中国储能网讯：主要介绍哈汽公司自主研发的大容积流量300MW压缩空气储能二次再热空气透平。该空气透平能够满足压缩空气储能系统全滑压运行并且全过程额定功率发电的需求。启停灵活，能够适应系统频繁启停的运行模式。该空气透平气耗率低，有很强的市场竞争力。

  新型非补燃压缩空气储能全过程无污染和排放，具有大容量、高效率、长寿命、零排放等优点，是目前大规模储能领域极具潜力的发展方向之一。开展新型非补燃压缩空气储能系统及关键设备研发，有利于提升电力发展质量和效益、全面推进生态文明建设和促进区域协调发展。300MW新型压缩空气储能是目前非补燃压缩空气储能领域单机功率最大、储能规模最大的项目，必将成为压缩空气储能领域的重要支撑。300MW空气透平作为压缩空气储能系统的核心设备，同样有着广阔的市场前景。本文针对哈汽公司自主研发的300MW压缩空气储能系统二次再热空气透平设计方案进行介绍。

  1 整体方案

  该300MW空气透平机组为二次再热、单轴、两缸、轴排透平机组，是融合哈汽公司最新研制的火电、核电汽轮机技术，重新优化完善各气缸阀门模块设计而成的。机组整体布置如图1所示。

  300MW空气透平属于大容积流量透平，主要具有如下技术特点：

  （1）与蒸汽透平相比，空气透平总焓降小、质量流量大、再热次数多、通流级数少，单级叶片做功负荷大。

  （2）与燃气透平相比，空气透平再热次数多、膨胀比大、通流级数多。

  （3）压缩空气储能循环过程中有热量剩余，空气透平主要经济性指标为气耗率，而非热耗率，设计过程中要尽量提高效率、减少漏气，降低整体气耗率。

  （4）压缩过程耗功多，建立压力付出代价大，空气透平进气、排气过程要尽量减少压损。

  （5）空气透平无回热系统。

  （6）空气透平要求启停频繁、启动和变负荷速度快，设计过程中要同时兼顾启停、寿命和经济性问题。

  （7）空气透平要求具有在全滑压范围内保持额定负荷运行的能力。

  2 本体结构

  2.1 高压缸模块

  该机组的高压模块为双分流结构，共有2×8级反动式压力级，压力级的隔板分别装入隔板套的环形凹槽中。机组第4级后设有补气口。高压缸模块技术特点如下：

  （1）通流采用反动式全三维设计技术，进一步提高高压缸效率。

  （2）各级动叶采用倒Ｔ型叶根，漏气损失小。

  （3）缸体设计借鉴AP1000高压缸和超超临界660MW中压缸技术。

  （4）高压缸2×180°切向涡壳进气技术：涡壳结构能够减小进口部分的流动损失，并优化第一级径向叶片空气的出口。空气在速度和方向不发生骤变的情况下流入叶片。在涡壳上的流量损失明显降低，可允许提高空气流速，并具有很高的动能转换效率。这种流道特征结构的改进使透平可采用紧凑坚固的结构。

  高压模块剖面如图2所示。

  主气通过两个装在高压缸两侧的主气调节联合阀进入高压缸。每个主气调节联合阀包括一个主气阀、一个调节阀和一个补气阀，如图3所示。阀门通过调节阀的扩压延长段与气缸相连。阀壳通过法兰连接在外缸上。阀门与气缸之间没有蒸气管道，结构紧凑、损失小、附加推力小。主气阀是保安系统的一部分，并且是“力作用打开”的设计。主气管道施加在阀上的力和力矩经由气缸和阀门支架传递到基础上。

  每个高压主气调节阀为一个主气阀、一个调节阀和一个补气阀组成，主气阀是一个内部带有预启阀的单阀座式提升阀，调节阀为单座平衡阀，补气阀与调节阀结构相同。

  调节阀通过进气法兰与高压缸相连，主气离开调节阀通过进气导管进入高压缸。阀门与气缸之间的进气导管很短，这有利于控制主气阀关闭时引起的飞升转速。新研制的高压主气调节阀总的压损很小，经济性良好，能够满足最大通流量的要求，而且其力在全行程范围内都很小，能够保证阀门的安全稳定运行。

