壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)以二氧化碳為工質(zhì)，通過(guò)多級(jí)絕熱壓縮、等壓加熱、多級(jí)膨脹和等壓冷卻等過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和利用，具有儲(chǔ)能效率高，能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。
圖1為壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理。該系統(tǒng)包括散熱器、冷卻器、蓄冷換熱器、蓄冷罐、蓄熱罐、低壓儲(chǔ)氣罐等。由于二氧化碳的不可排放性，壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)需要形成閉環(huán)。壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理分為儲(chǔ)能和釋能2個(gè)階段。
儲(chǔ)能時(shí)，低壓儲(chǔ)氣罐中的液態(tài)二氧化碳通過(guò)蓄冷換熱器吸熱汽化，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，同時(shí)再冷器吸收熱量并將熱量存儲(chǔ)在蓄熱器中，將二氧化碳儲(chǔ)存在高壓罐中，即將電能轉(zhuǎn)化為熱能和勢(shì)能的形式儲(chǔ)存；釋能時(shí)，高壓儲(chǔ)氣罐中的二氧化碳經(jīng)過(guò)再熱器推動(dòng)膨脹機(jī)做功，同時(shí)將再熱器出口的低溫蓄冷介質(zhì)冷量存儲(chǔ)在蓄冷罐中，膨脹機(jī)末級(jí)出口的二氧化碳經(jīng)過(guò)再熱器和冷卻器冷卻至液態(tài)，最后存儲(chǔ)到低壓罐中。
膨脹機(jī)作為壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心單元，將被壓縮的二氧化碳膨脹實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能過(guò)程中的能量回收，保持高壓儲(chǔ)氣罐的高壓狀態(tài)。在發(fā)電過(guò)程中，膨脹機(jī)將二氧化碳從高壓膨脹至低壓狀態(tài)，釋放能量，產(chǎn)生電能。膨脹機(jī)的成本約占整個(gè)系統(tǒng)的30%~60%，其選型、運(yùn)行特性、效率對(duì)提高壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)整體效率具有重要意義。
1、二氧化碳膨脹機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.1 二氧化碳膨脹機(jī)類型
按照工作原理二氧化碳膨脹機(jī)可分為容積式和透平式2類。容積式膨脹機(jī)通過(guò)改變膨脹腔內(nèi)的體積對(duì)外做功，包括活塞式膨脹機(jī)、擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)、螺桿式膨脹機(jī)、滑片式膨脹機(jī)、渦旋式膨脹機(jī)等；透平式膨脹機(jī)通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，將二氧化碳從高壓膨脹到低壓并對(duì)外做功，包括軸流式透平膨脹機(jī)和徑流式透平膨脹機(jī)。不同膨脹機(jī)適用的工況不一樣，各類膨脹機(jī)的一般單級(jí)功率范圍、效率范圍、轉(zhuǎn)速范圍及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。
1.2 二氧化碳膨脹機(jī)研究進(jìn)展
1.2.1 活塞式膨脹機(jī)
二氧化碳活塞式膨脹機(jī)在1988年由Heyl等人提出，將其應(yīng)用在制冷系統(tǒng)中。Beak等人將節(jié)流閥換成活塞式膨脹機(jī)應(yīng)用于跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中，制冷效率提高了10%。Zhang等人設(shè)計(jì)了二氧化碳活塞式膨脹機(jī)，得出工作頻率在10~17 Hz時(shí)等熵效率為62%。Fukuta等人研究了具有4個(gè)氣缸二氧化碳徑向活塞式膨脹機(jī)，效率為40%，但運(yùn)行流量較小。馬一太等研究了跨臨界二氧化碳膨脹機(jī)，發(fā)現(xiàn)二氧化碳膨脹機(jī)的輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化存在最大值，轉(zhuǎn)速在1300r/min時(shí)，膨脹機(jī)最大輸出功為330W。丑一鳴提出，出口溫度達(dá)到液化溫度后會(huì)導(dǎo)致膨脹后的液體不能及時(shí)排出造成“水擊”現(xiàn)象，影響活塞式膨脹機(jī)的效率，對(duì)膨脹機(jī)造成損壞。管海清等建立了二氧化碳活塞式膨脹機(jī)的損失模型及效率分析方程，分析了膨脹機(jī)內(nèi)部摩擦、泄漏損失的變化趨勢(shì)以及在總損失中所占的比例，給出了更合理的減少損失的設(shè)計(jì)方法。
