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    壓縮空氣儲能技術最新研究進展

      儲能是實現“雙碳”目標的關鍵支撐技術,壓縮空氣儲能被認為是頗具發展前景的大規模物理儲能技術。壓縮機作為儲能系統中的關鍵部件之一,其性能對系統效率和經濟性有決定性影響。
     
      1.在離心壓縮機葉片擴壓器設計與增材制造方面取得進展
      開發單位:中科院工程熱物理研究所
      多級壓縮機中可調葉片擴壓器作為變工況調節技術,可擴大壓縮機的穩定工作范圍,改善壓縮過程中的氣動性能,提高壓縮效率。
      為了探究可調葉片擴壓器的調節機制,并揭示擴壓器葉片在變工況下的載荷分布規律及擴壓機理,中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心設計并采用3D打印增材制造方式加工了應用于100MW先進壓縮空氣儲能系統壓縮機的可調擴壓器。研究基于實際測試環境采用選擇性激光熔化技術進行金屬3D打印,有效縮短了傳統工藝加工周期,并突破了內流引壓通道加工瓶頸。加工完成的擴壓器葉片部件通過了型面誤差檢測,確保其高精度。
      采用該新型3D打印增材制造可調擴壓器,其葉片壓力面/吸力面組件便于在整機運行環境下進行表面壓力測量,且葉片前緣來流為帶旋流真實流動,可真實反映擴壓器實際工作狀態。配合可靠密封結構,擴壓器葉片能實現安裝角度在線調節,便于在壓縮機運行中開展變工況調節及測量。
      目前,擴壓器設計與制造相關研究成果作為封面文章,發表在Journal of Thermal Science上。該新方法已授權發明專利1項,授權實用新型專利2項。
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      2.超臨界壓縮空氣儲能系統液體渦輪性能研究
      技術領域:超臨界壓縮空氣儲能
      開發單位:中科院工程熱物理研究所 陳海生
      技術突破:首次對超臨界壓縮空氣儲能系統(SC-CAES)中液體渦輪的性能和流動特性進行了分析,結果表明導葉總壓損失在所有部件中所占比例最大,且非均勻流動對噴嘴的總壓損失有顯著影響。
      應用價值:對工業系統中液體渦輪機的優化和性能的提高具有指導意義。
      在高壓液體或超臨界流體減壓過程中,液體渦輪可以取代工業系統中的節流閥,以回收高壓液體或超臨界流體所浪費的能量,并緩解減壓過程中的蒸發問題,提高工業系統的系統效率。研究表明,使用液體渦輪的超臨界壓縮空氣儲能系統(SC-CAES)的效率可以提高10%。其中,液體渦輪流量特性的研究對于配置液體渦輪的熱力系統的設計和運行至關重要。然而,液體渦輪的流動特性尚未得到充分研究,如液體渦輪的總壓損失、蝸殼對噴嘴和轉子內非均勻流動的影響等。
    壓縮空氣儲能技術最新研究進展
      為解決上述問題,來自中科院工程熱物理研究所的研究人員首次對SC-CAES系統中液體渦輪的性能和流動特性進行了分析。針對液體渦輪的三種典型拓撲模型進行仿真,包括單通道導葉和轉子(C1)、蝸殼+全周導葉和轉子(C2)、蝸殼+全周噴嘴和轉子+間隙+出口段(C3)進行了仿真,并與實驗結果進行了比較。研究表明,在設計流量為61 kg/s時,試驗效率,C1、C2和C3的仿真效率分別為75.2%、90.6%、79.4%和74.3%。其中,C3的效率與實驗相符,偏差小于2%。在整個流量范圍內,C1的效率與實驗值的偏差為15.8%,這是由于忽略了蝸殼內的非均勻流動、蝸殼內和轉子前后支板上的摩擦損失以及密封處的泄漏損失而造成的。在設計流量下,導葉總壓損失在所有部件中所占比例最大,為6.8%。隨著流量的降低,導葉的相對總壓損失隨著速度的降低而減小,而轉子的相對總壓損失會隨著轉子的入射損失的增加而增加。非均勻流動對噴嘴的總壓損失有顯著影響,而轉子的總壓損失與低速區的發展有關。隨著流量的減小,機匣的壁面效應在流向上變得越來越顯著。
     
