压缩空气储能系统中,膨胀机(空气透平)的配气方式直接影响系统的整体效率、运行经济性和负荷响应能力。针对压缩空气储能项目空气透平的结构特点,主要有三种配气方式:喷嘴配气、节流配气和节流+补气(旁通配气)。

1.喷嘴配气(喷嘴节流调节)
工作原理:空气透平高压进气段采用喷嘴分组的非全周进气方案,机组设有调节级,通过改变部分进气度的大小来影响机组的流量和级的进气压力、焓降。
特点:
优点:部分负荷下运行效率较高,最为经济的运行模式为"最小部分进气度下的滑压运行"
缺点:第一级(调节级)叶片在低负荷、最小部分进气时应力远大于额定负荷工况,加上部分进气的冲击载荷等因素,使该级叶片的动强度设计成为整个机组安全性的关键环节
适用场景:不推荐应用于压缩空气储能机组,因为压缩空气储能机组在单个循环周期内通常带基本负荷运行,功率维持不变,喷嘴配气方式不具备经济性优势。
2.节流配气(全周进气节流调节)
工作原理:机组采用全周进气的结构形式,无调节级,第一级叶片与其它级一样,其进气压力及焓降均与流量成正比。机组的运行模式为"定-滑压"的单阀控制模式,只能通过节流或滑压降低进气压力的方式调节气轮机的进气量及功率。
特点:
优点:全周进气的高压第一级叶片不存在部分进气引起的冲击载荷,叶片应力与机组负荷同步变化,该级叶片在任何工况下的应力水平处于安全状态,保证了高压第一级叶片的强度问题
缺点:存在较大的节流损失,运行经济性相对较低
应用案例:世界上首座非补燃式压缩空气储能电站——江苏常州金坛60MW级项目的空气透平采用了节流配气方式。
3.节流+补气(旁通配气/全周进气+补气阀调节)
工作原理:衍生于汽轮机的过载补汽技术(补汽阀技术),通过位于主气管道主气阀后的补气阀,引出部分高压空气至高压缸某中间级后,补气阀与主调阀类似,均由DEH控制其开度。在储气库压力下降一定比例后,通过开启补气阀保证空气透平维持额定出力水平。
特点:
优点:相较于节流配气方式,机组主气压力节流比例更低,运行经济性更好;旁路补气进入空气透平的入口采用水平对称布置方式,相应的机械应力水平较低,无需设计额外的应力裕度;储气库压力波动范围越大,经济性优势越明显,应对电网调峰调频指令的负荷响应能力更好
缺点:补气阀存在一定比例的节流损失
应用案例:300MW和350MW级大容量压缩空气储能项目推荐采用这种配气方式。哈汽公司自主研发的300MW压缩空气储能二次再热空气透平采用了全周进气+补气阀调节的配气方案,最优的补气阀开启点压力为7.35MPa。
三种配气方式对比
配气方式 进气方式 调节级 主要优点 主要缺点 适用场景 喷嘴配气 非全周进气 有 部分负荷效率高 调节级叶片应力大,冲击载荷 不推荐用于CAES 节流配气 全周进气 无 结构简单,叶片安全 节流损失大,经济性差 中小容量CAES项目 节流+补气 全周进气+中间级补气 无 经济性好,负荷响应快 补气阀有一定节流损失 大容量CAES项目
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