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压缩空气储能系统膨胀机调节级配气特性的数值解析与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的持续增长以及对可再生能源利用的迫切需求，高效的能源存储技术成为了能源领域的研究焦点。压缩空气储能系统（CompressedAirEnergyStorageSystem，CAES）作为一种大规模、长时储能技术，因其具有规模大、寿命长、建设周期短、站址布局相对灵活等优点，被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一，在未来能源系统中有望发挥重要作用，成为抽水蓄能在大规模储能电站领域的重要补充。

在压缩空气储能系统中，膨胀机是核心部件之一，其性能直接影响系统的整体效率和稳定性。膨胀机调节级的配气特性决定了气体在膨胀过程中的流量分配、压力变化以及能量转换效率等关键参数。深入研究膨胀机调节级配气特性，对于优化膨胀机设计、提高压缩空气储能系统性能、降低成本具有至关重要的意义。良好的配气特性能够使膨胀机在不同工况下高效运行，减少能量损失，提高系统的经济性和可靠性，从而推动压缩空气储能技术的大规模商业化应用。

1.2国内外研究现状

国外对压缩空气储能系统膨胀机调节级配气特性的研究起步较早，已形成了较为完善的理论体系和实践经验。美国、德国、法国等国家在相关技术的研发和应用方面处于领先地位。美国内华达州的PowerStack压缩空气储能电站，其膨胀机技术的高效性和稳定性备受关注；德国的慕尼黑工业大学、法国的巴黎综合理工学院等高校在膨胀机配气特性的理论研究和实验验证方面取得了显著成果，通过先进的数值模拟技术和实验手段，深入分析了不同配气方式下膨胀机的性能变化规律。

国内对压缩空气储能技术的研究始于本世纪初，随着国家能源战略的推进和可再生能源技术的不断发展，相关研究逐渐受到重视并取得了重要进展。中国科学院工程热物理研究所在膨胀机调节级配气特性研究方面取得了一定成果，采用调节流道静叶安装角的方法，提升了膨胀机的效率，揭示了不同基准压力和喷嘴配气方式下静叶安装角对膨胀机气动特性的影响规律。研究发现在特定基准压力条件下，调节静叶安装角可使膨胀机最大比功增幅显著。

然而，目前国内外的研究仍存在一些不足之处。一方面，对于复杂工况下膨胀机调节级配气特性的研究还不够深入，实际运行中的工况往往复杂多变，现有研究成果难以完全满足实际需求；另一方面，在膨胀机调节级配气特性与压缩空气储能系统整体性能的耦合关系研究方面还存在欠缺，尚未形成系统的理论和方法，无法全面准确地评估配气特性对系统性能的影响。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究压缩空气储能系统膨胀机调节级配气特性，揭示其内在机理和影响因素，为膨胀机的优化设计和高效运行提供理论依据和技术支持。具体研究内容如下：

数值研究方法建立：运用计算流体力学（CFD）方法，建立膨胀机调节级的数值模型，对控制方程、湍流模型等进行合理选择和验证，确保数值模型的准确性和可靠性，为后续的特性分析奠定基础。

配气特性分析：通过数值模拟，详细分析不同工况下膨胀机调节级的流量特性、比功特性和效率特性，研究调节流道对其他流道流量、总流量、比功以及内效率和总效率的影响规律，并与传统节流配气方式进行对比，明确喷嘴配气方式的优势和改进方向。

流动损失机理研究：深入分析调节级喷嘴配气时集气室各部分的流场特性，包括流线分布和总压分布，研究调节流道对集气室和叶栅流动损失的影响，揭示流动损失的产生机理，为降低能量损失提供理论指导。

案例验证与优化策略：结合实际压缩空气储能系统，选取典型案例进行数值模拟验证，根据研究结果提出膨胀机调节级配气特性的优化策略，如优化静叶安装角、改进流道结构等，以提高膨胀机的性能和压缩空气储能系统的整体效率。

二、压缩空气储能系统膨胀机调节级工作原理与结构

2.1压缩空气储能系统概述

压缩空气储能系统作为一种重要的大规模储能技术，主要由压缩机、膨胀机、储气装置、燃烧室及换热器、电动机/发电机以及控制系统和辅助设备等部分组成。在储能环节，利用风/光电或低谷电能带动压缩机工作，将空气压缩并储存起来，此时电能转化为空气的压力能，高压空气被密封存储于报废的矿井、岩洞、废弃的油井或者人造的储气罐等储气装置中。而在释能环节，储存的高压空气被放出，推动膨胀机运转，进而将空气压力能再次转化为机械能或者电能。在传统的压缩空气储能系统中，释能阶段需要在燃烧室内燃烧化石燃料来加热空气，以提高膨胀机入口空气的温度和焓值，从而实现高效发电。

在能源领域，压缩空气储能系统具有广泛的应用前景。一方面，它可用于电网调峰，在用电低谷期储存能量，在用电高峰期释放能量，有效平衡电力供需，提高电网运行的稳定性和可靠性，减少因电力供需波动导致的停电事故。另一方面，在可再生能源并网项目中，能有效解决风能、太阳能等可再生能源间歇