中國儲能網(wǎng)訊：主要介紹哈汽公司自主研發(fā)的大容積流量300MW壓縮空氣儲能二次再熱空氣透平。該空氣透平能夠滿足壓縮空氣儲能系統(tǒng)全滑壓運(yùn)行并且全過程額定功率發(fā)電的需求。啟停靈活，能夠適應(yīng)系統(tǒng)頻繁啟停的運(yùn)行模式。該空氣透平氣耗率低，有很強(qiáng)的市場競爭力。
新型非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能全過程無污染和排放，具有大容量、高效率、長壽命、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具潛力的發(fā)展方向之一。開展新型非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，有利于提升電力發(fā)展質(zhì)量和效益、全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。300MW新型壓縮空氣儲能是目前非補(bǔ)燃壓縮空氣儲能領(lǐng)域單機(jī)功率最大、儲能規(guī)模最大的項目，必將成為壓縮空氣儲能領(lǐng)域的重要支撐。300MW空氣透平作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的核心設(shè)備，同樣有著廣闊的市場前景。本文針對哈汽公司自主研發(fā)的300MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)二次再熱空氣透平設(shè)計方案進(jìn)行介紹。
1 整體方案
該300MW空氣透平機(jī)組為二次再熱、單軸、兩缸、軸排透平機(jī)組，是融合哈汽公司最新研制的火電、核電汽輪機(jī)技術(shù)，重新優(yōu)化完善各氣缸閥門模塊設(shè)計而成的。機(jī)組整體布置如圖1所示。
300MW空氣透平屬于大容積流量透平，主要具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
（1）與蒸汽透平相比，空氣透平總焓降小、質(zhì)量流量大、再熱次數(shù)多、通流級數(shù)少，單級葉片做功負(fù)荷大。
（2）與燃?xì)馔钙较啾龋諝馔钙皆贌岽螖?shù)多、膨脹比大、通流級數(shù)多。
（3）壓縮空氣儲能循環(huán)過程中有熱量剩余，空氣透平主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為氣耗率，而非熱耗率，設(shè)計過程中要盡量提高效率、減少漏氣，降低整體氣耗率。
（4）壓縮過程耗功多，建立壓力付出代價大，空氣透平進(jìn)氣、排氣過程要盡量減少壓損。
（5）空氣透平無回?zé)嵯到y(tǒng)。
（6）空氣透平要求啟停頻繁、啟動和變負(fù)荷速度快，設(shè)計過程中要同時兼顧啟停、壽命和經(jīng)濟(jì)性問題。
（7）空氣透平要求具有在全滑壓范圍內(nèi)保持額定負(fù)荷運(yùn)行的能力。
2 本體結(jié)構(gòu)
2.1 高壓缸模塊
該機(jī)組的高壓模塊為雙分流結(jié)構(gòu)，共有2×8級反動式壓力級，壓力級的隔板分別裝入隔板套的環(huán)形凹槽中。機(jī)組第4級后設(shè)有補(bǔ)氣口。高壓缸模塊技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）通流采用反動式全三維設(shè)計技術(shù)，進(jìn)一步提高高壓缸效率。
（2）各級動葉采用倒Ｔ型葉根，漏氣損失小。
（3）缸體設(shè)計借鑒AP1000高壓缸和超超臨界660MW中壓缸技術(shù)。
（4）高壓缸2×180°切向渦殼進(jìn)氣技術(shù)：渦殼結(jié)構(gòu)能夠減小進(jìn)口部分的流動損失，并優(yōu)化第一級徑向葉片空氣的出口?？諝庠谒俣群头较虿话l(fā)生驟變的情況下流入葉片。在渦殼上的流量損失明顯降低，可允許提高空氣流速，并具有很高的動能轉(zhuǎn)換效率。這種流道特征結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使透平可采用緊湊堅固的結(jié)構(gòu)。
高壓模塊剖面如圖2所示。
主氣通過兩個裝在高壓缸兩側(cè)的主氣調(diào)節(jié)聯(lián)合閥進(jìn)入高壓缸。每個主氣調(diào)節(jié)聯(lián)合閥包括一個主氣閥、一個調(diào)節(jié)閥和一個補(bǔ)氣閥，如圖3所示。閥門通過調(diào)節(jié)閥的擴(kuò)壓延長段與氣缸相連。閥殼通過法蘭連接在外缸上。閥門與氣缸之間沒有蒸氣管道，結(jié)構(gòu)緊湊、損失小、附加推力小。主氣閥是保安系統(tǒng)的一部分，并且是“力作用打開”的設(shè)計。主氣管道施加在閥上的力和力矩經(jīng)由氣缸和閥門支架傳遞到基礎(chǔ)上。
每個高壓主氣調(diào)節(jié)閥為一個主氣閥、一個調(diào)節(jié)閥和一個補(bǔ)氣閥組成，主氣閥是一個內(nèi)部帶有預(yù)啟閥的單閥座式提升閥，調(diào)節(jié)閥為單座平衡閥，補(bǔ)氣閥與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)相同。
調(diào)節(jié)閥通過進(jìn)氣法蘭與高壓缸相連，主氣離開調(diào)節(jié)閥通過進(jìn)氣導(dǎo)管進(jìn)入高壓缸。閥門與氣缸之間的進(jìn)氣導(dǎo)管很短，這有利于控制主氣閥關(guān)閉時引起的飛升轉(zhuǎn)速。新研制的高壓主氣調(diào)節(jié)閥總的壓損很小，經(jīng)濟(jì)性良好，能夠滿足最大通流量的要求，而且其力在全行程范圍內(nèi)都很小，能夠保證閥門的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 中低壓缸模塊
