儲能空氣透平設計和混合工質物性研究

平 艷，江生科

(東方汽輪機有限公司，德陽 618000)

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

自20世紀50年代開始儲能技術提出至今，國內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的研究[4-5]，且已有商業大規模運行的先例。從國內來看，儲能技術研發起步較晚，多數集中在理論和小型試驗層面，目前還沒有投入商業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首臺投入商業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，帶動透平做功發電，單臺規模為60 MW等級。工作介質為環境空氣。

區別于常規火電機組采用水蒸氣為介質，儲能空氣系統介質為高壓空氣，是以O2、Ar和N2為主要組成成分的混合工質，透平膨脹比高，參數變化大。因此，本文基于 Python語言開發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，實現混合工質軸流透平的初步通流設計。同時開發混合工質生成程序，完成O2、Ar和N2為主要成分的混合工質物性合成。隨后通過三維數值模擬校核該設計方案和物性參數，結果表明一維方案設計合理高效，混合工質物性參數與商業大軟件計算結果吻合度高，大大節約了三維模擬調用物性參數的計算時間[8]，為未來儲能空氣透平的設計提供技術支持和有益參考。

1 輸入參數和方案設計

儲能系統應用夜晚用電低谷的電驅動壓縮機，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要求后使其進入透平做功，驅動發電機發電，做功后的空氣通過管道直接排向大氣。透平和發電機布置如圖1所示。

圖1 儲能空氣透平和發電機布置示意圖

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

表1 一維程序設計輸入參數

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

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

分析儲能空氣系統發電循環，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

設計結果如圖3所示，最終采用8級變內徑設計，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構方案示意圖

2 物性參數驗證

如前文所述，區別于常規火電采用水蒸氣為介質，儲能空氣系統介質為高壓空氣，是以O2、Ar和N2為主要組成成分的混合工質，透平膨脹比高，參數變化大，為非理想氣體，空氣在較大范圍內的物性參數變化規律直接影響透平的性能分析結果，因此有必要建立一套準確的物性參數擬合方法，形成實際空氣的物性參數庫，應用于儲能空氣透平的三維數值模擬。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據，包括比熱容、導熱系數和動力黏度等。物性數據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參數，即比熱容、導熱系數和動力黏度以多變函數的方式表達，進而應用到三維數值模擬的計算分析中。

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

圖5 N2比熱容與溫度的函數關系圖

圖6 N2導熱系數與溫度的函數關系圖

圖7 N2動力黏度與溫度的函數關系圖

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，根據壓力、熵得到其他熱力物性參數，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

下面詳細說明工質雙線性插值計算方法。假設已知物性參數X和Y，求物性參數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y1、y2，基于此得到Y方向的插值因子a2。隨后根據插值因子求解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。

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

圖9 混合工質成分定義界面圖

由此獲得了滿足計算條件的混合工質熱力參數,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。在三維數值模擬時直接調用生成空氣混合物物性參數，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，進行三維數值分析。

3.1 數值計算方法

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

圖10 計算域網格圖

3.2 性能參數指標

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

焓值誤差系數計算如下：

(8)

式中：H0,2為各級進出口靜焓，根據三維計算結果直接得到；Href為各級進出口參考靜焓，即國際通用軟件REFPROP焓值，根據各級進出口壓力、溫度或者另外一個熱力參數，調取REFPROP查取參考焓值。

各級焓降誤差系數計算如下：

(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，并應用恰當的湍流計算模型對方程組進行封閉。對整體計算域網格進行RANS方程的數值求解。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，出口邊界條件根據機組整體方案取靜壓出口，參考壓力為0。周期面為旋轉周期，交界面為STAGE連接，分析在高性能計算服務器上完成。計算介質為混合工質空氣。

統計各級進出口焓值，計算各級焓降誤差系數，結果如圖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，誤差系數逐步增大，在第8級進口焓誤差系數絕對值增大至約7.41%，出口焓誤差系數增大到約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，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分布圖

統計各級出口壓力與入口壓力的膨脹比，結果如表4所示。對比焓值誤差系數，膨脹比在2以內時，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。統計各級焓降誤差系數，結果如圖13所示，各級焓降誤差系數基本在0.02%以內，滿足性能分析的誤差要求。

圖13 各級焓降誤差系數分布圖

所設計的儲能空氣透平的典型參數如圖14所示。三維計算的特性參數反動度和流動系數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 論

本文針對儲能空氣透平的設計和混合工質空氣物性參數進行了研究，形成以下結論：

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的可用于三維數值模擬的參數數據庫分析方法，其中利用雙線性插值方法所開發的物性軟件在用于三維數值模擬時，焓值計算誤差小，各級進出口物性參數分布均勻，計算結果準確。

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