      3.關于壓縮空氣儲能系統中液體活塞壓縮空氣的流動與傳熱特性的研究
      技術領域:等溫壓縮空氣儲能
      開發單位:法國南特大學 Nantes  University,Mustapha Benaouicha.
      技術突破:首次對液體活塞壓縮機內部空氣壓縮過程中的流體動力學和耦合傳熱行為進行了詳細的模擬和分析,結果表明,腔室內部流動經歷了軸對稱流動結構的建立、演化和向完全混沌流動過渡的過程,液體活塞壓縮結束時空氣溫升比絕熱過程的溫升小7.7倍。
      應用價值:為發展高效等溫壓縮空氣儲能系統,提高壓縮空氣儲能在工業中的大規模應用提供理論支持。
      近年來,可再生能源在全球發電中的份額顯著增加,儲能技術的發展是高效利用可再生能源的關鍵。在各種儲能技術中,壓縮空氣儲能是最有前景和成本效益最優的大規模儲能方法之一,而且壓縮空氣儲能已顯示出在發電廠進行大規模儲能的潛力。但是,傳統壓縮空氣儲能系統的主要問題之一是壓縮或膨脹過程中空氣溫度上升或下降,導致往返效率較低。
      為解決這一問題,人們提出了利用液體活塞替代傳統固體活塞。液體活塞的特點是使用細長柱狀的液體用于增加或降低氣體的壓力。由于液體活塞壓縮腔室的長徑比高,水的熱容大,空氣與壁面接觸表面積大,因此有利于空氣和環境以及水之間的熱交換。目前,液體活塞技術已應用于效率更高的等溫壓縮空氣儲能系統中,但對液體活塞壓縮或膨脹過程中內部共軛流體流動和傳熱的研究分析仍然有所欠缺。
      為解決上述問題,來自法國南特大學的研究人員通過數值模擬來表征和解釋液體活塞壓縮機內空氣和水的流動模式的演變和共軛傳熱,并首次對液體活塞壓縮機內部空氣壓縮過程中的流體動力學和耦合傳熱行為進行了詳細的模擬和分析,從而更好地了解了流型及其轉變。液體活塞壓縮腔室的物理模型如圖所示。
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      研究表明,在壓縮過程中存在不同的流型,在壓縮初期,內部流體建立了一個軸對稱流動結構,即在液柱中心處有上升流,在活塞壁附近有下降流。中心上升流和外圍下降流之間的界面處的高剪應力和摩擦導致的不穩定性可能會破壞這種流動結構。液體活塞壓縮腔室內部的第一次流動擾動發生在速度梯度最大處(L*=0.9),然后向兩端傳播,形成波紋狀的主流結構。
      隨著空氣溫度的迅速升高,氣流流動變得混亂,腔室內部流動經歷了軸對稱流動結構的建立、演化和向完全混沌流動過渡的過程。液體活塞壓縮結束時空氣無量綱溫度達到1.11,壓縮空氣溫升為32.5 K,比絕熱過程的溫升小7.7倍,證實了液體活塞有利于實現等溫壓縮空氣儲能。液體活塞速度過快,將導致最終空氣溫度升高,并偏離等溫壓縮條件。因此,對于液體活塞速度相對較高的壓縮機,需要采取有效的散熱措施以降低溫升。數值模擬的結果將有助于更好地理解液體活塞壓縮腔室內部的流動和傳熱機理,同時還有助于描述液體活塞的工作性能,為發展高效等溫壓縮空氣儲能系統,提高壓縮空氣儲能在工業中的大規模應用提供理論支持。
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