中低壓部分采用一個單層中低壓合缸結(jié)構(gòu)，中壓3級隔板，低壓2級隔板，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。中低壓氣缸是低合金鋼鑄件，并考慮到啟動和升負(fù)荷過程做了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，采用水平中分面螺栓連接結(jié)構(gòu)。在中壓部分的排氣側(cè)，氣缸貓爪固定在2號軸承座上，貓爪為上、下支承形式。中低壓氣缸和排氣缸通過垂直法蘭螺栓連接。在檢修的時候，中低壓缸和排氣缸的上半部可同時起吊而無需拆卸垂直法蘭上的螺栓。
排氣缸采用軸向排氣結(jié)構(gòu)以降低排氣流動損失。本方案在設(shè)計過程中對軸向排氣結(jié)構(gòu)和下排氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部流場分析對比，核算結(jié)果見表1。
相比下排氣結(jié)構(gòu)，軸向排氣結(jié)構(gòu)靜壓恢復(fù)系數(shù)和整機(jī)效率更優(yōu)。另一方面，采用軸向排氣結(jié)構(gòu)能降低機(jī)組運(yùn)行層和廠房的高度，有利于降低項目的投資成本。排氣缸為碳鋼結(jié)構(gòu)，3號軸承位于排氣缸內(nèi)，通過移除排氣缸頂部的檢修蓋板檢查3號軸承。排氣缸固定在基座上。排氣缸的結(jié)構(gòu)及氣動分析效果如圖5、圖6所示。
2.3 滑銷系統(tǒng)
機(jī)組2號軸承箱設(shè)為絕對死點(diǎn)。在2號軸承箱內(nèi)設(shè)置推力軸承，整個軸系以此為死點(diǎn)向兩端膨脹。高壓缸受熱后以2號軸承座為死點(diǎn)向機(jī)頭方向膨脹，中低壓缸以2號軸承座為中心向排氣缸側(cè)膨脹。此種布置的高壓缸和中低壓缸既能保證氣缸與轉(zhuǎn)子向同一方向膨脹減小高、中壓氣缸動靜間的脹差，又能有效減小每個氣缸的絕對膨脹量，有利于機(jī)組快速啟動和變負(fù)荷。具體結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。
3 配氣調(diào)節(jié)方案
常用的配氣調(diào)節(jié)方式主要有全周進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)、全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥調(diào)節(jié)、噴嘴節(jié)流調(diào)節(jié)3種。對于300MW等級壓縮空氣儲能項目，一般利用廢棄的鹽穴等天然密閉的空間存儲壓縮后的空氣。在發(fā)電過程中，隨著儲氣庫內(nèi)的空氣量的減少，空氣的壓力也會逐漸降低，要求配套空氣透平必須具備整個發(fā)電周期能夠滑壓運(yùn)行并且保證滿負(fù)荷發(fā)電的能力。結(jié)合本項目的實際特點(diǎn)以及與其它配氣方案的計算比優(yōu)，確定本項目采用全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥調(diào)節(jié)的配氣方案。對比結(jié)果見表2。
透平從設(shè)計的進(jìn)氣壓力滑壓運(yùn)行，最終滑壓至最低壓力點(diǎn)，期間保持額定出力不變。根據(jù)上述計算對比，本項目采用全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥的進(jìn)氣調(diào)節(jié)方式。設(shè)計時設(shè)置一個補(bǔ)氣閥，當(dāng)主氣壓力達(dá)到額定壓力時，系統(tǒng)正常運(yùn)行，補(bǔ)氣閥關(guān)閉，空氣依次流過各級透平；當(dāng)主氣壓力低于額定壓力時，打開補(bǔ)氣閥，進(jìn)入系統(tǒng)的空氣一部分進(jìn)入第１級葉片并依次流過其它各級另一部分從補(bǔ)氣閥直接進(jìn)入某級后，然后流過各級，如此就可以通過增大機(jī)組流量保證機(jī)組整體出力不變?；驹砣鐖D8所示。
儲氣庫壓力隨發(fā)電時間變化是連續(xù)降低的狀態(tài)，那么在補(bǔ)氣閥開啟之前為了防止透平功率超過額定功率，就需要對主氣進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，控制進(jìn)氣流量；在補(bǔ)氣閥開啟后為了防止透平功率低于額定功率，就需要通過補(bǔ)氣閥對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。節(jié)流和補(bǔ)氣會引起效率損失，因此，在補(bǔ)氣閥開啟之前透平存在節(jié)流損失，在補(bǔ)氣閥開啟之后存在補(bǔ)氣損失，在整個發(fā)電過程中總的節(jié)流損失和補(bǔ)氣損失最小對應(yīng)的補(bǔ)氣閥開啟點(diǎn)壓力才是最合理的。
通過對比計算，得到平均氣耗率與補(bǔ)氣閥開啟點(diǎn)壓力關(guān)系曲線，如圖9所示。最優(yōu)的補(bǔ)氣閥開啟點(diǎn)壓力為7.35MPa。
4 總結(jié)
哈汽公司依托成熟的核電、火電機(jī)組技術(shù)，自主開發(fā)了適應(yīng)全滑壓運(yùn)行的300MW壓縮空氣儲能空氣透平，整體設(shè)計方案先進(jìn)、合理、可行，能夠滿足壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運(yùn)行需求，具有很好的市場推廣前景。