在實(shí)驗(yàn)研究方面，F(xiàn)errara等人研究了二氧化碳徑向活塞式膨脹機(jī)，實(shí)驗(yàn)分析得出泄漏摩擦對(duì)活塞式膨脹機(jī)效率影響顯著。姜云濤等研究了轉(zhuǎn)速范圍780~1 100 r/min的二氧化碳滾動(dòng)活塞式膨脹機(jī)，由于加工精度過(guò)低，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的效率范圍為28%~33%。
活塞式膨脹機(jī)氣量范圍一般為0.4~40.0m3/h，承溫（380~560℃）承壓（9MPa）較高，壓力范圍一般為0.12~20.00 MPa，功率范圍在20~100 kW?；钊脚蛎洐C(jī)工作原理如圖2所示。
1.2.2 擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)
擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)相對(duì)活塞式膨脹機(jī)零件較少，擺動(dòng)轉(zhuǎn)子中擺桿和滾動(dòng)環(huán)是一體的，避免了二者之間的連接、摩擦及潤(rùn)滑問(wèn)題，提高了設(shè)備的使用壽命以及可靠性，圖3為擺動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)示意。李敏霞等研制了以二氧化碳為工質(zhì)的擺動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)，進(jìn)行了受力分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及應(yīng)力分析，得出最大集中應(yīng)力發(fā)生在擺桿的基部。
在實(shí)驗(yàn)研究方面，Guan等人開(kāi)發(fā)了二氧化碳擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)樣機(jī)，效率隨轉(zhuǎn)速變化范圍28%~44%。Matsui等人開(kāi)發(fā)了等熵效率為60%的跨臨界二氧化碳膨脹機(jī)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將其與渦旋式壓縮機(jī)同軸，對(duì)等熵效率提升情況進(jìn)行了驗(yàn)證。李敏霞等對(duì)設(shè)計(jì)的膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，工質(zhì)入口溫度48℃時(shí)，膨脹機(jī)的效率達(dá)到44%，在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)入口狀態(tài)、提高膨脹機(jī)功率的建議。
擺動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)在跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)中承壓能力好，適于溫度較高、壓力較大的工作環(huán)境。
1.2.3 螺桿式膨脹機(jī)
雙螺桿式膨脹機(jī)通常由2個(gè)相互嚙合的螺桿組成，膨脹時(shí)被膨脹的工質(zhì)驅(qū)動(dòng)主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子由主轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于嚙合空間的增加，工質(zhì)不斷進(jìn)入膨脹機(jī)，當(dāng)嚙合空間被充滿時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使工質(zhì)隨著葉間空間的增大而膨脹。
20世紀(jì)70年代能源危機(jī)時(shí)，專家團(tuán)隊(duì)研制了輸出功率在20~50 kW的螺桿式膨脹機(jī)系統(tǒng)。此類膨脹機(jī)造價(jià)低廉，但當(dāng)功率小于10 kW時(shí)制造困難。馬一太等提出了用雙螺桿式膨脹機(jī)取代節(jié)流閥的方法，結(jié)合超臨界二氧化碳的特點(diǎn)，為超臨界二氧化碳兩相膨脹機(jī)提供了設(shè)計(jì)思路和建議。單螺桿式膨脹機(jī)的基本嚙合由1個(gè)螺桿和2個(gè)對(duì)稱的星齒輪組成，具體如圖4所示，比雙螺桿式膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、運(yùn)行安全性高，最低運(yùn)行溫度為80℃[34]。郭志宇[35]提到單螺桿式膨脹機(jī)嚙合副的磨損問(wèn)題不僅影響膨脹機(jī)的性能還威脅膨脹機(jī)壽命。
