储能空气透平设计和混合工质物性研究

2022-03-24江生科

热力透平 2022年1期

平艳，江生科

(东方汽轮机有限公司，德阳 618000)

国家电力“十四五”发展规划明确指出将构建清洁低碳安全高效的能源体系，着力构建新能源电力系统。目前国内能够实现规模化的新能源基本为以风光储电一体化为主题的电力综合系统，但由于环境变化影响，风能和光热资源在实际应用过程中明显存在不稳定性，因此储能技术在电力系统中的作用更加凸显。目前国内外应用的储能技术基本以一定的介质存储电能，根据需要释放所存能量，推动透平发电[1-2]。因此，开展储能技术研究是目前电力体制改革的迫切需求，同时也是电网智能化和能源清洁化的关键所在。

自20世纪50年代开始储能技术提出至今，国内外均对其进行了大量研究[3]。研究主要从欧洲开始，日本、韩国等亚洲国家也相继开展了储能技术的研究[4-5]，且已有商业大规模运行的先例。从国内来看，储能技术研发起步较晚，多数集中在理论和小型试验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站[6-7]。

本文所设计的储能空气透平将成为国内首台投入商业运行的压缩空气储能透平。其利用盐穴储存高压空气，在用电低谷时释放能量，带动透平做功发电，单台规模为60 MW等级。工作介质为环境空气。

区别于常规火电机组采用水蒸气为介质，储能空气系统介质为高压空气，是以O2、Ar和N2为主要组成成分的混合工质，透平膨胀比高，参数变化大。因此，本文基于 Python语言开发了多级轴流透平一维通流设计程序，嵌入国际通用的REFPROP物性计算模块，实现混合工质轴流透平的初步通流设计。同时开发混合工质生成程序，完成O2、Ar和N2为主要成分的混合工质物性合成。随后通过三维数值模拟校核该设计方案和物性参数，结果表明一维方案设计合理高效，混合工质物性参数与商业大软件计算结果吻合度高，大大节约了三维模拟调用物性参数的计算时间[8]，为未来储能空气透平的设计提供技术支持和有益参考。

1 输入参数和方案设计

储能系统应用夜晚用电低谷的电驱动压缩机，将带有增压的空气储存在盐穴中，在白天或者其他用电高峰时，将原增压空气换热到满足参数要求后使其进入透平做功，驱动发电机发电，做功后的空气通过管道直接排向大气。透平和发电机布置如图1所示。

图1 储能空气透平和发电机布置示意图

在轴流透平的初步设计中，首先需要根据设计要求选取合适的参数进行一维计算。本文中的输入参数主要包括通用性参数、物性参数、进出口参数以及各级参数。通用性参数属于可选择性参数，主要为了提高程序的通用性，包括流道扩张形式、损失模型参数等。物性参数包括工质的名称、成分等。进出口参数包括介质流量、进口总压总温、出口压力等。各级参数主要包括级反动度、流动系数、各级流量等。一维设计的主要设计参数如表1所示。

表1 一维程序设计输入参数

完成输入文件的填写，进行储能空气透平的设计，一维方案设计流程如图2所示。

图2 储能空气透平一维方案设计流程图

通过调用国际通用的REFPROP物性计算模块，采用应用企业自主开发的高效损失模型，完成一维方案的设计。

分析储能空气系统发电循环，得到低压轴流透平的设计要求。透平的设计条件如表2所示。

表2 一维程序设计边界条件

设计结果如图3所示，最终采用8级变内径设计，中径和顶径相应逐步增大，形成扩张形通道。

图3 储能空气透平一维方案子午示意图

通流方案设计的示意图如图4所示。

图4 储能空气透平通流结构方案示意图

2 物性参数验证

如前文所述，区别于常规火电采用水蒸气为介质，储能空气系统介质为高压空气，是以O2、Ar和N2为主要组成成分的混合工质，透平膨胀比高，参数变化大，为非理想气体，空气在较大范围内的物性参数变化规律直接影响透平的性能分析结果，因此有必要建立一套准确的物性参数拟合方法，形成实际空气的物性参数库，应用于储能空气透平的三维数值模拟。储能空气的主要成分如表3所示。

表3 混合空气组分

2.1 线性插值方法(W1)

采用线性插值的方法，通过温度线性插值得到基本热力物性数据，包括比热容、导热系数和动力黏度等。物性数据的上下限范围将充分涵盖纯空气透平的压力和温度变化范围，即进口温度Tin、出口温度Tout和进口压力pin、出口压力pout，将储能空气的3种主要成分的热力相关参数，即比热容、导热系数和动力黏度以多变函数的方式表达，进而应用到三维数值模拟的计算分析中。

