平 艷，江生科

(東方汽輪機有限公司，德陽 618000)

國家電力“十四五”發(fā)展規(guī)劃明確指出將構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，著力構(gòu)建新能源電力系統(tǒng)。目前國內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；男履茉椿緸橐燥L光儲電一體化為主題的電力綜合系統(tǒng)，但由于環(huán)境變化影響，風能和光熱資源在實際應用過程中明顯存在不穩(wěn)定性，因此儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的作用更加凸顯。目前國內(nèi)外應用的儲能技術(shù)基本以一定的介質(zhì)存儲電能，根據(jù)需要釋放所存能量，推動透平發(fā)電[1-2]。因此，開展儲能技術(shù)研究是目前電力體制改革的迫切需求，同時也是電網(wǎng)智能化和能源清潔化的關(guān)鍵所在。

自20世紀50年代開始儲能技術(shù)提出至今，國內(nèi)外均對其進行了大量研究[3]。研究主要從歐洲開始，日本、韓國等亞洲國家也相繼開展了儲能技術(shù)的研究[4-5]，且已有商業(yè)大規(guī)模運行的先例。從國內(nèi)來看，儲能技術(shù)研發(fā)起步較晚，多數(shù)集中在理論和小型試驗層面，目前還沒有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站[6-7]。

本文所設計的儲能空氣透平將成為國內(nèi)首臺投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能透平。其利用鹽穴儲存高壓空氣，在用電低谷時釋放能量，帶動透平做功發(fā)電，單臺規(guī)模為60 MW等級。工作介質(zhì)為環(huán)境空氣。

區(qū)別于常規(guī)火電機組采用水蒸氣為介質(zhì)，儲能空氣系統(tǒng)介質(zhì)為高壓空氣，是以O2、Ar和N2為主要組成成分的混合工質(zhì)，透平膨脹比高，參數(shù)變化大。因此，本文基于 Python語言開發(fā)了多級軸流透平一維通流設計程序，嵌入國際通用的REFPROP物性計算模塊，實現(xiàn)混合工質(zhì)軸流透平的初步通流設計。同時開發(fā)混合工質(zhì)生成程序，完成O2、Ar和N2為主要成分的混合工質(zhì)物性合成。隨后通過三維數(shù)值模擬校核該設計方案和物性參數(shù)，結(jié)果表明一維方案設計合理高效，混合工質(zhì)物性參數(shù)與商業(yè)大軟件計算結(jié)果吻合度高，大大節(jié)約了三維模擬調(diào)用物性參數(shù)的計算時間[8]，為未來儲能空氣透平的設計提供技術(shù)支持和有益參考。

1 輸入?yún)?shù)和方案設計

儲能系統(tǒng)應用夜晚用電低谷的電驅(qū)動壓縮機，將帶有增壓的空氣儲存在鹽穴中，在白天或者其他用電高峰時，將原增壓空氣換熱到滿足參數(shù)要求后使其進入透平做功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，做功后的空氣通過管道直接排向大氣。透平和發(fā)電機布置如圖1所示。

圖1 儲能空氣透平和發(fā)電機布置示意圖

在軸流透平的初步設計中，首先需要根據(jù)設計要求選取合適的參數(shù)進行一維計算。本文中的輸入?yún)?shù)主要包括通用性參數(shù)、物性參數(shù)、進出口參數(shù)以及各級參數(shù)。通用性參數(shù)屬于可選擇性參數(shù)，主要為了提高程序的通用性，包括流道擴張形式、損失模型參數(shù)等。物性參數(shù)包括工質(zhì)的名稱、成分等。進出口參數(shù)包括介質(zhì)流量、進口總壓總溫、出口壓力等。各級參數(shù)主要包括級反動度、流動系數(shù)、各級流量等。一維設計的主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 一維程序設計輸入?yún)?shù)

完成輸入文件的填寫，進行儲能空氣透平的設計，一維方案設計流程如圖2所示。

圖2 儲能空氣透平一維方案設計流程圖

通過調(diào)用國際通用的REFPROP物性計算模塊，采用應用企業(yè)自主開發(fā)的高效損失模型，完成一維方案的設計。

分析儲能空氣系統(tǒng)發(fā)電循環(huán)，得到低壓軸流透平的設計要求。透平的設計條件如表2所示。

表2 一維程序設計邊界條件

設計結(jié)果如圖3所示，最終采用8級變內(nèi)徑設計，中徑和頂徑相應逐步增大，形成擴張形通道。

圖3 儲能空氣透平一維方案子午示意圖

通流方案設計的示意圖如圖4所示。

圖4 儲能空氣透平通流結(jié)構(gòu)方案示意圖

2 物性參數(shù)驗證

如前文所述，區(qū)別于常規(guī)火電采用水蒸氣為介質(zhì)，儲能空氣系統(tǒng)介質(zhì)為高壓空氣，是以O2、Ar和N2為主要組成成分的混合工質(zhì)，透平膨脹比高，參數(shù)變化大，為非理想氣體，空氣在較大范圍內(nèi)的物性參數(shù)變化規(guī)律直接影響透平的性能分析結(jié)果，因此有必要建立一套準確的物性參數(shù)擬合方法，形成實際空氣的物性參數(shù)庫，應用于儲能空氣透平的三維數(shù)值模擬。儲能空氣的主要成分如表3所示。