螺桿式膨脹機(jī)中的螺旋擴(kuò)張器既可同步也可非同步，非同步時(shí)需要潤(rùn)滑。
螺桿式膨脹機(jī)目前被應(yīng)用于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)（organic Rankine cycle，ORC）中，不需要進(jìn)氣閥和排氣閥，轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有摩擦，沒(méi)有不平衡的質(zhì)量力，振動(dòng)小，適用于兩相流動(dòng)，絕熱效率高于70%，但承壓（不超過(guò)3 MPa）承溫（不超過(guò)250℃）較低。因此可以應(yīng)用于壓力較小的兩相壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中。
1.2.4 滑片式膨脹機(jī)
滑片式膨脹機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和滑片組成，轉(zhuǎn)子上開(kāi)有凹槽，滑片裝在凹槽內(nèi)，外圈轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，滑片從凹槽甩出進(jìn)入定子，實(shí)現(xiàn)膨脹，工作原理如圖5所示?；脚蛎洐C(jī)運(yùn)行功率小于10 kW，功率密度高；轉(zhuǎn)子不受徑向和軸向力作用，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全性高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)密封軸承和裝備精度要求低，成本低，適用于小型系統(tǒng)。西安交通大學(xué)的楊炳春等設(shè)計(jì)了帶有2個(gè)對(duì)稱的進(jìn)、排氣口和7個(gè)滑片的膨脹機(jī)，通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)獲得了工作腔內(nèi)壓力隨轉(zhuǎn)角變化的曲線，并分析得出此膨脹機(jī)可以平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)行，但會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的泄漏，導(dǎo)致過(guò)度膨脹發(fā)生[37-38]。孫少毅設(shè)計(jì)了二氧化碳滑片式膨脹機(jī)，分析了膨脹機(jī)的泄漏、效率等問(wèn)題，得出二氧化碳膨脹機(jī)由于壓降和泄漏會(huì)導(dǎo)致過(guò)膨脹，膨脹機(jī)的絕熱效率為20%。東南大學(xué)蔣蕓慧設(shè)計(jì)研究出一種新型帶導(dǎo)葉和氣缸隨轉(zhuǎn)的二氧化碳滑片式膨脹機(jī)，其設(shè)置了有效減小摩擦和磨損的隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的氣缸，減小轉(zhuǎn)子直徑來(lái)增大腔室容積，增加了導(dǎo)流葉片，使平均排氣質(zhì)量流量增大2.42%，效率提高2.08%。
Subiantoro等人對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片二氧化碳膨脹機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，研究表明當(dāng)葉片附著在轉(zhuǎn)子上，機(jī)械效率得到提升，并可得到較為理想的功率變化。Yang等人在滑片式膨脹機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)開(kāi)發(fā)了新型旋轉(zhuǎn)葉片式二氧化碳膨脹機(jī)，研究了其內(nèi)部泄漏與摩擦。加入彈簧后膨脹機(jī)的容積效率從17%提高到30%，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷、制熱效率的提高。
目前滑片式膨脹機(jī)大部分為1~10 kW的小功率機(jī)型，且以工質(zhì)為二氧化碳的滑片式膨脹機(jī)的研究主要集中在滑片的個(gè)數(shù)、膨脹腔的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度等方面。此類膨脹機(jī)可應(yīng)用于運(yùn)行功率低于10 kW、低流量、低中等工作壓力的二氧化碳系統(tǒng)中。
1.2.5 渦旋式膨脹機(jī)
