。结论如下：

(1)高温方案下空气透平需2级膨胀、1级再热，而中温方案下空气透平需3级膨胀、2级再热，但高温方案的换热介质为熔盐或导热油，相较于中温方案的高压水，初投资大幅提高。

(2)高温方案下单位质量空气的做功能力强，气耗率低，排气损失少，电电转化效率高。中温方案应注意变工况下有可能出现排气温度过低导致转子脆性损坏。

(3)节流+补气的配气运行方式的高效区间最大，为6.8MPa～7.9MPa。