表3 混合空氣組分

2.1 線性插值方法(W1)

采用線性插值的方法，通過溫度線性插值得到基本熱力物性數(shù)據(jù)，包括比熱容、導熱系數(shù)和動力黏度等。物性數(shù)據(jù)的上下限范圍將充分涵蓋純空氣透平的壓力和溫度變化范圍，即進口溫度Tin、出口溫度Tout和進口壓力pin、出口壓力pout，將儲能空氣的3種主要成分的熱力相關(guān)參數(shù)，即比熱容、導熱系數(shù)和動力黏度以多變函數(shù)的方式表達，進而應用到三維數(shù)值模擬的計算分析中。

下文將詳細說明工質(zhì)線性插值計算方法。已知物性參數(shù)進口溫度Tin、出口溫度Tout，延展進出口參數(shù)，以充分涵蓋空氣透平的溫度變化范圍。調(diào)用國際通用物性參數(shù)軟件，形成具有n個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)庫，擬合形成比熱容、導熱系數(shù)和動力黏度與溫度T之間的多次函數(shù)，根據(jù)工質(zhì)的不同組分，通過溫度得到其基本物性參數(shù)，在三維數(shù)值模擬時調(diào)用溫度或熵中的一個參數(shù)和基本物性參數(shù)，得到其他熱力物性參數(shù)，此種方法為W1。以N2為例，比熱容、導熱系數(shù)和動力黏度與溫度的函數(shù)關(guān)系式如圖5至圖7所示。

圖5 N2比熱容與溫度的函數(shù)關(guān)系圖

圖6 N2導熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系圖

圖7 N2動力黏度與溫度的函數(shù)關(guān)系圖

2.2 雙線性插值方法(W2)

為了充分涵蓋純空氣透平的壓力和溫度變化范圍，采用雙線性插值的方法計算空氣中3種主要成分O2、Ar、N2的熱力參數(shù)，根據(jù)壓力、熵得到其他熱力物性參數(shù)，圖8給出了插值方法的示意圖。

圖8 雙線性插值方法原理示意圖

下面詳細說明工質(zhì)雙線性插值計算方法。假設已知物性參數(shù)X和Y，求物性參數(shù)Z。首先求解X和Y方向的插值因子。

X方向的插值因子a1計算如下:

(1)

y1=yi-1,j-1+a1(yi,j-1-yi-1,j-1)

(2)

y2=yi-1,j+a1(yi,j-yi-1,j)

(3)

Y方向的插值因子a2計算如下:

(4)

z1=zi-1,j-1+a1(zi,j-1-zi-1,j-1)

(5)

z2=zi-1,j+a1(zi,j-zi-1,j)

(6)

z=z1+a2(z2-z1)

(7)

由公式(1)可以求得X方向的插值因子a1；接著由式 (2)和式(3)得到y(tǒng)1、y2，基于此得到Y(jié)方向的插值因子a2。隨后根據(jù)插值因子求解X和Y對應的Z值。具體方法是在X方向插值得到z1、z2，隨之在Y方向插值，即可得到。

基于雙參數(shù)型線插值原理，開發(fā)混合工質(zhì)生成程序，實現(xiàn)不同工質(zhì)的物性參數(shù)的擬合計算，獲得混合工質(zhì)的熱力參數(shù)，成分定義界面如圖9所示。其中儲能空氣透平按物質(zhì)的量分數(shù)進行混合。

圖9 混合工質(zhì)成分定義界面圖

由此獲得了滿足計算條件的混合工質(zhì)熱力參數(shù),其充分涵蓋了儲能空氣透平的壓力和溫度變化范圍，此種方法為W2。在三維數(shù)值模擬時直接調(diào)用生成空氣混合物物性參數(shù)，進行三維計算分析。

3 性能分析

為進一步驗證2種獲得儲能空氣熱力特性參數(shù)的方法，并研究所設計儲能空氣透平的氣動性能，以所設計的8級儲能透平為研究對象，進行三維數(shù)值分析。

3.1 數(shù)值計算方法

靜動葉葉柵區(qū)域采用商用軟件Ansys Meshing進行六面體多塊結(jié)構(gòu)化計算網(wǎng)格劃分，并在網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量上進行網(wǎng)格無關(guān)性的驗證，保證近壁面的首層網(wǎng)格滿足值Y+<1，最終8級計算域網(wǎng)格為700萬，計算域網(wǎng)格示意圖如圖10所示。