渦旋式膨脹機(jī)由靜渦旋盤和動(dòng)渦旋盤組成月牙形的封閉腔，具體如圖6所示。工作時(shí)，高壓氣體通過(guò)渦旋盤中間的進(jìn)氣口流入膨脹腔（圖6a)），動(dòng)渦旋轉(zhuǎn)動(dòng)，膨脹腔的容積變大（圖6b)），實(shí)現(xiàn)膨脹，當(dāng)容積達(dá)到最大時(shí)（圖6c)），排氣口排氣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)氣（圖6d)）、膨脹和排氣過(guò)程。
1988年Yanagisawa等人將汽車中的壓縮機(jī)改裝成為渦旋式膨脹機(jī)，實(shí)驗(yàn)得到轉(zhuǎn)速在1 000~4 000 r/min時(shí)，膨脹機(jī)的等熵效率為60%。Singh等人研究表明二氧化碳渦旋膨脹機(jī)中壓力分布不對(duì)稱，膨脹腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的速度渦流，并提出可以優(yōu)化靜渦旋盤和動(dòng)渦旋盤之間的泄漏空間來(lái)提高膨脹機(jī)的整體效率。馬一太等設(shè)計(jì)了二氧化碳渦旋膨脹機(jī)，進(jìn)行了熱力分析，得出對(duì)于小型制冷裝置，渦旋式膨脹機(jī)是一種可行的設(shè)備，且計(jì)算得出當(dāng)運(yùn)行比與膨脹比不等時(shí)，流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生功損失。
當(dāng)二氧化碳為超臨界狀態(tài)時(shí)，在膨脹過(guò)程中工質(zhì)進(jìn)入過(guò)熱區(qū)會(huì)出現(xiàn)“過(guò)熱液體”的不穩(wěn)定現(xiàn)象，為了保證強(qiáng)度與剛度，葉片或膨脹腔應(yīng)加厚。因此有研究員對(duì)二氧化碳從亞臨界到超臨界過(guò)程的渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Singh等人評(píng)估了二氧化碳渦旋式膨脹機(jī)在跨臨界二氧化碳循環(huán)中的性能，研究表明，所設(shè)計(jì)的渦旋式膨脹機(jī)可以用于高溫環(huán)境，當(dāng)壓比為3.7時(shí)，得到最高的等熵效率為61%，并研究了質(zhì)量流量、吸入壓力、壓比和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響[48-49]，得出軸轉(zhuǎn)速和軸功率偏差分別在±7.5%和±11.1%內(nèi)。
1.2.6 透平式膨脹機(jī)
透平式膨脹機(jī)分為徑流式和軸流式2類，圖7為2類透平膨脹機(jī)葉輪的三維模型。透平式膨脹機(jī)流量下限不能太小，一般為100~200 m3/h[3]。透平膨脹機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速成反比，為防其轉(zhuǎn)速過(guò)高，一般透平膨脹機(jī)只用于大型系統(tǒng)。
在超臨界壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中膨脹機(jī)多采用透平式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其功率范圍、透平效率、損失類型、葉片參數(shù)、摩擦泄漏等進(jìn)行了研究分析及實(shí)驗(yàn)探究。Sarkar和Lee等人研究表明，對(duì)于超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，軸流式透平膨脹機(jī)適用于功率高于10 MW的系統(tǒng)，徑流式透平膨脹機(jī)適用于功率低于10 MW系統(tǒng)。超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機(jī)用于轉(zhuǎn)速過(guò)萬(wàn)的系統(tǒng)時(shí)，可以在20~30 MW功率范圍內(nèi)達(dá)到高效率。Romei等人[在研究中發(fā)現(xiàn)透平式膨脹機(jī)的效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)影響非常大，設(shè)計(jì)出高效運(yùn)行的透平是實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳全部潛力的關(guān)鍵。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單的超臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，影響透平式膨脹機(jī)效率最重要的因素分別是入口溫度、系統(tǒng)循環(huán)中的最高壓力。王智等[54]設(shè)計(jì)了質(zhì)量流量185 kg/s的單級(jí)軸流式透平膨脹機(jī)，進(jìn)行了氣動(dòng)分析、葉片造型，分析入口壓力、入口溫度、轉(zhuǎn)速對(duì)透平式膨脹機(jī)效率、功率和質(zhì)量流量的影響，得出入口壓力對(duì)功率影響變化可達(dá)±32.65%。張磊等分析了4級(jí)膨脹超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機(jī)氣動(dòng)性能和流動(dòng)特性對(duì)效率的影響，得出氣流出口處馬赫數(shù)較低，影響透平式膨脹機(jī)效率提高；端壁二次流影響主流和出口氣流角，造成效率降低；第一級(jí)隔板氣封處泄漏使透平總靜效率下降了7.27%。