下文将详细说明工质线性插值计算方法。已知物性参数进口温度Tin、出口温度Tout，延展进出口参数，以充分涵盖空气透平的温度变化范围。调用国际通用物性参数软件，形成具有n个数据点的数据库，拟合形成比热容、导热系数和动力黏度与温度T之间的多次函数，根据工质的不同组分，通过温度得到其基本物性参数，在三维数值模拟时调用温度或熵中的一个参数和基本物性参数，得到其他热力物性参数，此种方法为W1。以N2为例，比热容、导热系数和动力黏度与温度的函数关系式如图5至图7所示。

图5 N2比热容与温度的函数关系图

图6 N2导热系数与温度的函数关系图

图7 N2动力黏度与温度的函数关系图

2.2 双线性插值方法(W2)

为了充分涵盖纯空气透平的压力和温度变化范围，采用双线性插值的方法计算空气中3种主要成分O2、Ar、N2的热力参数，根据压力、熵得到其他热力物性参数，图8给出了插值方法的示意图。

图8 双线性插值方法原理示意图

下面详细说明工质双线性插值计算方法。假设已知物性参数X和Y，求物性参数Z。首先求解X和Y方向的插值因子。

X方向的插值因子a1计算如下:

(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计算如下:

(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；接着由式 (2)和式(3)得到y1、y2，基于此得到Y方向的插值因子a2。随后根据插值因子求解X和Y对应的Z值。具体方法是在X方向插值得到z1、z2，随之在Y方向插值，即可得到。

基于双参数型线插值原理，开发混合工质生成程序，实现不同工质的物性参数的拟合计算，获得混合工质的热力参数，成分定义界面如图9所示。其中储能空气透平按物质的量分数进行混合。

图9 混合工质成分定义界面图

由此获得了满足计算条件的混合工质热力参数,其充分涵盖了储能空气透平的压力和温度变化范围，此种方法为W2。在三维数值模拟时直接调用生成空气混合物物性参数，进行三维计算分析。

3 性能分析

为进一步验证2种获得储能空气热力特性参数的方法，并研究所设计储能空气透平的气动性能，以所设计的8级储能透平为研究对象，进行三维数值分析。

3.1 数值计算方法

静动叶叶栅区域采用商用软件Ansys Meshing进行六面体多块结构化计算网格划分，并在网格数量和质量上进行网格无关性的验证，保证近壁面的首层网格满足值Y+<1，最终8级计算域网格为700万，计算域网格示意图如图10所示。

图10 计算域网格图

3.2 性能参数指标

为了更好地分析2种方法获得的物性参数的准确性，首先给出分析过程中关键参数的定义。

焓值误差系数计算如下：

(8)

式中：H0,2为各级进出口静焓，根据三维计算结果直接得到；Href为各级进出口参考静焓，即国际通用软件REFPROP焓值，根据各级进出口压力、温度或者另外一个热力参数，调取REFPROP查取参考焓值。

各级焓降误差系数计算如下：

(9)

式中：H0为各级入口静焓；H2为各级出口静焓。

流动系数计算如下：

(10)

式中：Vx为各级出口轴向速度；U为各级出口圆周速度。

反动度计算如下：

(11)

3.3 数值计算分析

采用商用软件ANSYS CFX进行整个计算域的雷诺时均NS方程定常求解，并应用恰当的湍流计算模型对方程组进行封闭。对整体计算域网格进行RANS方程的数值求解。湍流模型为SST剪切输运模型，SST模型考虑了湍流剪切应力，不会对涡流黏度造成过度预测，特别适用于要求高精度边界层的模拟。离散格式为高精度格式，壁面处理方式选择绝热无滑移光滑壁面。在计算过程中，计算域进口给定总压、总温，并按照进口面均匀处理，出口边界条件根据机组整体方案取静压出口，参考压力为0。周期面为旋转周期，交界面为STAGE连接，分析在高性能计算服务器上完成。计算介质为混合工质空气。

统计各级进出口焓值，计算各级焓降误差系数，结果如图11所示。从图11中可以看出，采用W1方法所计算得到的各级进出口焓值与参考焓值在首级差异较小，绝对值小于0.1%，随着各级与首级间膨胀比的增大，误差系数逐步增大，在第8级进口焓误差系数绝对值增大至约7.41%，出口焓误差系数增大到约8.5%，超出误差可接受范围。采用W2方法所计算得到的各级进出口焓值与参考焓值的差异绝对值基本在0.3%以内，计算误差小，各级分布均匀，能够满足计算要求。