圖10 計算域網(wǎng)格圖

3.2 性能參數(shù)指標

為了更好地分析2種方法獲得的物性參數(shù)的準確性，首先給出分析過程中關(guān)鍵參數(shù)的定義。

焓值誤差系數(shù)計算如下：

(8)

式中：H0,2為各級進出口靜焓，根據(jù)三維計算結(jié)果直接得到；Href為各級進出口參考靜焓，即國際通用軟件REFPROP焓值，根據(jù)各級進出口壓力、溫度或者另外一個熱力參數(shù)，調(diào)取REFPROP查取參考焓值。

各級焓降誤差系數(shù)計算如下：

(9)

式中：H0為各級入口靜焓；H2為各級出口靜焓。

流動系數(shù)計算如下：

(10)

式中：Vx為各級出口軸向速度；U為各級出口圓周速度。

反動度計算如下：

(11)

3.3 數(shù)值計算分析

采用商用軟件ANSYS CFX進行整個計算域的雷諾時均NS方程定常求解，并應用恰當?shù)耐牧饔嬎隳Ｐ蛯Ψ匠探M進行封閉。對整體計算域網(wǎng)格進行RANS方程的數(shù)值求解。湍流模型為SST剪切輸運模型，SST模型考慮了湍流剪切應力，不會對渦流黏度造成過度預測，特別適用于要求高精度邊界層的模擬。離散格式為高精度格式，壁面處理方式選擇絕熱無滑移光滑壁面。在計算過程中，計算域進口給定總壓、總溫，并按照進口面均勻處理，出口邊界條件根據(jù)機組整體方案取靜壓出口，參考壓力為0。周期面為旋轉(zhuǎn)周期，交界面為STAGE連接，分析在高性能計算服務器上完成。計算介質(zhì)為混合工質(zhì)空氣。

統(tǒng)計各級進出口焓值，計算各級焓降誤差系數(shù)，結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，采用W1方法所計算得到的各級進出口焓值與參考焓值在首級差異較小，絕對值小于0.1%，隨著各級與首級間膨脹比的增大，誤差系數(shù)逐步增大，在第8級進口焓誤差系數(shù)絕對值增大至約7.41%，出口焓誤差系數(shù)增大到約8.5%，超出誤差可接受范圍。采用W2方法所計算得到的各級進出口焓值與參考焓值的差異絕對值基本在0.3%以內(nèi)，計算誤差小，各級分布均勻，能夠滿足計算要求。

(a)各級進口焓誤差系數(shù)分布圖

統(tǒng)計各級出口壓力與入口壓力的膨脹比，結(jié)果如表4所示。對比焓值誤差系數(shù)，膨脹比在2以內(nèi)時，采用W1方法計算得到的焓值與參考焓值之間的誤差較小，而膨脹比在2以上時，采用W1已不能滿足熱力計算的要求，物性參數(shù)誤差較大。

表4 各級膨脹比

W2方法計算得到的典型級次入口面焓值分布如圖12所示，從圖12中可以看出，各級焓值分布較為均勻。

(a)第3級 (b)第4級

因此，以W2分析所設計的儲能空氣透平的氣動性能。統(tǒng)計各級焓降誤差系數(shù)，結(jié)果如圖13所示，各級焓降誤差系數(shù)基本在0.02%以內(nèi)，滿足性能分析的誤差要求。

圖13 各級焓降誤差系數(shù)分布圖

所設計的儲能空氣透平的典型參數(shù)如圖14所示。三維計算的特性參數(shù)反動度和流動系數(shù)與一維方案趨勢基本一致，吻合度高。一維設計方案設計合理，應用W2獲得物性參數(shù)在用于三維計算時準確度高。

(a)各級計算反動度與一維方案對比

4 結(jié) 論

本文針對儲能空氣透平的設計和混合工質(zhì)空氣物性參數(shù)進行了研究，形成以下結(jié)論：

1)在所設計透平膨脹比接近10.0的前提下，提出2種針對空氣混合工質(zhì)的可用于三維數(shù)值模擬的參數(shù)數(shù)據(jù)庫分析方法，其中利用雙線性插值方法所開發(fā)的物性軟件在用于三維數(shù)值模擬時，焓值計算誤差小，各級進出口物性參數(shù)分布均勻，計算結(jié)果準確。

2)開發(fā)了混合工質(zhì)生成程序，完成O2、Ar和N2為主要成分的混合工質(zhì)物性合成。隨后通過三維數(shù)值模擬校核該設計方案和物性參數(shù)，結(jié)果表明一維方案設計合理高效，混合工質(zhì)物性參數(shù)與商業(yè)大軟件吻合度高，大大節(jié)約三維模擬調(diào)用物性參數(shù)的計算時間，為未來儲能空氣透平的設計提供技術(shù)支持和有益參考。