在透平式膨脹機(jī)損失方面，Lv等人研究了超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機(jī)的主要損失來(lái)自于動(dòng)靜葉片損失、間隙損失和出口動(dòng)力損失。Unglaube等人分析二氧化碳向心透平膨脹機(jī)比轉(zhuǎn)
速范圍，得到最佳范圍是0.2~0.5，當(dāng)比轉(zhuǎn)速更高時(shí)會(huì)造成額外損失。王春陽(yáng)等設(shè)計(jì)并改進(jìn)了70 MW級(jí)的超臨界二氧化碳膨脹機(jī)，通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究了葉輪的葉型、葉片個(gè)數(shù)、葉頂間隙、葉片的進(jìn)出口個(gè)數(shù)對(duì)膨脹機(jī)的影響，在選取材料時(shí)除了考慮氣動(dòng)限制還考慮了經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。王雨琦等設(shè)計(jì)了部分進(jìn)氣度為0.3的超臨界二氧化碳徑流式向心透平，部分進(jìn)氣時(shí)，在流量減小的情況下增加葉高來(lái)減少其流動(dòng)損失，提高透平式膨脹機(jī)效率。韓萬(wàn)龍等設(shè)計(jì)了5 MW的2級(jí)超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機(jī)，對(duì)葉型優(yōu)化后，可降低動(dòng)、靜葉損失。透平式膨脹機(jī)高壓設(shè)計(jì)工況和變工況氣動(dòng)特性良好，效率可達(dá)84.88%。Schmitt等人設(shè)計(jì)了100 MW的超臨界二氧化碳透平式膨脹機(jī)，進(jìn)行了氣動(dòng)損失分析，得出氣動(dòng)損失導(dǎo)致級(jí)效率比目標(biāo)值低4%。
在透平式膨脹機(jī)摩擦泄漏方面，呂國(guó)川設(shè)計(jì)了帶有背輪空腔的超臨界二氧化碳徑流式透平膨脹機(jī)，進(jìn)行了一維優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)膨脹機(jī)中的損失進(jìn)行了篩選和模型優(yōu)化，非設(shè)計(jì)工況和流通能力較之前有顯著地提升，研究了背輪空腔的影響，得出空腔對(duì)摩擦和泄漏流體回流都會(huì)造成損失。Du Q等分析了在超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機(jī)中串聯(lián)式干氣密封比單級(jí)密封結(jié)構(gòu)性能更加突出，且透平效率幾乎無(wú)變化，氣動(dòng)性能良好。杜秋晚等還在徑流式透平膨脹機(jī)中設(shè)計(jì)了干氣密封、迷宮密封和二者相結(jié)合的3種密封槽，分析得出3種槽型均可以滿足泄漏和流量的要求，迷宮密封和干氣密封相結(jié)合的綜合性最好，具體如圖8所示。應(yīng)祺煜等研究了4級(jí)超臨界二氧化碳軸流式透平膨脹機(jī)，進(jìn)行了氣動(dòng)分析，流道三維數(shù)值模擬，得出動(dòng)葉葉頂間隙泄漏是影響透平式膨脹機(jī)流動(dòng)和性能的關(guān)鍵因素。
在實(shí)驗(yàn)研究方面美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratory，SNL）、韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）及韓國(guó)能源研究所（Korea Institute of Energy Research，KIER）、日本東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology，TIT）等做出了成果。美國(guó)SNL制造了徑流式透平膨脹機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，入口溫度811 K，實(shí)際轉(zhuǎn)速為59 000 r/min。