  2.2 中低压缸模块

  中低压部分采用一个单层中低压合缸结构，中压3级隔板，低压2级隔板，整体结构如图4所示。中低压气缸是低合金钢铸件，并考虑到启动和升负荷过程做了结构的优化设计，采用水平中分面螺栓连接结构。在中压部分的排气侧，气缸猫爪固定在2号轴承座上，猫爪为上、下支承形式。中低压气缸和排气缸通过垂直法兰螺栓连接。在检修的时候，中低压缸和排气缸的上半部可同时起吊而无需拆卸垂直法兰上的螺栓。

  排气缸采用轴向排气结构以降低排气流动损失。本方案在设计过程中对轴向排气结构和下排气结构进行了内部流场分析对比，核算结果见表1。

  相比下排气结构，轴向排气结构静压恢复系数和整机效率更优。另一方面，采用轴向排气结构能降低机组运行层和厂房的高度，有利于降低项目的投资成本。排气缸为碳钢结构，3号轴承位于排气缸内，通过移除排气缸顶部的检修盖板检查3号轴承。排气缸固定在基座上。排气缸的结构及气动分析效果如图5、图6所示。

  2.3 滑销系统

  机组2号轴承箱设为绝对死点。在2号轴承箱内设置推力轴承，整个轴系以此为死点向两端膨胀。高压缸受热后以2号轴承座为死点向机头方向膨胀，中低压缸以2号轴承座为中心向排气缸侧膨胀。此种布置的高压缸和中低压缸既能保证气缸与转子向同一方向膨胀减小高、中压气缸动静间的胀差，又能有效减小每个气缸的绝对膨胀量，有利于机组快速启动和变负荷。具体结构布置如图7所示。

  3 配气调节方案

  常用的配气调节方式主要有全周进气节流调节、全周进气＋补气阀调节、喷嘴节流调节3种。对于300MW等级压缩空气储能项目，一般利用废弃的盐穴等天然密闭的空间存储压缩后的空气。在发电过程中，随着储气库内的空气量的减少，空气的压力也会逐渐降低，要求配套空气透平必须具备整个发电周期能够滑压运行并且保证满负荷发电的能力。结合本项目的实际特点以及与其它配气方案的计算比优，确定本项目采用全周进气＋补气阀调节的配气方案。对比结果见表2。

  透平从设计的进气压力滑压运行，最终滑压至最低压力点，期间保持额定出力不变。根据上述计算对比，本项目采用全周进气＋补气阀的进气调节方式。设计时设置一个补气阀，当主气压力达到额定压力时，系统正常运行，补气阀关闭，空气依次流过各级透平；当主气压力低于额定压力时，打开补气阀，进入系统的空气一部分进入第１级叶片并依次流过其它各级另一部分从补气阀直接进入某级后，然后流过各级，如此就可以通过增大机组流量保证机组整体出力不变。基本原理如图8所示。

  储气库压力随发电时间变化是连续降低的状态，那么在补气阀开启之前为了防止透平功率超过额定功率，就需要对主气进行节流调节，控制进气流量；在补气阀开启后为了防止透平功率低于额定功率，就需要通过补气阀对系统进行补气。节流和补气会引起效率损失，因此，在补气阀开启之前透平存在节流损失，在补气阀开启之后存在补气损失，在整个发电过程中总的节流损失和补气损失最小对应的补气阀开启点压力才是最合理的。

  通过对比计算，得到平均气耗率与补气阀开启点压力关系曲线，如图9所示。最优的补气阀开启点压力为7.35MPa。

  4 总结

  哈汽公司依托成熟的核电、火电机组技术，自主开发了适应全滑压运行的300MW压缩空气储能空气透平，整体设计方案先进、合理、可行，能够满足压缩空气储能系统的运行需求，具有很好的市场推广前景。