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)全滑壓運行并且全過程額定功率發(fā)電的需求。啟停靈活，能夠適應系統(tǒng)頻繁啟停的運行模式。該空氣透平氣耗率低，有很強的市場競爭力。
新型非補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，是目前大規(guī)模儲能領域極具潛力的發(fā)展方向之一。開展新型非補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)及關鍵設備研發(fā)，有利于提升電力發(fā)展質量和效益、全面推進生態(tài)文明建設和促進區(qū)域協(xié)調發(fā)展。300MW新型壓縮空氣儲能是目前非補燃壓縮空氣儲能領域單機功率最大、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計方案進行介紹。
1 整體方案
該300MW空氣透平機組為二次再熱、單軸、兩缸、軸排透平機組，是融合哈汽公司最新研制的火電、核電汽輪機技術，重新優(yōu)化完善各氣缸閥門模塊設計而成的。機組整體布置如圖1所示。
300MW空氣透平屬于大容積流量透平，主要具有如下技術特點：
（1）與蒸汽透平相比，空氣透平總焓降小、質量流量大、再熱次數(shù)多、通流級數(shù)少，單級葉片做功負荷大。
（2）與燃氣透平相比，空氣透平再熱次數(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)濟性指標為氣耗率，而非熱耗率，設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，空氣透平進氣、排氣過程要盡量減少壓損。
（5）空氣透平無回熱系統(tǒng)。
（6）空氣透平要求啟停頻繁、啟動和變負荷速度快，設計過程中要同時兼顧啟停、壽命和經(jīng)濟性問題。
（7）空氣透平要求具有在全滑壓范圍內保持額定負荷運行的能力。
2 本體結構
2.1 高壓缸模塊
該機組的高壓模塊為雙分流結構，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。機組第4級后設有補氣口。高壓缸模塊技術特點如下：
（1）通流采用反動式全三維設計技術，進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）缸體設計借鑒AP1000高壓缸和超超臨界660MW中壓缸技術。
（4）高壓缸2×180°切向渦殼進氣技術：渦殼結構能夠減小進口部分的流動損失，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換效率。這種流道特征結構的改進使透平可采用緊湊堅固的結構。
高壓模塊剖面如圖2所示。
主氣通過兩個裝在高壓缸兩側的主氣調節(jié)聯(lián)合閥進入高壓缸。每個主氣調節(jié)聯(lián)合閥包括一個主氣閥、一個調節(jié)閥和一個補氣閥，如圖3所示。閥門通過調節(jié)閥的擴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，結構緊湊、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上。
每個高壓主氣調節(jié)閥為一個主氣閥、一個調節(jié)閥和一個補氣閥組成，主氣閥是一個內部帶有預啟閥的單閥座式提升閥，調節(jié)閥為單座平衡閥，補氣閥與調節(jié)閥結構相同。
調節(jié)閥通過進氣法蘭與高壓缸相連，主氣離開調節(jié)閥通過進氣導管進入高壓缸。閥門與氣缸之間的進氣導管很短，這有利于控制主氣閥關閉時引起的飛升轉速。新研制的高壓主氣調節(jié)閥總的壓損很小，經(jīng)濟性良好，能夠滿足最大通流量的要求，而且其力在全行程范圍內都很小，能夠保證閥門的安全穩(wěn)定運行。
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構，中壓3級隔板，低壓2級隔板，整體結構如圖4所示。中低壓氣缸是低合金鋼鑄件，并考慮到啟動和升負荷過程做了結構的優(yōu)化設計，采用水平中分面螺栓連接結構。在中壓部分的排氣側，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構以降低排氣流動損失。本方案在設計過程中對軸向排氣結構和下排氣結構進行了內部流場分析對比，核算結果見表1。
相比下排氣結構，軸向排氣結構靜壓恢復系數(shù)和整機效率更優(yōu)。另一方面，采用軸向排氣結構能降低機組運行層和廠房的高度，有利于降低項目的投資成本。排氣缸為碳鋼結構，3號軸承位于排氣缸內，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。排氣缸的結構及氣動分析效果如圖5、圖6所示。
2.3 滑銷系統(tǒng)
機組2號軸承箱設為絕對死點。在2號軸承箱內設置推力軸承，整個軸系以此為死點向兩端膨脹。高壓缸受熱后以2號軸承座為死點向機頭方向膨脹，中低壓缸以2號軸承座為中心向排氣缸側膨脹。此種布置的高壓缸和中低壓缸既能保證氣缸與轉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，有利于機組快速啟動和變負荷。具體結構布置如圖7所示。
3 配氣調節(jié)方案
常用的配氣調節(jié)方式主要有全周進氣節(jié)流調節(jié)、全周進氣＋補氣閥調節(jié)、噴嘴節(jié)流調節(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)電周期能夠滑壓運行并且保證滿負荷發(fā)電的能力。結合本項目的實際特點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氣＋補氣閥調節(jié)的配氣方案。對比結果見表2。
透平從設計的進氣壓力滑壓運行，最終滑壓至最低壓力點，期間保持額定出力不變。根據(jù)上述計算對比，本項目采用全周進氣＋補氣閥的進氣調節(jié)方式。設計時設置一個補氣閥，當主氣壓力達到額定壓力時，系統(tǒng)正常運行，補氣閥關閉，空氣依次流過各級透平；當主氣壓力低于額定壓力時，打開補氣閥，進入系統(tǒng)的空氣一部分進入第１級葉片并依次流過其它各級另一部分從補氣閥直接進入某級后，然后流過各級，如此就可以通過增大機組流量保證機組整體出力不變?；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，就需要對主氣進行節(jié)流調節(jié)，控制進氣流量；在補氣閥開啟后為了防止透平功率低于額定功率，就需要通過補氣閥對系統(tǒng)進行補氣。節(jié)流和補氣會引起效率損失，因此，在補氣閥開啟之前透平存在節(jié)流損失，在補氣閥開啟之后存在補氣損失，在整個發(fā)電過程中總的節(jié)流損失和補氣損失最小對應的補氣閥開啟點壓力才是最合理的。
通過對比計算，得到平均氣耗率與補氣閥開啟點壓力關系曲線，如圖9所示。最優(yōu)的補氣閥開啟點壓力為7.35MPa。
4 總結
哈汽公司依托成熟的核電、火電機組技術，自主開發(fā)了適應全滑壓運行的300MW壓縮空氣儲能空氣透平，整體設計方案先進、合理、可行，能夠滿足壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運行需求，具有很好的市場推廣前景。