KAIST考慮了二氧化碳跨臨界問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致測(cè)試不確定度增加，建議在二氧化碳臨界點(diǎn)附近建立增壓點(diǎn)，使其一直在超臨界區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。KIER設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)分析了60 kW的超臨界氧化碳單級(jí)軸流式透平膨脹機(jī)，采用沖量和部分進(jìn)氣的方式來(lái)減小軸向力和轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到了各種問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。
透平式膨脹機(jī)氣體量達(dá)50 000~200 000 kg/h，承壓承溫能力高，本文統(tǒng)計(jì)二氧化碳透平式膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速最高為200 000 r/min，單級(jí)功率為70 MW。隨著壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，透平式膨脹機(jī)使用要求更加嚴(yán)格，在提高透平效率、減少各類損失、降低摩擦泄漏、改善葉型等方面都可以進(jìn)行更深入的研究。
1.3 膨脹機(jī)工程應(yīng)用案例
目前壓縮二氧化碳儲(chǔ)能研究處于前沿領(lǐng)域，其膨脹機(jī)研究主要集中在數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究方面。現(xiàn)有二氧化碳膨脹機(jī)工程應(yīng)用可體現(xiàn)在二氧化碳發(fā)電項(xiàng)目上，表2為KAIST及KIER部分膨脹機(jī)應(yīng)用案例。
2、膨脹機(jī)選擇及存在問(wèn)題
根據(jù)二氧化碳流動(dòng)性好、做功能力強(qiáng)、在壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中物性狀態(tài)分布范圍大的特點(diǎn)，結(jié)合膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，活塞式、螺桿式、透平式膨脹機(jī)均有應(yīng)用前景。但在運(yùn)行過(guò)程中，膨脹機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)不同問(wèn)題，導(dǎo)致效率降低、影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)膨脹機(jī)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出了解決的方案。
2.1 活塞式膨脹機(jī)
活塞式膨脹機(jī)適用于壓比大、流量小的場(chǎng)合，一般壓比范圍4~40，可應(yīng)用于二氧化碳不同狀態(tài)。活塞式膨脹機(jī)存在“水擊”現(xiàn)象和泄漏問(wèn)題導(dǎo)致流量損失，影響膨脹機(jī)的絕熱效率。當(dāng)二氧化碳為低溫液態(tài)時(shí)，還要考慮進(jìn)、排氣閥和氣缸的耐低溫性和耐腐蝕性。
對(duì)于“水擊”現(xiàn)象，合理設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)，使膨脹后的液體能夠及時(shí)排出來(lái)緩解此問(wèn)題。對(duì)于泄漏問(wèn)題，應(yīng)適當(dāng)減小氣缸與活塞組件的間隙，合理改進(jìn)膨脹機(jī)的活塞密封，密封方式可選擇皮碗密封、活塞環(huán)密封、迷宮密封等形式。在設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)時(shí)，進(jìn)、排氣閥分開(kāi)設(shè)置，使流通面積增加，減少節(jié)流損失；氣流單向流動(dòng)，使熱交換減少，降低流動(dòng)損失。對(duì)于進(jìn)、排氣閥的相位，進(jìn)氣相位對(duì)質(zhì)量流量的影響大于排氣相位的影響。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后，先對(duì)進(jìn)氣相位區(qū)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證不損失質(zhì)量流量下設(shè)計(jì)膨脹機(jī)排氣相位，達(dá)到效率要求。工質(zhì)為低溫液態(tài)二氧化碳時(shí)，根據(jù)膨脹機(jī)溫度范圍、壓力范圍選取合適的材料或涂層來(lái)保證活塞膨脹機(jī)正常工作。
2.2 螺桿式膨脹機(jī)
螺桿式膨脹機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子間不接觸，無(wú)摩擦、無(wú)振動(dòng)，帶液工作時(shí)可以改變轉(zhuǎn)子間的間隙從而降低流動(dòng)損失。在壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中，當(dāng)二氧化碳為氣液兩相時(shí)可以采用螺桿式膨脹機(jī)。但螺桿式膨脹機(jī)型面設(shè)計(jì)難度大，加工精度高，在轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮整體的經(jīng)濟(jì)效益。工作過(guò)程中，由于進(jìn)、排氣口周期相通，瞬間氣流發(fā)生沖擊，造成流動(dòng)損失、效率降低。
在設(shè)計(jì)螺桿式膨脹機(jī)時(shí)，按照二氧化碳?xì)庖毫髁勘仍O(shè)計(jì)齒數(shù)比、中心距，調(diào)整轉(zhuǎn)子間的嚙合間隙來(lái)降低流動(dòng)損失。在進(jìn)、排氣閥處增加消聲器，緩解噪聲的影響。根據(jù)二氧化碳在膨脹機(jī)中的流體運(yùn)動(dòng)特征，改變排氣閥的形狀和布局，減弱出口處回流現(xiàn)象，減少流動(dòng)損失，提高膨脹機(jī)的效率。當(dāng)壓比較小時(shí)，可以沿螺桿方向徑向布置排氣閥。當(dāng)二氧化碳為氣液兩相時(shí)，提高轉(zhuǎn)子的耐液擊和耐氣蝕特性。
2.3 徑流式透平膨脹機(jī)
徑流式透平膨脹機(jī)可以滿足二氧化碳高壓比、大流量的要求。在徑流式透平膨脹機(jī)中不同類型透平的膨脹位置不同。沖動(dòng)式透平膨脹機(jī)只在葉輪處完成膨脹，反動(dòng)式透平膨脹機(jī)蝸殼、噴嘴、葉輪均會(huì)發(fā)生膨脹。但在反動(dòng)式透平膨脹機(jī)中，噴嘴處?kù)式递^大會(huì)使流動(dòng)損失增大，噴嘴與葉輪沖角的匹配也會(huì)影響葉輪內(nèi)部的流動(dòng)情況。當(dāng)出口二氧化碳為氣液兩相時(shí)，可能會(huì)存在渦旋回流現(xiàn)象。當(dāng)出口二氧化碳為液相時(shí)局部地區(qū)的靜力減少，接近葉片表面液體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)小蒸汽泡（空泡），當(dāng)空泡被周圍二氧化碳帶到壓力較高的區(qū)域，空泡潰滅產(chǎn)生壓力波，對(duì)葉片造成沖擊，產(chǎn)生汽蝕。
針對(duì)上述問(wèn)題，在沖動(dòng)式透平膨脹機(jī)中，首先要選擇合適反動(dòng)度，對(duì)不同部位的焓降進(jìn)行分配，通過(guò)設(shè)計(jì)控制在蝸殼、噴嘴和葉輪3個(gè)位置的焓降，減小流動(dòng)損失；其次根據(jù)膨脹要求設(shè)計(jì)工作輪沖角，避免葉片吸力面前緣的環(huán)流與壓力面尾緣流體在葉片表面附著，使效率降低。設(shè)計(jì)徑流式透平膨脹機(jī)時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)葉片尾緣與葉輪出口的距離來(lái)緩解透平出口渦旋回流現(xiàn)象。當(dāng)膨脹機(jī)內(nèi)存在相變過(guò)程時(shí)，采用合適的物性狀態(tài)方程可提高仿真精度。對(duì)于空化現(xiàn)象可以通過(guò)空泡潰滅時(shí)的噪聲進(jìn)行位置檢測(cè)，設(shè)計(jì)透平葉片葉型，改變出口相對(duì)氣流角減弱空化現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)葉片表面使用特殊材料的涂層來(lái)減緩空泡對(duì)其的沖擊。
2.4 軸流式透平膨脹機(jī)
軸流式透平膨脹機(jī)可以滿足大流量、多級(jí)膨脹要求，當(dāng)徑流式透平膨脹機(jī)不能滿足壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)功率要求時(shí)，可以采用軸流透平。軸流式透平膨脹機(jī)中，葉頂間隙泄漏、透平膨脹機(jī)端壁處的二次流現(xiàn)象是影響透平膨脹機(jī)效率和性能的主要因素之一。葉頂間隙泄漏影響下一級(jí)靜葉流動(dòng)，引起靜葉片壓力面和吸力面流體分離，造成流動(dòng)損失。二次流會(huì)使葉片通道內(nèi)產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象，導(dǎo)致流動(dòng)損失，還會(huì)影響排氣口氣流角的變化。
針對(duì)泄漏問(wèn)題，設(shè)計(jì)軸流式透平膨脹機(jī)時(shí)在軸端設(shè)計(jì)干氣密封、迷宮密封等形式來(lái)減小泄漏損失。與迷宮密封相比干氣密封受泄漏入口寬度影響較小，但干氣密封對(duì)軸向力平衡的影響大于迷宮密封，且干氣密封對(duì)間隙泄漏更敏感。對(duì)于二次流問(wèn)題，可以采用彎葉片造型，減小葉柵通道的壓力和載荷梯度；設(shè)計(jì)非軸對(duì)稱端壁，通過(guò)降低近下端壁處的壓力梯度，改變工質(zhì)在流道內(nèi)近壁面的流動(dòng)，對(duì)二次流進(jìn)行抑制。對(duì)二氧化碳射流位置及角度進(jìn)行控制，可減小渦旋現(xiàn)象發(fā)生。還可以嘗試改變?nèi)~片前緣及尾緣形狀，同時(shí)減小泄漏和二次流現(xiàn)象，提高透平效率。
3、結(jié)論與展望
膨脹機(jī)作為二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和性能有直接影響，因此對(duì)其選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性、工程應(yīng)用等進(jìn)行研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文從當(dāng)下能源形勢(shì)出發(fā)，介紹了國(guó)內(nèi)外不同類型二氧化碳膨脹機(jī)的研究現(xiàn)狀，給出了不同類型膨脹機(jī)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，分析了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中膨脹機(jī)選擇及其運(yùn)行時(shí)的潛在問(wèn)題，得出以下結(jié)論。
1）不同形式的膨脹機(jī)根據(jù)其能量轉(zhuǎn)化方式不同應(yīng)用范圍不同。容積式膨脹機(jī)適用壓比大、流量小的系統(tǒng)；透平式膨脹機(jī)適用于轉(zhuǎn)速高、流量大的系統(tǒng)。
2）容積式膨脹機(jī)中活塞式和螺桿式適合應(yīng)用于壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以提高2種膨脹機(jī)的效率，減少流動(dòng)損失。改善活塞式膨脹機(jī)材料可應(yīng)對(duì)低溫二氧化碳影響，設(shè)計(jì)螺桿膨脹型面時(shí)要考慮加工精度。
3）徑流式透平可通過(guò)設(shè)計(jì)葉片前緣、尾緣形狀降低流動(dòng)損失來(lái)提高效率；通過(guò)改變?nèi)~型、增加涂層減弱汽蝕沖擊。軸流式透平采用軸端密封減少泄漏，降低損失；采用彎葉片造型，降低壓力梯度減弱二次流的影響。
結(jié)合二氧化碳膨脹機(jī)的研究進(jìn)展，未來(lái)可以在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。
1）容積式和透平式膨脹機(jī)中還存在摩擦損失，摩擦損失是影響膨脹機(jī)效率的關(guān)鍵因素之一，不同類型膨脹機(jī)摩擦位置不同。今后可針對(duì)如何降低二氧化碳膨脹機(jī)摩擦損失進(jìn)一步分析研究，如改善摩擦部位結(jié)構(gòu)，提高加工精度，增加潤(rùn)滑設(shè)備，從而提高膨脹效率。
2）目前對(duì)二氧化碳膨脹機(jī)的研究主要集中在理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，可結(jié)合工程應(yīng)用中二氧化碳的物性參數(shù)和膨脹過(guò)程中的復(fù)雜變化，修正和解決膨脹機(jī)在理論設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和程序，并對(duì)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3）目前壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)正處于初級(jí)階段，本文僅給出了當(dāng)前二氧化碳膨脹機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和在發(fā)電系統(tǒng)中的工程應(yīng)用。未來(lái)二氧化碳膨脹機(jī)技術(shù)發(fā)展可以提高儲(chǔ)能效率、降低設(shè)備成本為導(dǎo)向，結(jié)合二氧化碳在不同狀態(tài)下的物性參數(shù)，穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)理論分析、機(jī)械設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工程應(yīng)用到技術(shù)推廣，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)研究一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。
